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苏州大学物理学院90年代初开始在实验教学改革方面又迈出新步伐,开展了“精选实验内容,分层次组织教学”的实验教学模式改革研究,将教学内容分成基础性必做实验、提高性选做实验和综合性设计实验三个阶段组织教学,在实验中选择物理图像清晰、学生能力得到充分训练的实验作为学生的实验内容。这一模式有利于学生掌握物理实验思想、方法和技巧,符合由浅到深,由低到高、循序渐进的认识过程,是培养学生能力的有效途径。这一研究成果于1993年以“物理教育专业普通物理实验课的建设与改革”为题获江苏省高等学校优秀教学成果二等奖,苏州大学是全国高校中较早推行这一教学模式的学校。事实证明:该研究成果不仅对苏州大学后来物理实验教学改革的进一步深化发挥了重要作用,而且对江苏省乃至全国高校推进物理实验教学改革与发展起到促进作用。

   从1995年至2000年先后有三所高校并入苏州大学,学校规模扩大,在校学生数迅速增加,为了适应新形势,1999年学校在原有实验室的基础上成立了苏州大学物理实验教学中心,实行校、院两级管理。学校为中心的发展提供政策、资金、场地保障,建立人、财、物统一协调的科学化和信息化管理制度,保证了理论教学、实验教学和科学研究交叉渗透,融会贯通,形成了一支由较高水平的专、兼职教师和稳定的、高技能的实验技术人员组成的实验教学队伍。2001年学校新理工大楼的建成,使物理实验教学中心的空间得到了成倍增长。同时在苏州大学“211工程”“九五”、“十五”项目的资助下,物理实验教学中心整体实力得到进一步提升。2002年通过江苏省教育厅基础物理实验室的评估,2005年成为江苏省高等学校基础课实验教学示范中心建设点,2006年进入“中央与地方共建实验室”行列。

    同时物理实验教学的改革进一步深化,在90年代分层次组织教学的基础上,进一步重新整合形成了“3+2”物理实验课程新体系,即面向全校理、工、医、农类每年近5000学生开放的3个层次的实验:基础性实验,综合性实验,创新性实验;面向物理学、电子信息类等专业开放的2个层次实验:提高性实验和拓展性实验,为新时期培养适应社会需要和地方经济发展的高水平创新人才提供了有力支撑。依托创新课程体系,实验中心以实践、创新和综合素质培养为目标,以发挥实验中心“三大功能”为宗旨,即育人功能,对科学研究的支撑功能和生产实践的服务功能,实现人才培养、科学研究和社会服务的协调发展。实验中心于2007年初引进国家级名师游宏教授参与中心工作,利用校企联合实验室,开发实验选题,引入现代化手段辅助物理实验教学,加强针对工科类学生的物理实验教学改革等一系列重要举措。这些措施实施后,教学成效显著。

    自从计算机模拟出现以来,实验中心即开始进行计算机辅助大学物理教学的相关工作。1997年计算机辅助大学物理系列软件荣获国家级教学成果一等奖(参加单位);2001年基础物理计算机辅助教学研究与实践项目获江苏省高等教育成果二等奖。通过逐步建立完善计算机仿真教学相关的资源,慢慢建立起了基于虚拟仿真的实验教学中心。在实验中心的教学过程中,实验教学团队深刻体会到:影响实验教学效果的重要因素是——学生在做实验前能否对实验物理模型有足够的了解、能否把握研究对象、实验系统的关键特性是什么。为此,实验中心开始尝试开展“物理建模”的训练,引导学生对实验中的物理体系和实验设备建立相关“模型”,进而把物理概念和实验方法理解清晰,预知在设定的实验条件下,实验现象和结果会是什么。另一方面,虚拟仿真软件逐渐大量出现,并经常在科研、教学中获得使用。通过虚拟仿真软件,可以方便地建立物理模型,并让学生们充分地理解和直观地观察到物理现象在不同参数、不同实验条件下的不同。在此过程中,实验教学中心的教师团队在各门课程的教学中制作了大量的教学视频,通过实验、虚拟仿真原理的介绍,关键步骤的阐述,引导学生在虚拟仿真实验的过程中自主建立“物理模型”;教学视频还向学生强调物理机制、引导学生注意观察虚拟仿真实验现象并加强思考,努力实现“让学生明明白白地做实验”,来提高实验训练的效果。

    为了进一步提升实验课程的教学效果,实验中心教师在指导学生进行课题探索时,要求学生使用数值计算软件和虚拟仿真软件得出预期结果,并和自己的实验结果作比较。为了帮助学生做好实验预习,实验中心还引进中科大霍剑青老师团队开发的大学物理虚拟仿真教学软件系统,该系统有虚拟仿真实验项目40 个,用于支持“基础物理实验”、“物理实验上、下”等课程的修课学生在实验前预习工作。另一方面,为了帮助选课学生加深对物理基础概念和前沿领域物理原理的理解,实验中心购入多种数值仿真软件,包括COMSOL Multi-physics多物理场软件等。经过二十余年的开发积累和教学实践,苏州大学已建成了特色鲜明的虚拟仿真实验教学体系,包括“计算物理模拟实验”、“虚实结合的实验教学”2个模块:

