大学物理开放式虚拟仿真实验室建设方案新.docx

1、大学物理开放式虚拟仿真实验室建设方案新大学物理开放式仿真实验室建设方案演示地址： 项目名称：大学物理开放式仿真实验室 负责单位：安徽省科大奥锐科技有限公司归属部门：中国科学技术大学联系电话：2016年6月29日1、项目建设背景、物理实验教学国内概况 物理实验是物理学的基础，大学物理实验反映了理工科及各个学科科学实验共性和普遍性的问题。在培养学生严谨的科学思维、创新能力，培养学生理论联系实际，特别是与科学技术发展相适应的综合能力，以适应科技发展与社会进步对人才的需求方面有着不可替代的作用。当前我国高等教育已进入全面提高教育质量的新阶段。进一步更新教育理念、积极创造条件在教学实践中实质性地实施以教

2、师为主导，以学生为主体的实验教学是进一步深化改革的重要内容，也是巩固十多年来的教学成果、提高教学质量、实现实验教学目标的重要保证。教育部多次强调并要求：高校要大力加强实验、实践教学的改革，要重视实践环节，提高学生实践能力，推进实验内容和实验模式改革和创新，培养学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力。要根据培养学生动手和实践能力需要，不断改善实验和实习教学条件。在关于加强高等学校实验室工作的若干意见中更明确指出：“大力推进实验室信息化建设，实现优质资源开放共享。持续投入必要的经费与人员，切实推进实验室信息化建设和信息化管理。建设科学、便捷使用的实验室网络管理系统，提升实验室在设备采购、资产管理

3、、信息统计、开放共享等工作的管理水平。建设实验教学网络平台和实验教学资源共享平台，实现网上辅助教学和网络化、智能化教学管理，满足学生自主选课、自助实验、有效利用实验室资源的自主学习和个性化发展的需求。”、我中心物理实验教学存在的问题1.2.1实验预习、复习环节不完善我中心实际教学中，由于实验室和师资力量等限制，很难提供给学生大面积实验预习、复习的环境。我校学生目前进行实验预习、复习时只能通过书本进行，只能对理论知识进行预习、复习。而物理实验教学中最重要的动手操作预习、复习由于受到硬件和师资的限制，无法在实验室开展。预习环节的不完善导致学生无法对实验环境建立直观认识，学生上课前对即将开展的实验过

4、程不熟悉，学生实验中无法有目的、有指导地进行操作和观察,独立思考，利用掌握的知识对现象进行合理分析讨论，解决实验问题。同时由于课堂受到时间的限制学生在课堂实验上无法消化实验教学的内容，而复习环节的不完善导致学生对所学实验根本无法掌握。这样的教学过程导致很多学生上实验课变成了“走过场”。打击了学生对物理实验学习的积极性。1.2.2面向大面积学生，设计性、开放性实验教学实施困难设计性实验教学内容作为“以学生为主体，以教师为主导的教学模式”的教学思想的重要体现之一，要求在多种层次上满足学生对实验教学的需求，并且在2008版的基本要求明确中提出。设计性实验教学是教学思想的创新，任何实验都可以实施一定层

5、次的设计性教学。设计性实验教学实施，因为打破了原来“模仿式”教学的模式，需要学生和教师投入更多的精力和时间，在相对有限的教学资源和日益压缩的教学学时的现状下，采用传统的教学手段难以切实落实面向大面积的学生的设计性实验教学。1.2.3现有的管理手段无法满足实验室开放要求开放式实验室建设是高等教育改革的方向，是培养具有创新意识和创新能力人才的重要步骤，随着实验室建设的不断发展，现有的实验室管理手段在开放式实验教学组织和管理模式的实际运行中问题日益突出。开放式实验室的建设有以下意义：、全面开放实验教学资源，打破实验室上课开门、下课关门的状态，共享实验室资源，提高实验室、实验仪器利用率。在保障计划内教

