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物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路論文模板
物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科。作為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，物理學(xué)研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律，因此成為其他各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。
第1篇：信息技術(shù)在醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性
摘要：文章在介紹了信息技術(shù)的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)了將其應(yīng)用于醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要性，據(jù)此給出了具體應(yīng)用策略，并分析了信息技術(shù)在應(yīng)用過程中存在的問題，提出了具體的解決辦法，希望能夠使醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)水平得到進(jìn)一步的提高。
關(guān)鍵詞：信息技術(shù);醫(yī)用物理學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);建設(shè);實(shí)踐
信息技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的技術(shù)，目前已經(jīng)成為了各領(lǐng)域應(yīng)用的主要技術(shù)之一，同時(shí)也成為了評價(jià)各領(lǐng)域當(dāng)前發(fā)展水平以及發(fā)展前景的重點(diǎn)。
將信息技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域，已經(jīng)成為了該領(lǐng)域發(fā)展的主要趨勢。
醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)的結(jié)合，對于教學(xué)水平的提高較為有利，因此需要得到有關(guān)人員的重視。
一、將信息技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)中的重要性
(一)是當(dāng)前教育領(lǐng)域發(fā)展的主要趨勢
信息技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)前教育領(lǐng)域發(fā)展的主要趨勢。
各行各業(yè)的發(fā)展均需要遵循與時(shí)俱進(jìn)的原則，要充分關(guān)注當(dāng)前世界同行業(yè)發(fā)展的局面與狀況，并充分利用新技術(shù)與新方法，這樣才能使行業(yè)得到更加快速的成長，不至于由于過于落后而被淘汰。
教育行業(yè)同樣應(yīng)該如此，要跟隨時(shí)代的步伐，不斷解決問題，尤其是醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其對于創(chuàng)新性的要求更高，因此，將信息技術(shù)應(yīng)用起到非常必要。
(二)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的主要措施
醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有嚴(yán)謹(jǐn)性，長此以往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。
建議當(dāng)前學(xué)生生理與心理發(fā)展的特點(diǎn)，其對信息技術(shù)通常具有較大的興趣。
將信息技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過程中，可以使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被有效的激發(fā)，這對于學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的提高以及課堂教學(xué)效果的改善均十分有利。
(三)是提高醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的關(guān)鍵
將信息技術(shù)應(yīng)用到物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，是提高教學(xué)水平的關(guān)鍵。
傳統(tǒng)教學(xué)方法整體水平相對較低，無論從教學(xué)方式看，還是從教師與學(xué)生的關(guān)系或地位看，都亟待更新。
信息技術(shù)是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的主要代表，將其應(yīng)用于教學(xué)，能夠?yàn)槠渥⑷胄碌幕盍Γ瑢︶t(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高能夠起到極大的促進(jìn)作用。
二、將信息技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)中的策略
(一)信息技術(shù)在醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)習(xí)過程中的應(yīng)用
信息技術(shù)可以用于醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)習(xí)過程中。
調(diào)查顯示，當(dāng)前學(xué)生對于預(yù)習(xí)的重視程度有待提高，大部分學(xué)生甚至完全不會(huì)預(yù)習(xí)，這一現(xiàn)象不僅在其他學(xué)科中存在，在醫(yī)用物理學(xué)中同樣存在。
導(dǎo)致上述問題存在的原因，一方面在于學(xué)生沒有充分認(rèn)識到預(yù)習(xí)的重要性，另一方面也在于該學(xué)科的預(yù)習(xí)難度相對較大。
