工科物理虛擬仿真實驗教學平臺的建設實踐

劉維慧，孟麗華，于　陽，李　婧，張　曉，王學水，張魯殷

(山東科技大學，山東 青島　266590)

*通訊聯系人

工科物理虛擬仿真實驗教學平臺的建設實踐

劉維慧，孟麗華，于陽，李婧，張曉，王學水，張魯殷*

(山東科技大學，山東 青島266590)

摘 要：本文介紹了山東科技大學工科物理虛擬仿真實驗教學中心建設歷程。虛擬方正實驗教學中心以山東省實驗教學示范中心為依托，以創建國家級虛擬仿真實驗教學中心為契機，通過圍繞大學物理虛擬仿真平臺的建設，從普通物理實驗、近代物理實驗和專業物理實驗等幾個方面展開系列工作，并提出虛實結合，有實有虛，實缺虛補的方針，對本校虛擬仿真實驗教學方面建設所存在的問題及取得的成績做了詳細的敘述。

關鍵詞：大學物理實驗；虛擬仿真實驗；實驗平臺建設

山東科技大學2001年開始在青島建設新校區，2002年大學物理實驗教學中心由泰安校區搬遷到青島校區，實驗室面積由原來的1000平方米擴大到5800平方米，并建立了工程物理實驗室，同年底學校對原有的實驗室整合為一體，正式成立了工科物理實驗教學中心。原大學物理實驗室于1999年被山東省教委評為“山東省一類實驗室”。中心于2004年1月被山東省教育廳批準為“山東省高等學?；A課實驗教學示范中心”

長期以來，中心堅持“以學生為本、以能力培養為核心，樹立融知識、能力、素質協調發展”的教學理念，以“夯實基礎、重視應用、激勵創新、提高素質”為教學方針，在實驗教學體系和教學內容方面進行了一系列改革，加強了與工科專業密切相關的工程物理實驗教學。中心根據各專業特點，建立了“地礦與測繪模塊”、“機械與材料模塊”、“電氣信息模塊”等等7大模塊的實驗教學體系，不同的模塊開設了不同的工程類實驗項目。中心承擔著資環學院、地科學院、土建學院、信電學院、信息學院、機電學院、化工學院、材料學院和交通學院等19個學院70多個本科專業5000多名學生的物理實驗教學。

1物理虛擬仿真實驗教學平臺建設的必要性

大學物理實驗是本科生進入大學校門后接觸的第一門實驗課，也是第一門比較完善、系統的實驗課，更是一門公共基礎實驗課。這門實驗課對于培養學生科學的實驗知識、系統的實驗技能、嚴謹的科研態度、積極的創新精神以及分析問題、解決問題的能力至關重要[1]。同時，大學物理實驗也為本科生以后的專業實驗打下良好的實驗基礎，所以各高校對大學物理實驗室的建設也相當重視。但是，在實際教學中，許多重要的實驗都受到環境(比如污染嚴重不能接觸操作)、成本(大型精密實驗儀器無法購買)、空間(采礦專業實驗無法無法真實反應實際環境及核物理實驗不可進入原子內部進行操作)等的限制，導致理論與實際無法結合，這就需要大力加強物理虛擬仿真實驗項目的建設。特別是三維虛擬仿真實驗項目的開放，不但突破了時間空間的限制，解決了資金的不足，還可以逼真的展現實際實驗的全過程，受到越來越多的實驗教師及學生的肯定[2-5]。

教育部在2013年提出的《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》中，啟動了在全國高校開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設任務。為貫徹落實《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》(教高〔2012〕4號)精神，本文提出虛實結合，有實有虛，實缺虛補的原則，應繼續加強我校物理虛擬仿真實驗室的建設。

2我校物理虛擬仿真實驗目前建設成效及不足

2009年，我校工科物理實驗教學中心被山東省評為省級示范實驗教學中心，深度融合學科專業與信息技術的虛擬仿真實驗教學，也作為實驗教學示范中心建設的重要內容開始投入建設。在全國高校大力發展虛擬仿真實驗的今天，我校物理實驗教學在虛擬仿真實驗教學平臺的建設上不斷加強：

2.1物理虛擬仿真實驗項目特色鮮明

雖然經典大學物理實驗項目全國各高?；鞠嗤?，但是各高校的專業或課程情況不同，即特色專業不同，物理虛擬仿真實驗教學應體現本校特色。針對這種情況，根據我校專業設置，特別是特色專業對學生實驗能力的要求，我實驗中心在虛擬仿真實驗項目的建設方面，以常規大學物理實驗教學項目為基礎，補充了相關知識的擴展虛擬仿真實驗。比如，固體熱膨脹系數的測量是常規大學物理實驗，也是我校幾個特色專業的學生必修的實驗，在此基礎上，我們擴展該實驗內容，增加了鋼與鐵的拉伸與壓縮虛擬仿真實驗，彎曲正應力電測虛擬仿真實驗及彎扭組合正應力電測虛擬仿真實驗等項目，作為網上選修內容，供幾個特色專業的學生選修，提高他們的專業實驗能力。典型的基礎物理虛擬仿真實驗與特色專業擴展實驗項目列表如表1所示，更多的體現與我校特色專業聯系緊密的虛擬仿真實驗項目。

表1　特色專業擴展實驗與基礎物理實驗對照表

我校前身是礦業學院，特色專業是采礦工程、資源環境及地球物理等。根據這些專業對學生基礎知識的要求，我物理虛擬仿真實驗教學中心相應地設置礦下氣體濃度測量、光纖傳感等虛擬仿真實驗項目，每個項目的仿真過程都詳細介紹實驗目的、實驗方法、儀器操作及應用領域，幫助這些專業的學生提前打好相關基礎知識。