6、学开展的同时，将实验室的空闲时间充分开放给学生，全方位发掘实验室作用，实现24小时服务学生、服务社会，使国家的资金投入得到最大程度发挥。、提供开放式教学服务，给学生提供自主学习环境。实现学生自由预约、自主实验，满足学生自主学习和个性化发展的需求。充分发挥学生的主动性，激发学习热情，提高教学效果。、提高实验室管理水平，为领导进行实验室建设时提供真实数据作为决策依据。传统管理方式下，重复劳动繁重，管理效率低下，实验室教师疲于大量的管理工作，投入在教学研究、科学研究和技术创新方面的时间有限，不利于教学的深化改革，不利于仪器设备的技术挖掘和技术创新，不利于教师及实验技术人员队伍的建设和发展。实验室和仪

7、器设备相关的数据又是动态的，随着时间的推移，仪器的维修维护、采购报废、使用记录繁多，数据整理工作量大、上报困难，容易流于形式，为领导实验室建设决策增加了不确定因素。利用信息化手段不仅提高了管理效率，而且解放了教师。建立完善的数据库，利用信息化技术自动搜集、整理实验室利用率、仪器利用率、各实验项目教学的开展情况等等，保障数据的真实性和完整性。、保障实验室安全的同时，完善了实验教学链。实验室开放的前提是安全，利用物理实验预习自动评判系统进行实验室安全准入，使学生在进入实验室前熟悉实验原理及仪器原理、掌握实验仪器操作规范、了解实验室使用安全，并且通过系统自动评判学生预习成绩，学生在达到教师设置的成绩

8、时获得实验室预约资格。不仅保障了实验室安全，而且完善了教学链中的实验预习环节，提高学生预习效果。、开放式仿真实验室应用于物理实验教学解决的问题：1.3.1完善了物理实验预习、复习环节，营造多元化教学模式：大学物理仿真实验自从1996年出版以来，在物理实验教学模式创新上发挥了巨大作用。仿真实验把实验设备、教学内容（包括理论教学）、教师指导和学习者的思考、操作融合为一体，形成一部可操作教学资源，活的教科书。在多年大学物理仿真实验研究与实践的基础上，我们推出物理实验预习自动评判系统，利用在线仿真实验让学生深入理解实验，模拟实验操作过程；通过在线预习系统检查学生，确保效果学生预习质量。学生不仅可以通过

9、本系统进行物理实验理论预习，更可以通过仿真实验的操作进行实验动手操作的预习和复习。营造了学生自主学习的环境和与真实实验相结合的二段式、三段式教学模式，并使实验教学在空间和时间上得到延伸。物理实验考试与自动判卷系统以大学物理仿真实验为基础，通过仿真实验进行动手操作考核，学生操作过程系统自动评判成绩。解决了大面积大学物理实验教学中因硬件条件、师资力量等原因导致学生实验能力无法考核的问题。1.3.2设立设计性实验内容，提高教学水平：为满足实验教学设计性、研究性的要求，在大学物理仿真实验的基础上，精心设计和开发的设计性仿真实验，利用软件对仪器进行建模，建立虚拟实验环境，学生可在这个环境中自行设计实验方

10、案、选择实验仪器、调整实验参数、操作实验仪器，模拟真实的实验过程、实现设计性、研究性实验教学。设计性仿真实验营造了学生自主学习、实施设计性实验教学的平台。为实现面向大面积学生的设计性、研究性、开放性实验提供了教学条件。使教学资源发挥最大效率。1.3.3实现了实验室在时间、空间、管理上的真正开放开放式实验室管理系统的配套应用，实现了实验室在时间、空间、管理上的真正开放。完善的自主监控管理手段使得进出实验室、使用设备的人员的管理变为现实，实验室的安全得到保障，学生使用实验室的权益得到满足。有利于充分提高设备的利用率。通过物联网、互联网、计算机软件技术可以对实验室设备仪器的维修维护、采购报废、使用记