以G-M計(jì)數(shù)管坪曲線的測定為例，不僅實(shí)驗(yàn)儀器復(fù)雜，同時(shí)操作鍵盤也相對較多，為學(xué)生預(yù)習(xí)增加了難度。
將信息技術(shù)用于醫(yī)用物理學(xué)的預(yù)習(xí)，可以有效解決上述問題。
將多媒體技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過程中，將實(shí)驗(yàn)的原理以及過程，以視頻的形式體現(xiàn)出來，進(jìn)而使學(xué)生能夠通過觀看視頻，完整的了解實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，這不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也能夠達(dá)到提高其預(yù)習(xí)效率的目的。
采用普通數(shù)據(jù)采集卡和LabWindows/CVI作為開發(fā)平臺(tái)，針對G-M計(jì)數(shù)管坪曲線的測定，形成系統(tǒng)軟件，可以有針對性的解決其操作復(fù)雜的問題，對于學(xué)生操作便利性的提高以及難度的降低能夠起到一定的幫助作用。
(二)信息技術(shù)在醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)過程中的應(yīng)用
信息技術(shù)應(yīng)用與醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)過程中，同樣能夠達(dá)到提高該學(xué)科教學(xué)水平的目的。
教學(xué)評價(jià)應(yīng)本著客觀性與合理性的原則來實(shí)現(xiàn)，這樣才能提高說服力，使學(xué)生真正認(rèn)識到自身存在的缺陷與不足。
就目前的情況看，醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)主要以理論考試、口試以及操作考試三方面為主，上述教學(xué)評價(jià)方法，在一定程度上能夠反映學(xué)生對知識的掌握情況，但具有很大的漏洞，容易導(dǎo)致學(xué)生作弊等現(xiàn)象的發(fā)生。
將信息技術(shù)應(yīng)用到該學(xué)科教學(xué)評價(jià)過程中，以平時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用信息技術(shù)對其進(jìn)行總結(jié)與處理，能夠有效的了解學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)水平，這對于教學(xué)評價(jià)合理性的提高十分有利。
三、信息技術(shù)的應(yīng)用面臨的問題與解決辦法
(一)信息技術(shù)的應(yīng)用面臨的問題
1.軟件與硬件的配套問題
軟件與硬件需配套使用，才能夠使信息技術(shù)真正發(fā)揮其價(jià)值。
就目前的情況看，醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題在于，僅僅具備硬件基礎(chǔ)，卻并未將軟件與其配套使用，從某種程度上看，這導(dǎo)致了硬件資源的浪費(fèi)，對于教學(xué)水平的提高會(huì)產(chǎn)生一定的阻礙。
2.教學(xué)模式問題
目前，醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式仍然以教師教、學(xué)生學(xué)為主，即教師仍扮演著課堂主體的角色，學(xué)生僅僅能夠觀察到教師的實(shí)驗(yàn)過程，但很少真正的參與到實(shí)踐過程中，真正開展實(shí)驗(yàn)，這是導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力差的主要原因。
改革上述教學(xué)模式，是提高醫(yī)用物理學(xué)教學(xué)水平，改革其教學(xué)模式的主要策略。
除此之外，傳統(tǒng)教學(xué)模式還會(huì)導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，從長遠(yuǎn)的角度看必定會(huì)影響教學(xué)水平。
3.教師技能問題
信息技術(shù)的應(yīng)用對教師技能提出了更高的要求。
一部分教師任教時(shí)間長，雖具有較為豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，但對于信息技術(shù)卻知之甚少，因此其在教學(xué)過程中，也就無法充分利用該技術(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與優(yōu)化過程無法順利實(shí)現(xiàn)。
上述問題的解決應(yīng)從教師的培訓(xùn)入手來實(shí)驗(yàn)，除此之外，在自身技能的提高方面，教師也應(yīng)作出一定的努力。
(二)問題的解決辦法
為解決上述問題，應(yīng)實(shí)施具有針對性的策略，在提高軟件與硬件配套性基礎(chǔ)上，改善教學(xué)模式，提高教師技能，為教學(xué)環(huán)境的優(yōu)化提供保證。
1.提高軟件與硬件的配套性
提高軟件與硬件的配套性，是解決當(dāng)前應(yīng)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的軟件與硬件不配套問題的主要方法。
要避免將計(jì)算機(jī)資源閑置，要將其真正用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以提高教學(xué)水平。
對此，學(xué)校要認(rèn)識到應(yīng)用軟件的重要性，要在專業(yè)技術(shù)人員的幫助下，提高軟件應(yīng)用的可靠性，并使其能夠有效發(fā)揮其價(jià)值，為醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高帶來更大的幫助。
2.改善教學(xué)模式
改善教學(xué)模式同樣十分重要。
傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師教、學(xué)生學(xué)為主，不僅剝奪了學(xué)生的主體地位，同時(shí)也會(huì)阻礙其創(chuàng)造力的發(fā)揮，從短期看，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，學(xué)習(xí)水平停滯不前，從長期看，則會(huì)對學(xué)生以創(chuàng)新能力為代表的綜合素質(zhì)的降低，對于其就業(yè)等都十分不利。