 1.专门开设“计算物理模拟实验”,专门训练学生如何开发虚拟仿真实验。

  “计算物理模拟实验”是我中心的特色课程。“计算物理模拟实验”课要求学生基于电动力学、磁学、动力学模拟和第一性原理计算,运用计算图像显示技术,针对一个或多个物理知识难点,结合当前凝聚态物理、光学物理等领域的研究前沿,设计虚拟仿真实验,帮助学生了解并领会计算物理基本内涵与技巧,初步掌握计算物理处理实际问题的思路与策略,为训练与提高科研能力打下基础。基于这些课程,学生在独立开发虚拟仿真实验的过程中,对哪些是描述物理体系的关键参数的理解更加深入,物理体系随参数演化的物理图像也更清晰。这些课程都受到学生的普遍欢迎。

 2.在实验课程的日常教学中,引入多款通用的设计、仿真软件,深入开展“虚实结合的实验教学”新模式。

    虚实结合的实验教学除了可以补充实验课程内容上的缺陷,或者帮助学生做好实验预习准备,提高实验课的效率,更可以借助自主开发的实验和虚拟仿真相结合的实验项目,发挥实验操作训练和虚拟仿真各自的优势,深入挖掘实验现象背后的物理、清晰直观地展示物理原理、详尽地剖析实验技术的精髓,加深学生对物理的理解,让学生在充分理解的基础上做好实验,还能较自由地拓宽和加深实验教学的内容,提高实验综合能力培养的水平。为此,我们引入的虚拟仿真软件主要是中科大霍剑青老师团队开发的大学物理虚拟仿真教学软件系统。

    在物理实验中心和虚拟仿真中心的并行运作下,我们取得了不错的成绩。2004年加强基础物理课程建设,促进学生知识、能力与素质协调发展项目获江苏省高等学校优秀教学成果一等奖;2005年工科实验教学的改革与实践获高等教育国家级教学成果二等奖;与物理实验教学改革成果紧密联系的《普通物理学》课程2004年获江苏省高等学校精品课程,物理学专业2006年获江苏省首批品牌专业。2007年苏州大学物理实验教学中心成为国家级实验教学示范中心建设点,2012年通过教育部的验收,成为国家级实验教学示范中心。2008年《大学物理实验》获江苏省精品课程。2010年基础物理(实验)教学团队获国家教学团队。2014年全国大学生物理教学技能大赛得一等奖4名、二等奖1名。《普通物理学》获国家精品课程,《物理学》获国家特色专业,《电磁学》获国家双语教学示范课程,形成相互支撑的国家级教学平台。中心教师承担教学研究项目31项、科研项目102项(其中国家级64项),发表高水平教学研究论文53篇,获国家、省级教学成果28项,编写出版7部实验教材,2部教材入选国家十二五规划教材,中心教师自制介电常数仪等多种实验设备。中心承担全校十三个学部、学院近60个非物理和物理学专业的实验教学和创新实验项目。开设演示实验、大学(普通)物理实验、近代物理实验等8门课程,学生人数约5000人/年,人时数约20万/年。承担了69项大学生创新实验项目、12项“秦惠莙-李政道中国大学生研修计划”和中学生物理奥赛实验培训指导,指导的大学生获省级以上奖项99项、专利3项,发表高水平论文42篇,中学生获国际奥赛金牌2块。

    经过长期努力,中心形成了:秉承传统,就物论理;立足基础,注重创新;依托地方,促进学生知识、能力与素质协调发展的教学理念。目前一个教学理念先进、师资队伍优化、课程体系合理,平台软件精良,教学成果突出的高水平的物理虚拟仿真实验教学中心正在形成。

 虚拟仿真实验教学中心建设必要性:

    国内学界普遍接受如下观点:国内高校毕业的本科生的理论基础比较扎实,但实验能力、创新意识与世界一流大学的优秀学生之间有较大差距。探索提升实验教学效果的有效方式、引导培养学生的创新意识的可行方案,是实验教师队伍近几年不懈努力的目标。

    随着电子技术的不断发展,实验设备的“自动化”发展趋势,使得实验设备越来越趋向于“黑匣子”,这个大背景下,如何让学生掌握实验设备的工作原理,进而明白实验中得到的结果,是我们迫在眉睫的需要解决的大课题。我们借鉴国外同行在物理实验教学中开展“模型化”教学提升学生的“物理素养”的成功经验,大力推进物理虚拟仿真实验教学。