2.2物理虛擬仿真實驗平臺不斷加強

實驗平臺的建設包括軟件平臺和硬件平臺建設，軟件平臺的建設又包括虛擬仿真網站的建設和虛擬仿真實驗軟件的開發。我校自2007年本科教學水平評估以來，虛擬仿真中心網站不斷得到完善。學生可以在實驗前通過網絡完成實驗預習、實驗后及時鞏固以及實驗興趣的擴展等工作。目前虛擬仿真實驗網站內容建設較為豐富，包括實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的智能指導、實驗結果的自動批改、實驗成績統計查詢、數字化資源管理、師生互動交流和系統管理等子系統。網站首頁如圖1所示，網址為http://gkwlxnfz.sdust.edu.cn。在虛擬仿真實驗軟件的開發方面，以擴展性、兼容性和共享為原則，在與企業合作開發的基礎上，鼓勵教師開發與自己科研相關的特色虛擬仿真實驗，使科研成果得以向教學成果轉化。網站首頁如圖1所示。

a) 網站首頁；b)選課界面；c)在線虛擬實驗列表圖1　我校工科物理虛擬仿真實驗教學中心網站

2.3物理虛擬仿真實驗教學隊伍不斷壯大

為加強虛擬仿真實驗教學隊伍，我校從政策及人才引入上給予大力支持。學校設立新光工程學術帶頭人崗位，公開招聘有實驗教學經驗及創新能力的中心主任主管實驗中心。制定了人才引進政策，引進有物理背景的教授、博士、碩士進行虛擬仿真實驗項目的開發與教學；經過10年左右的建設，我實驗中心物理虛擬仿真教學人員從無到有，而且逐步形成了教學、科研、技術人員緊密結合，核心骨干人員相對穩定，結構合理的虛擬仿真實驗教學團隊，而且也形成了一支教育理念先進，學術水平高，教學科研能力強，實踐經驗豐富，勇于創新的虛擬仿真實驗教學和管理隊伍。

2.4物理虛擬仿真實驗管理體系不斷完善

物理虛擬仿真實驗管理體系包括：網絡平臺的管理與維護和師生對虛擬仿真實驗教與學。我中心實行校、院兩級管理，中心主任負責制。以虛擬仿真實驗教學資源的開放共享和充分使用為目標，系統制定并有效實施保障虛擬仿真實驗教學的教師工作績效考核、經費使用管理、實驗教學中心維護與可持續發展等政策措施，建立有利于激勵學生學習和提高學生創新能力的教學效果考核、評價和反饋機制。內容詳見中心網址http://gkwlxnfz.sdust.edu.cn。

2.5虛擬仿真實驗平臺建設發展中所存在的問題

在虛擬仿真實驗項目的開發方面，缺少精通自主開發虛擬軟件的教師，造成自主開發力度不足。更能體現我應用物理特色專業的實驗項目，如太陽能發電實驗、原子物理實驗、全息照相實驗及金屬鍍膜實驗等在虛擬仿真實驗中體現較少。當前，全國高校對虛擬仿真實驗的建設正處于一種亢奮狀態，建立虛擬仿真實驗教學中心是大勢所趨，如何在全國諸多高校的虛擬仿真實驗中心建設中脫穎而出，就需要與我校特色專業建設相結合，所以特色專業的優秀科研成果向虛擬仿真實驗的轉換應繼續加強，否則會成為我校虛擬仿真實驗項目發展的死角。在虛擬仿真實驗平臺的建設方面，我校與企業的聯系較少，應大力發展校企共建共管的合作模式，保障資金與技術的投入。

3結束語

我校工科物理虛擬仿真實驗教學平臺的建設和發展仍是一項長期的工作，需要管理者及專職實驗教師不斷自我創新實踐，及時總結并學習其它高校的建設經驗。本著虛實結合，有虛有實，實缺虛補的原則，根據我校專業特色建設的內容，以培養和提高學生的實驗創新能力和嚴格的科學實驗態度為目標，使我校工科物理虛擬仿真實驗平臺的建設不斷完善。

參考文獻：

[1]王曉蒲，霍劍青，楊旭,等.大學物理仿真實驗和教學 [J].物理實驗，2002(11)：45-48.

[2]霍劍青，王曉蒲，楊旭,等.發展教育技術營造多元化教學模式的研究與時間[J].物理與工程，2001(42)：102-104.

[3]辛旭平.仿真與物理實驗[J].大學物理實驗，2005(9):30-34.

[4]莊娟，李守春，劉麗,等.大學物理實驗多媒體CAI課件的研制 [J].物理通報，1999(5):77-80.

[5]胡長虹， 李玉，李守春,等.光源在光學實驗中的應用[J].大學物理實驗，2014.

The Construction and Practice on Engineering Physics Virtual Simulation Platform of Experiments Teaching

LIU Wei-hui,MENG Li-hua,YU Yang,LI Jing,ZHANG Xiao,WANG Xue-shui,ZHANG Lu-yin

(Shandong University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266590)

Abstract：It introduced the construction course of Shandong University of Science and Technology experiment center for virtual simulation teaching.On the base of experimental model center of Shandong Province,constructing a national virtual simulation experiment center as an opportunity to promote the development of college physics virtual simulation.By modern physics,general physics and professional physics,we start our work and put forward the following strategy：virtual-actual combination,having both virtual and actual experiments,virtual experiments making up the lack of actual experiment.We also elaborate the shortage of our development.

Key words：college physics experiment；virtual simulation experiment；experimental platform construction

收稿日期：2015-09-28

基金項目：山東科技大學“群星計劃”(qx2013355，GJ201304)

文章編號：1007-2934(2016)02-0138-04

中圖分類號：G 420

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.037