對此，必須及時(shí)改善教學(xué)模式。
要改變教師的主體地位，將學(xué)生作為課堂的主體，將課堂大部分時(shí)間交給學(xué)生，使學(xué)生可以獲得動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，以充分激發(fā)起學(xué)校以及思考的興趣，這不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，同時(shí)還能夠使學(xué)生更加深入的了解實(shí)驗(yàn)步驟以及相應(yīng)知識，對于其思維能力以及創(chuàng)造能力的培養(yǎng)都十分有利。
另外，教師在課堂中則要發(fā)揮引導(dǎo)作用，要加強(qiáng)對學(xué)生的引導(dǎo)，在學(xué)生操作存在問題時(shí)，幫助其解決。
除此之外，還應(yīng)將以多媒體為代表的信息化技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)過程中，將實(shí)驗(yàn)過程展示在多媒體中，提高實(shí)驗(yàn)的可視化程度，并將相應(yīng)電子資源通過社交軟件等形式發(fā)送給學(xué)生，使學(xué)生可以隨時(shí)觀看實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生對知識的掌握水平。
3.提高教師技能
鑒于當(dāng)前一部分教師存在的計(jì)算機(jī)以及信息化技能達(dá)不到要求的問題，要極大力度提高教師技能。
可以通過培訓(xùn)的方法，使教師獲得更多信息技術(shù)知識以及對信息化技術(shù)的利用手段，使其能夠?qū)⑵漤樌麘?yīng)用到課堂當(dāng)中，提高教學(xué)效率與水平。
除此之外，教師自己也應(yīng)認(rèn)識到提高技能的重要性，要通過網(wǎng)絡(luò)等種種途徑，學(xué)習(xí)更多的有關(guān)信息化技術(shù)的知識，并多多觀看將上述技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的視頻，以為醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)質(zhì)量的提升帶來更大的支持。
四、結(jié)束語
綜上所述，傳統(tǒng)教學(xué)方法的應(yīng)用會(huì)阻礙醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)與創(chuàng)新，應(yīng)將信息技術(shù)應(yīng)用到具體教學(xué)過程中，為學(xué)生創(chuàng)造更好的預(yù)習(xí)環(huán)境，降低預(yù)習(xí)難度，提高預(yù)習(xí)效率，與此同時(shí)，還應(yīng)將其用于教學(xué)評價(jià)過程中，以優(yōu)化教學(xué)評價(jià)過程，提高評價(jià)的合理性與客觀性，使之能夠真正反映學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。
針對當(dāng)前醫(yī)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，要提出不同的策略對其加以解決，以最大程度的提高教學(xué)建設(shè)水平。
參考文獻(xiàn)
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第2篇：虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討
摘要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何借助虛擬仿真技術(shù)有效地提升教學(xué)效果，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)界普遍關(guān)注的課題。
本文結(jié)合自主開發(fā)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，介紹我校開展虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念和實(shí)踐———一種既實(shí)又虛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式：在不削弱現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，特別是其中的難點(diǎn)，有更深入、更全面的理解，以期學(xué)生能掌握實(shí)驗(yàn)背后的物理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路等。
關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);虛實(shí)結(jié)合;教學(xué)模式;教學(xué)效果
“教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知”明確要求“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。
在涉及高�；驑O端的環(huán)境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時(shí)，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
”對“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的建設(shè)原則，不少同行理解為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要是替代或補(bǔ)充實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)而開始懷疑：削弱現(xiàn)行的實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)的強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果還能保證嗎?本已有較明顯不足的學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ欠駮?huì)進(jìn)一步弱化?還能支持他們的長遠(yuǎn)發(fā)展嗎?這或許是近幾年獲批成立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心中，工程類和實(shí)訓(xùn)類明顯占優(yōu)勢，而基礎(chǔ)學(xué)科類明顯偏少的一個(gè)原因。