11、录、仪器利用率等各种信息实现自动化统计管理。数据更加实时、准确、真实、完善。1.3.4建设丰富的实验教学网络资源为了给学生营造自主学习的平台，给教师营造指导教学的平台，为广大师生提供丰富的优秀教学资源，系统的物理实验资源库部分，囊括了3G容量的物理实验资源库，按照实际课程体系分类组织。其中包括76个物理实验资源、物理学CAI、物理学史的启迪、大学双语网络课程、Flash演示课件等。资料包括千余张实际仪器图片、900余张珍贵的物理学发展史的图片、近600个生动形象的物理现象Flash演示动画、以上教学录像、7门双语网络课程、25个可操作的CAI课件等资源。同时，实验中心的管理人员可以根据自身的教

12、学组织模式和结构来组织资源库的内容，使这些内容更好的为师生服务。系统还提供了教学资源的创建、组织和管理功能，供中心把老师自创的教案、课件等方便的组织到资源库中，使之能够不断地完善和充实。1.3.5建设实时交互系统，实现网络授课传统实验教学长期受到课堂、课时限制的困扰，在开放性上难以有很大的突破。基于网络技术的实时交互系统，应用于实验教学，突破时间、空间的限制，引领实验教学模式的创新。基于视频编解码技术，利用IP网络进行音视频编码传输的软件系统。只需具备计算机和音视频设备，就能够轻松上网搭建实验教学实时交互平台。系统集音频视频交互、电子白板、文档演示、桌面共享、文字交互、课程录像及点播、文件下载

13、、论坛交流等功能于一体，为实验中心提供了远程实时交互的信息化网络教学环境。实现了教学的开放性，以及视频答疑、课程点播等远程实验教学功能。实验教学实时交互系统与计算机仿真实验相结合，可开设网络实验课程、网络实验答疑，可将网络课程录像资源开放，使得实验教学在时间和空间上得到延伸。1.3.6建设实验报告自动评阅系统，提高实验教学质量大面积的物理实验教学中，存在教师人数有限、教学工作量大的问题。普通物理实验课中，教师批阅实验报告占用大量工作时间，特别其中的计算过程演算的机械过程占用大量时间是老师普遍面临的问题,这直接影响到实验教学质量的提高。在实验报告中引入信息化技术，教师建设电子实验报告库，学生完成

14、电子实验报告，学生报告数据处理自动评判、数据分析人工评判相结合的方式完成实验报告评阅。对于数据处理等机械性高的部分采用机评方式，处理速度快，准确度高。实验总结、思考题等体现学生实验掌握程度而又计算机难于处理的部分，采用教师人工评阅方式，即可发挥教师的教学经验，又有利于教师发现问题，总结教学经验，提高实验教学水平。2、开放式仿真实验室建设建设一个开放式环境的“大学物理仿真实验室”。在仿真实验环境中，学生可在教师指导下自行设计实验方案、拟定实验参数、操作仪器，模拟真实的实验过程。、开放式仿真实验室建设之软件系统：2.1.1大学物理仿真实验系统介绍： 1995年，中国科学技术大学研制成功大学物理仿真

15、实验 for DOS，同年通过国家教委鉴定，96年由高等教育出版社出版。它是国内第一套具有一定规模和水准的实验教学软件，也是第一套模拟型的CAI软件。该软件通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，形成了一部活的、可操作的物理实验教科书。通过仿真物理实验，学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解，可以达到实际实验难以实现的效果，实现了培养动手能力，学习实验技能，深化物理知识的目的，同时增强了学生对物理实验的兴趣，大大提高了物理实验教学水平，是物理实验教学改革的有力工具。该成果96年获中国科学院教学成果一等奖，97年获国家级教学成果二等奖。该软件现已在全国4

16、00多所高校推广应用，受到学生的普遍欢迎和使用单位的好评。 基于组件的大学物理仿真实验2010版，在原有的大学物理仿真实验的基础上，优化实验建模，应用组件技术构建仿真实验2010版，突出实验的开放性、设计性、实验操作针对性、易用性，给用户提供全新真实的实验体验。获奖情况： 1996年获得中国科学院教学成果一等奖； 1997年获得教育部全国优秀CAI成果奖； 1997年DOS版本获得国家级教学成果二等奖； 1997年曾经代表中国CAI最新成果参加联合国科教文组织大会演示和到英国，日本等国家进行国际交流和展示； 1999年获得安徽省优秀CAI成果一等奖； 2000年获得安徽教学成果特等奖； 200