    虚拟仿真实验教学是培养学生自主构建研究体系的物理模型、实验仪器的物理模型的最佳机会,有利于夯实学生的物理基础,促进创新能力的发展。物理实验研究的一个内容是通过观察体系在“输入”条件有计划地改变时的不同行为来确定系统的特性。在此过程中,对研究的物理体系构建有效的模型,明确关键参数,并设计研究方案,是所有工作的基础。我们的学生在学习中善于解答书上的题目,而不懂如何去提出问题;在实验过程中,习惯于按操作指南去完成实验,而不去体会实验系统、实验步骤为何如此设计,实验现象出现的物理基础是什么,实验结果是否合理,还有哪些可以探索的问题等等。学生长期如此学习和做实验的结果是:自主探索意识的进一步减弱,创新意识和创新动力的缺失,以及创新能力的不足。但如何构建模型?如何在明白了体系已知特性的物理基础之后,再去深入地探究更多的未知特性?这些实际上都是创新工作的基础。为了让学生在理解的基础上,明明白白地做实验,通过实验训练不仅能按要求完成已给定的实验内容,还能提出自己的问题,开展自主探索,我们很有必要开展“模型化教学”,不仅让学生明白在实际工作中构建模型的重要性,也明了模型构建过程中的假设、近似和模型的适用范围,进而培养学生自主构建模型的能力。通过物理建模训练,有望切实提升学生的实验能力。而虚拟仿真实验教学则是训练学生自主构建物理模型的能力最有效的途径:在此过程中,学生可以“无成本”地改变各种实验条件,检验自己构建的模型的合理性及有效性,并预期实际实验研究过程中可能出现的问题,进而优化实际实验的设计及效率。在加深理解的基础上,学生可以通过虚拟仿真实验的摸索,有勇气在实际实验中进行更多书本之外的探索,从而激发创新意识,培养创新能力。

    虚拟仿真实验教学是提高学生对实验课程兴趣和动力的有效途径。近年来的教学研究发现:大部分高中为了提高学生的高考成绩,普遍侧重通过“题海战术”提高学生的解题能力而不重视实验训练;大学生普遍重视绩点,经常来询问“为什么要我必修物理实验课”,对“产出投入比很低”的实验课没有兴趣,经常是抱着“应付了事”的态度;虚拟仿真实验教学通过多媒体技术可以非常高效地向学生展示物理的精彩和实验方法的奇妙之处,使用网络技术又便于学生根据自己的喜好选择自己感兴趣的内容,设定适合自己学习进度,从而帮助学生更好地做好实验预习,理解自己将要进行的实验内容和实验方法,进而提高他们对实验课程的兴趣和愿意积极投入的动力,从而提高实验训练的效果。

    虚拟仿真实验教学是加深学生对实验理解的高效方式。近代物理实验的内容是探究微观粒子(含离子、分子、原子、电子、光子等)在外场条件改变时的行为,不仅信号微弱,而且信号随条件变化的规律比较复杂,不少同学因缺乏物理过程比较直观的演示,很难理解自己观察到的现象和得到的结果,但这类实验中设计的物理思想和实验技术非常精妙。譬如,光泵磁共振实验,实验中采用的光泵技术,曾被授予诺贝尔物理学奖,大大促进了现代分子原子光谱技术的发展,是原子钟的技术基础。但在此实验中,光抽运信号会随扫场条件丰富而快速地变化,很多学生在学生做完讲义要求的步骤之后,仍不明白其中的原理。这坚定了我们通过多媒体技术帮助学生更方便理解实验原理的信心,也激励我们投入更大的热情建设虚拟仿真教学实验。

    虚拟仿真实验教学是拓宽实验教学的必经之路。前沿物理实验研究中,许多实验是在极端条件(如强磁、低温、高压、高真空等)条件下进行的,要在教学实验室中实现这些条件,高成本会限制实验教学的可持续发展,但若实验教学若不涉及这部分内容,会有远离前沿研究,无法体现实验内容也与时俱进的趋势;还有一些实验的开展则需要在特定的危险条件下进行,如核物理实验、放射防护实验,学生若长时间在这类环境下做实验可能会影响身体健康,但若不开展这类教学实验,则课程体系有不完整的遗憾。为了弥补以上缺陷,虚拟仿真实验教学是必由之路。精心设计的虚拟仿真实验完全可以让学生有身临其境的感觉,珍惜实验训练机会,培养基本的安全意识和良好的实验习惯,还可以极大地拓展教学实验的内容覆盖面,充实实验教学的内容,让学生的实验能力更加全面。

    基于以上原因,苏州大学物理教学实验中心在近几年的实验建设中,努力整合资源,投入较为充足的人力物力,通过内部培训,赴国内外高水平学校进修、学习,协力提高教师队伍应用计算机开展虚拟仿真教学的能力,统一思想着力加强虚拟仿真实验教学在日常教学中的比例,并已取得可喜成绩:包括制作了大量的实验教学的辅导视频,供学生在实验学习的不同阶段使用;自主开发了多个虚拟仿真实验教学项目,既锻炼了参与项目建设学生的能力,也拓宽了今后开展虚拟仿真实验教学的内容。但在此过程中,我也深切感受到了其他高校的实验教学中心也同样面临的难题:随着高校管理体制改革的深入,学校核批的实验中心专职教师和技术员队伍人数在减少。在这样的大背景下,我们既要做好常规的实验教学,又要在教学中引入新技术、拓展新内容,利用虚拟仿真技术提高教学质量和人才培养水平。



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