然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)不明顯少于國外高校且已經(jīng)比較系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰�存在較大的提高空間，現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練在課程設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)踐的某些環(huán)節(jié)應(yīng)該存在著亟需改進(jìn)和優(yōu)化之處。
如此，我們不妨從另一個(gè)角度來理解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)原則：能否在現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的基礎(chǔ)上，充分挖掘虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢，嘗試去解決實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的深度、廣度上，以及對學(xué)生能力發(fā)展的促進(jìn)作用等方面的不足?很顯然，這需要“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，既實(shí)又虛———基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅僅是幫助學(xué)生預(yù)習(xí)，更重要的是幫助學(xué)生提高對實(shí)驗(yàn)的理解和掌握，進(jìn)而改善實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的效果，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)綜合能力。
本文將結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)案例，介紹復(fù)旦大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的建設(shè)理念和教學(xué)實(shí)踐：既實(shí)又虛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。
1復(fù)旦大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)歷程和現(xiàn)有課程體系
上世紀(jì)90年代，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系在全國較早開展計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)研究，鐘萬蘅老師帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)編制固體物理、統(tǒng)計(jì)物理、近代物理等課程內(nèi)容的虛擬仿真軟件，將氣體擴(kuò)散、晶格振動(dòng)模式、斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)等學(xué)生較難理解的內(nèi)容通過科學(xué)的計(jì)算，以動(dòng)畫、可任意轉(zhuǎn)動(dòng)的立體模型等形式展現(xiàn)出來，促進(jìn)了學(xué)生對這些內(nèi)容的掌握。
鐘萬蘅老師的團(tuán)隊(duì)制作的教學(xué)軟件在全國評比中多次獲獎(jiǎng)。
在此之后，專門開設(shè)的“物理CAI課件設(shè)計(jì)”一直是我校的特色課程，該課程要求學(xué)生通過實(shí)踐來學(xué)習(xí)、掌握Photoshop，F(xiàn)lash，DreamWeaver，3DMAX等虛擬仿真課件制作工具和C++，VisualBasic，Delphi，Java等常用編程語言，不僅能夠經(jīng)常開發(fā)制作一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和課堂教學(xué)演示軟件，還能鍛煉學(xué)生的計(jì)算機(jī)使用能力，特別是在制作軟件的過程中，所討論問題的物理圖像會(huì)更加清晰。
在2000年前后，沈元華老師帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)用于幫助學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，包括“邁克耳孫干涉儀預(yù)習(xí)CAI”和“真空系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)CAI”。
“邁克耳孫干涉儀預(yù)習(xí)CAI”通過錄像、動(dòng)畫等多媒體手段，對實(shí)驗(yàn)的原理、儀器的構(gòu)造和調(diào)節(jié)方法等作了較為詳細(xì)的介紹，幫助學(xué)生更高效地做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)的效率和對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握。
“真空系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)CAI”建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的高真空實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為各真空部件和操作單元設(shè)計(jì)獨(dú)立的狀態(tài)表及相互聯(lián)系，允許學(xué)生對各操作單元進(jìn)行獨(dú)立操作，并模擬、記錄、展示“當(dāng)前操作”長時(shí)間運(yùn)行的結(jié)果，該軟件可以讓學(xué)生了解正常的操作流程，明白各種錯(cuò)誤操作會(huì)導(dǎo)致的儀器損壞，并掌握如何通過監(jiān)測儀表等及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤操作，以便及時(shí)糾正。