17、1年获得国家教学成果奖； 系统特色：1、可定制实验方案，实验中仪器可灵活组合，使教师可根据教学目标制定不同层次的实验方案；2、灵活的实验仪器选择，学生自主选择不同的实验仪器完成相同的实验内容，实验针对性强；3、优化实验建模，实验结果体现不同实验操作导致的实验误差，实验真实度高；4、提供丰富的指导信息和统一的操作流程，实验界面友好，易用性高；5、提供统一的数据接口，可以作为物理实验考试系统和物理实验预习系统的操作内容；6、应用全新的技术开发，提供全新真实的实验操作体验。实验项目内容： 共40个实验项目，实验内容如下：单摆法测量重力加速度, 钢丝杨氏模量的测定, 光电效应和普朗克常量的测定,密立根

18、油滴实验, 迈克耳孙干涉仪, 偏振光的观察与研究,示波器实验, 双臂电桥测低电阻实验, 用凯特摆测重力加速度,声速的测量, 不良导体热导率的测量, 动态磁滞回线的测量,分光计实验, 干涉法测微小量, 霍尔效应实验,检流计的特性研究, 交流电桥, 交流谐振电路及介电常数测量,三线摆法测刚体的转动惯量, 直流电桥测量电阻, 热敏电阻温度特性研究实验,半导体温度计的设计, 整流滤波电路实验, 设计万用表实验,测量锑化铟片的磁阻特性, 椭偏仪测折射率和薄膜厚度, 塞曼效应实验,拉曼光谱实验, 太阳能电池的特性测量, 光强调制法测光速,光栅单色仪实验,热电偶特性及其应用研究,电阻应变传感器灵敏度特性研究

19、,法拉第效应,傅里叶光学,光纤传感器实验,落球法测定液体的粘度,液体表面张力系数的测定,PN结温度特性与伏安特性的研究,AD590温度特性测试与研究。相关图片:系统首页，用户通过浏览器直接浏览实验资源信息：实验大厅，从WEB上可以下载实验大厅程序。通过实验大厅程序，可以浏览实验项目信息、运行仿真实验项目等：实验演示，提供在线仿真实验演示功能。可通过浏览器浏览：实验资源展示，仿真实验2010版将30个实验项目的资料都公布在网上，提供给学生参考。内容包括：实验简介、实验原理、实验内容、实验仪器等： 实验主场景：运行实验后，屏幕上显示实验环境的实验主场景，显示实验数据表格、实验仪器栏、实验内容栏、实

20、验提示栏、工具箱、帮助、实验辅助栏。 实验项目组织，仿真实验项目可以根据本实验中心的实际教学课程体系自由组织，满足分层次、特色教学的需求：实验访问情况统计，自动统计各实验项目的使用情况，展示仿真实验在教学中起的作用：2.1.2物理实验中心网站系统系统介绍:中心门户网站是实验教学中心信息交互和展示的窗口和统一平台，是加强对宣传，体现中心特色的重要途径，是整合实验室智能化管理、学生选课系统、资源共享系统、行政管理系统、及其他各子系统的重要手段。随着实验室信息化建设的迅猛发展，实验中心门户网站已成为全面展示实验教学示范中心工作及特色的平台。物理实验中心网站，根据实验中心的特点，运用计算机网络最新技术

21、，为您量身打造特色鲜明的实验中心门户网站。通过实验中心门户的网站和大方美观的网页设计展现特色鲜明的实验中心形象、凝炼中心教学最新成果。网站有强大的内容管理能力，便于查询检索，以实现协作和共享，网站有保证数据机密性和完整性的安全机制。系统总体架构图系统特色量身设计网站，以精彩美观的网页展现实验中心的教学特色可根据实验中心的需要随时更换网站内容，可选用多种网页风格。网站易于更新，易于扩展，便于管理。可与实验选课系统、教学管理系统、实验教学资源库等无缝连接，形成实验教学信息化管理平台。实验中心网站提供强大的安全机制，保证网站数据安全。角色描述系统管理员匿名访问者系统管理员有一切管理权限，添加内容，修

22、改网页风格等。匿名用户只能查看系统管理员开放出来的网页内容。软件功能中心新闻管理，课程体系内容管理，名师风采管理，中心概况介绍管理，实验教学介绍管理，管理模式介绍管理。中心新闻管理实验中心新闻的添加，编辑修改，删除等功能； 课程体系内容管理添加实验中心的课程体系介绍； 名师风采管理添加实验中心名师的简介，名师照片等信息； 中心概况介绍管理中心概括介绍包括中心特色介绍管理，中心历程介绍管理，结构设置介绍管理，发展规划介绍管理，名师风采管理； 实验教学介绍管理包含中心主任，核心队伍，教学系统与内容，教学方法与手段，教学成果与效果，设备环境，实验设计，课程特色，特色实验，课程体系介绍的管理； 管理模

23、式介绍管理 包含体制管理，考核管理，经费管理，规章管理介绍的管理； 精品课程包含课程特色，课程体系及内容，课程历史沿革，师资队伍，教学模式，教材建设，教学和科研成果，教学录像，课程评价，课程教学条件，课程建设规划，参考资料，申请书下载，材料下载总结报告的管理； 中心论坛包含学生交流版块，老师交流版块，师生交流版块，公共交流版块的管理。相关图片网站风格展示网站后台页面2.1.3物理实验资源库系统系统介绍3G容量的物理实验资源库，按照实际课程体系分类组织。其中包括72个物理实验资源、物理学CAI、物理学史的启迪、大学双语网络课程、Flash演示课件等。资料包括300余张实际仪器图片、400余张珍贵

24、的物理学发展史的图片、近400个生动形象的物理现象Flash演示动画、以上教学录像、7门双语网络课程、20个可操作的CAI课件等资源。丰富的资源可供教师制作课件，供学生预习、复习实验内容，为学生自主学习创造环境。系统特色按照实验中心实际课程体系分类组织管理，便于教学应用76个物理实验资源，包括授课教案、实验仪器、实验习题、教学录像、教学讲座等。资源内容形式多样，Flash动画、录像、图片、文字。方便下载，可方便用于制作教师自己的课件。 学生可方便地利用该系统进行课前预习、课后复习，课中结合仿真实验学习和得到指导信息。实验中心的授课更具开放性，学生在教学中更具自主学习性。针对本系统资源量大，系统

25、设计了巧妙方便的搜索功能。角色描述系统管理员匿名访问者系统管理员有一切管理权限，添加内容等。匿名用户只能查看系统管理员开放出来的网页内容。软件功能系统功能结构如下图所示：详细功能介绍：系统子功能建设内容1资源管理平台实验课程管理管理实验课程，包括新增、修改和删除实验项目管理管理实验项目，包括新增、修改和删除资源类型管理系统预设了授课教案、实验指导、实验仪器、实验习题、实验讲座、实验录像、学生论文、教材资料等八类。可根据实际需要增删。资源权限管理设置资源的开放权限。资源统计统计资源的使用率等。用户管理管理系统用户及权限。资源查询检索现有资源。资源审核对用户上传的资源进行审核。资源编辑修改资源的基

26、本信息或在线编辑资源。2资源服务平台资源上传资源由两部分构成：一是图文并茂的描述；二是相关文件构成的附件。通过本功能可将资源分门别类的上传到资源库，供用户浏览下载资源浏览在线浏览资源。资源检索提供功能强大的资源检索功能。资源浏览下载学生下载资源文件。相关图片系统首页添加实验项目资源类型管理资源下载2.1.4实验选课及教学管理系统系统介绍实验教学的开放性，是指实验的内容、时间和空间对学生开放。要实现实验教学的开放性，首先从教学组织模式要提供学生自主学习的机会和条件。随着网络的普及和信息化技术的发展，提高实验教学的开放性已经成为可能。本系统中的实验选课及教学管理部分，结合160多所高校实验中心的实