“真空系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)CAI”教學(xué)軟件的使用不但提高了高真空實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練效果，還可以避免因?yàn)閷W(xué)生操作不當(dāng)而不及時(shí)糾正導(dǎo)致真空系統(tǒng)的損壞。
經(jīng)過二十余年的開發(fā)積累和教學(xué)實(shí)踐，我們已建成了特色鮮明的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，包括“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)課”、“虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)”、“醫(yī)學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”和“互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)”4個(gè)模塊。
1.1專門開設(shè)“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)課”
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課包括“物理CAI課件設(shè)計(jì)”和“計(jì)算物理模擬實(shí)驗(yàn)”，訓(xùn)練學(xué)生自主開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的能力。
該課程要求學(xué)生基于分子動(dòng)力學(xué)模擬和第一性原理計(jì)算，運(yùn)用計(jì)算圖像顯示技術(shù)，針對1個(gè)或多個(gè)物理知識難點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究前沿，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解并領(lǐng)會(huì)計(jì)算物理基本內(nèi)涵與技巧，初步掌握計(jì)算物理處理實(shí)際問題的思路與策略，為訓(xùn)練與提高科研能力打下基礎(chǔ)。
基于這些課程，在獨(dú)立開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生能較好地掌握如何構(gòu)建物理模型，對描述物理體系的關(guān)鍵參量的理解更加深入，物理體系隨參量化過程的物理圖像也更清晰。
這些課程受到學(xué)生的普遍歡迎。
1.2在實(shí)驗(yàn)課程的日常教學(xué)中，引入多款通用的設(shè)計(jì)、仿真軟件，深入開展虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式
虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)除了可以補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容上的不足(很難可持續(xù)地開展易耗、高成本、高危性質(zhì)的教學(xué)實(shí)驗(yàn))，或者幫助學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，提高實(shí)驗(yàn)課的效率，更可以借助自主開發(fā)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練和虛擬仿真各自的優(yōu)勢，深入挖掘?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象背后的物理實(shí)質(zhì)，直觀地展示知識難點(diǎn)，詳盡地剖析實(shí)驗(yàn)技術(shù)的精髓，加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解，讓學(xué)生在充分理解的基礎(chǔ)上做好實(shí)驗(yàn)，還能“無成本”地拓寬和加深實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)綜合能力培養(yǎng)的水平。
在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入的虛擬仿真軟件包括：電路仿真軟件MultiSim和OrCAD;光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真軟件TracePro和Ze-max;機(jī)械3D設(shè)計(jì)軟件SolidWorks、ProE;電子光學(xué)仿真軟件SimIon;多物理場模擬軟件Com-sol;荷能離子轟擊固體表面的模擬軟件SRIM和Trim-DYN;高能粒子和物質(zhì)相互作用模擬軟件Geant4。
1.3自主建設(shè)的醫(yī)學(xué)物理模擬實(shí)驗(yàn)
為了揭示人體的物理奧秘，利用物理知識開展精確醫(yī)學(xué)診療，為醫(yī)學(xué)生開設(shè)“醫(yī)學(xué)物理與實(shí)驗(yàn)”新課程，自主研制了聽覺物理、呼吸物理以及血液循環(huán)等虛擬仿真系統(tǒng)。
研制的蘋果手機(jī)應(yīng)用軟件“Love-Ears”，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行與聽覺物理相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn);肺呼吸物理仿真模型可以模擬肺的粘彈性及病理特征，進(jìn)行肺順應(yīng)性曲線的模擬測量;正在建設(shè)的血液循環(huán)虛擬仿真系統(tǒng)，可以模擬各種心血管疾病形成的物理因素。
1.4自主建設(shè)的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)
“網(wǎng)絡(luò)控制牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)”和“網(wǎng)絡(luò)控制靜電實(shí)驗(yàn)”允許學(xué)生在任何時(shí)間通過網(wǎng)絡(luò)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果;在建的“網(wǎng)絡(luò)控制單擺實(shí)驗(yàn)”則允許實(shí)時(shí)測量重力加速度隨海拔和緯度的變化。
2虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例
2.1積木式光柵光譜儀的設(shè)計(jì)與搭建
實(shí)驗(yàn)光柵光譜儀是使用非常廣泛的科學(xué)儀器，我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中也有多個(gè)與光柵光譜儀相關(guān)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括“光柵光譜儀的應(yīng)用”和“氫光譜與類氫光譜實(shí)驗(yàn)”，但學(xué)生對光柵光譜儀的結(jié)構(gòu)如何、分辨率與信噪比跟哪些因素有關(guān)等內(nèi)容掌握得不深入、不全面，而在二維平面上光學(xué)元件調(diào)節(jié)技能方面的欠缺更是明顯;為此，我們專門開發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的“積木式光柵光譜儀的設(shè)計(jì)與搭建實(shí)驗(yàn)”。
實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生借助TracePro、Zemax等光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，選擇光學(xué)元器件，設(shè)計(jì)、搭建、調(diào)試滿足自己需求的光柵光譜儀(如：波長分辨率優(yōu)于1nm等)。
學(xué)生在確定光譜儀性能指標(biāo)后，在TracePro、Zemax等光學(xué)工程設(shè)計(jì)軟中建立光柵光譜儀的模型，然后調(diào)節(jié)模型中各元件的參量設(shè)置，設(shè)定輸入條件，得到模擬的光路圖，然后根據(jù)自己的需要，對模型中各元件的參量(包括會(huì)聚透鏡的面積、光柵的光柵常量以及它們的空間參量)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，得到趨近于自己的設(shè)計(jì)目標(biāo)的光譜結(jié)果。
基于自己設(shè)計(jì)的模型，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室選擇相應(yīng)的光學(xué)元件，在光學(xué)平臺(tái)上搭建光譜儀，比較自己的光譜儀的輸出結(jié)果和軟件模擬的結(jié)果;再利用設(shè)計(jì)軟件對光譜儀的參量設(shè)置進(jìn)行嘗試性調(diào)節(jié)，以尋找實(shí)際光譜儀輸出結(jié)果與模擬結(jié)果之間產(chǎn)生差異的原因，進(jìn)而高效地完成光譜儀的調(diào)節(jié)和性能優(yōu)化，完成滿足自己設(shè)定指標(biāo)的光柵光譜儀。
2.2克拉尼圖形實(shí)驗(yàn)
共振是日常生活和科學(xué)研究中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，其數(shù)學(xué)描述比較復(fù)雜，特別是實(shí)際體系較為復(fù)雜的邊界條件往往使波動(dòng)方程的數(shù)學(xué)求解變得很困難，甚至無法得出解析解，而解析解往往也是用特殊函數(shù)表達(dá)，很不直觀，學(xué)生很難建立數(shù)學(xué)解與實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而影響對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握，用方形薄板和三角形薄板演示克拉尼圖形就存在這樣的問題。
為此，開發(fā)了虛實(shí)結(jié)合的“克拉尼圖形”實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生首先用壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)金屬薄圓盤，借助細(xì)沙粒得到薄圓盤在不同頻率下的共振模式。
然后嘗試給出其數(shù)學(xué)解，并在Comsol軟件中建立二維圓盤的模型，得到其共振模式，比較并分析實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與模擬結(jié)果、解析解之間的異同，進(jìn)而利用模擬軟件研究圓盤參量(如材料、大小、厚度等)變化時(shí)，圓盤共振頻率和共振模式如何變化。
3總結(jié)和展望
虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以讓學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的物理實(shí)質(zhì)，從而明明白白地做實(shí)驗(yàn)，而不是機(jī)械地參考實(shí)驗(yàn)講義完成實(shí)驗(yàn)。
虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的合理使用，可以幫助學(xué)生自主建立物理模型，把握研究對象、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，理解實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)思路，學(xué)習(xí)合理地評估實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有望明顯改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。
2015年，我們申報(bào)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心獲得批準(zhǔn)。
在今后的建設(shè)過程中，我們將建設(shè)更多的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，更全面地實(shí)踐“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^續(xù)探索。
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