27、际需要，实现了实验教学排课、学生自主选课、递交批改实验报告、成绩管理、智能统计等功能，丰富了教学辅助手段，细化了各项管理，进一步提高了实验教学的开放性和交互性；进一步体现以学生为主体、教师为主导的实验教学模式。利用本系统，可以在现有师资力量的前提下，通过允许学生自主选择实验课程、自主选择实验内容、自主选择上课时间，提高实验教学的开放性。同时，又通过人性化的统计分析功能，实验课程管理员能够容易掌握学生上课的动态信息，防止教学过程中学生乱选课、少选课等情况发生，保证教学秩序的正常进行。系统功能系统功能结构图功能模块子功能描述系统配置模块学期信息管理设置学期基本信息，包括上课开始时间、等。在线人员管

28、理设置该系统同时访问的人数。避免因用户集中登录导致系统性能下降。数据备份管理一键备份数据库，保证数据的安全性。数据初始化一键初始化数据库，方便下学期重新开课。可从原来的数据库中直接初始化，避免重复录入。系统用户管理添加、删除、修改学生和老师账号，包括冻结或解冻系统用户的账号，找回用户密码等。课程组织模块实验课程管理实验课程的添加、删除及基本信息设置，并指定课程管理员。实验项目管理实验项目的添加、删除和修改。可设置实验项目的学分、实验安排管理同一时间段由同一个老师授课的实验项目组成一个实验安排。通过本功能可将各实验项目根据教学安排组织起来。非实验课管理组织和安排非实验课的开课和教学，支持多样化的

29、教学组织形式。可选教学资源根据教学安排自动生成供学生选课的教学资源，在此基础上还可手动添加或取消教学资源。选课组织模块学生类别管理可根据教学要求的不同，对学生进行分类管理。选课模式管理系统支持三种模式：自动排课，即由系统自动的为学生选定实验项目；自主选课，即由学生在教学资源和选课规则范围内自主地选择实验项目；混合模式，即上两种方式的混合。选课规则管理设置学生选课的规则。包括每周最多/最少选实验项目个数、选课起止时间设定系统开放给学生选课的时间范围。包括开始选课时间、退选提前时间等学生选课模块实验项目选修学生选修实验项目。实验项目退选学生可以退选已选修的实验项目。成绩查询学生可以查询自己的实验成

30、绩和课程成绩。教师教学模块课程表单查询查看实验安排及学生的选课情况。考勤重修管理录入学生的考勤，统计学生的考勤情况，并可以根据情况让学生重修实验。实验成绩录入、修改学生的实验项目成绩。教务监管模块选课实时监控实时统计或查看学生的选课情况，掌握教学进程。协助选课可以协助学生选修或退选实验。实验成绩管理设定实验成绩的构成和权重。课程成绩管理设定课程成绩计算的规则，并可调整学生的课程成绩。工作量管理统计教师的课时数和课时人数。相关图片系统登录页面学生基本信息管理学生选修实验实验成绩管理2.1.5实验教学实时交互系统系统介绍在线教育利用计算机网络通信技术和多媒体技术，对大面积学生进行教学工作，克服时间

31、、空间限制。师生双方进行实时、双向教学交互是在线教育的关键环节，直接影响到教学效果和教学质量。 实验教学实时交互系统集音频视频交互、电子白板、文档演示、桌面共 享、文字交互、课程录像及点播、文件下载、论坛交流等功能于一体，为实验中心提供远程实时交互的信息化网络教学环境，实现教学的开放性，以及教学管理、视频答疑、课程点播、视频会议等在线教学功能。系统为物理实验教学提供了基于Web的网络教学、培训和视频会议平台，为实验在线教学提供了高效的现代化教学手段，保证了教学质量的提高。系统拓扑图系统特色系统采用B/S架 构，利用先进的视频技术，提供了文字交互、文档共享、语音交互、视频交互等，多种交互形式。系统基于视频编解码实现高效视频处理，不需要专门、昂贵的硬件设备，只需具备计算机和音视频设备，就能够轻松上网搭建教学实时交互平台。教师可根据本校教学特点，管理课程、安排教学内容，实施