1 姚列明-電子科技大學-數字化物理實驗教學的探索與實踐.pdf

《1 姚列明-電子科技大學-數字化物理實驗教學的探索與實踐.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《1 姚列明-電子科技大學-數字化物理實驗教學的探索與實踐.pdf（55頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、數字化物理實驗教學的探索與實踐2024-10-27電子科技大學姚列明教授目錄 引言 數字物理實驗概述 數字技術在物理實驗教學中的應用 數字技術與教學過程融合策略探討 挑戰、機遇與未來展望 結論與總結引言01隨著數字技術的迅猛發展，高等教育教學正面臨前所未有的變革。數字技術快速發展數字技術在各領域取得顯著成果，為高等教育教學提供了新的可能。數字技術廣泛應用傳統物理實驗教學存在諸多限制，亟待創新與改進。物理實驗教學現狀背景介紹010203探索數字技術與高等教育教學融合路徑探討數字技術如何與高等教育教學有效融合，提高學生學校興趣，提升教學質量。推動物理實驗教學創新通過數字物理實驗的研究與實踐，推動物

2、理實驗教學的創新與發展。培養學生創新能力與實踐精神借助數字技術，更好地培養學生的創新能力與實踐精神，滿足新時代人才需求。研究目的與意義鼓勵高等教育教學創新教育部出臺一系列政策，鼓勵和支持高等教育教學領域的創新實踐。教育部相關政策解讀重視信息技術與教育教學深度融合政策強調數字技術在教育教學中的重要地位，推動數字技術與教育教學深度融合。提倡實驗教學改革教育部提倡實驗教學改革，注重實驗教學的創新性與實踐性，以提高學生綜合素質。數字物理實驗概述02定義數字物理實驗是利用計算機技術和數值模擬方法，模擬真實物理實驗過程和現象的一種教學方式。發展歷程隨著計算機技術的不斷進步和普及，數字物理實驗從最初的簡單模

3、擬逐步發展為具有高度交互性、可視化和智能化特點的教學工具。定義與發展歷程數字物理實驗具有高度的靈活性、可重復性和安全性，能夠模擬各種復雜的物理現象和實驗過程。特點與傳統物理實驗相比，數字物理實驗能夠降低實驗成本、提高實驗效率，同時為學生提供更加直觀、生動的實驗體驗，有助于培養學生的創新思維和實踐能力。優勢數字物理實驗的特點與優勢教學資源對比傳統物理實驗需要大量的實驗器材和場地，而數字物理實驗則主要依賴于計算機和軟件資源，更加節省空間和成本。教學方式對比傳統物理實驗注重學生的動手實踐能力，而數字物理實驗還要求學生有較強的計算機技術和數值模擬能力。教學效果對比傳統物理實驗能夠讓學生親身感受物理現象

4、，但受限于實驗條件和成本；數字物理實驗則能夠突破這些限制，提供更加全面、深入的實驗教學。與傳統物理實驗教學的對比分析數字技術與教學過程融合策略探討03利用數字技術制作高質量的教學視頻、課件和在線實驗，為學生提供豐富多樣的學習資源。線上教學資源建設結合線上資源，開展翻轉課堂、混合式教學等創新實踐，提高學生參與度和課堂效果。線下課堂教學改革通過在線平臺實現師生實時互動，及時收集學生反饋，調整教學策略以滿足學生需求。實時互動與反饋機制線上線下相結合的教學模式創新跨學科知識整合與課程體系重構實踐教學環節強化增加實驗、實訓等實踐教學環節，培養學生動手能力和創新精神。模塊化課程設計將課程內容劃分為不同模塊

5、，便于學生根據興趣和需求進行個性化學習?？鐚W科課程開發打破學科壁壘，整合不同領域知識，設計具有創新性和實用性的跨學科課程。多元化評價方式利用大數據技術分析學生學習行為、成績等數據，為教學改進提供有力支持。數據驅動的質量監控定期評估與反饋定期對教學進行評估，及時發現問題并進行改進，確保教學質量持續提升。采用過程性評價、結果性評價、同伴互評等多種評價方式，全面反映學生學習情況。評價方式改革及質量監控體系建立開展針對性的信息技術培訓，提高教師運用現代教學工具的能力。教師信息技術能力培訓鼓勵教師進行教學創新實踐，提供必要的資源和技術支持。教學創新實踐支持建立科學的教師評價體系和激勵機制，激發教師投身教

6、學改革的積極性和創造力。激勵機制完善教師培訓支持與激勵機制完善虛擬實驗環境的構建采用虛擬現實技術，創建逼真的物理實驗環境，為學生提供沉浸式的實驗體驗。實驗過程的模擬與仿真通過精確的物理模型和算法，實現對真實實驗過程的模擬和仿真，幫助學生更好地理解實驗原理。交互式實驗操作允許學生在虛擬環境中進行實驗操作，如調整實驗參數、觀察實驗現象等，培養學生的實踐能力和創新思維。虛擬仿真實驗平臺的搭建與應用通過跟蹤學生的學習過程，實時評估其學習成果，為教師提供及時的教學反饋。學習過程的實時監控與評估結合學生的實驗操作、學習態度和成果等多方面因素，構建全面的學習評價體系。多維度學習評價體系基于學生的學習風格和進

7、度，為其推薦個性化的學習路徑和資源，提高學習效果。學習路徑的智能推薦個性化學習路徑推薦與評估機制教師角色的重新定位在數字技術的輔助下，教師從傳統的知識傳授者轉變為學生學習過程的引導者和促進者。學生自主能力的培養鼓勵學生在數字技術的輔助下進行自主探究和合作學習，培養其獨立思考和解決問題的能力。新型師生關系的構建建立基于信任和尊重的新型師生關系，促進師生之間的有效溝通和深度合作。教師角色轉變與學生自主能力培養我校數字技術在物理實驗教學中的應用04早期探索和實踐一、數字技術在教學環節中的輔助與實現1）1998年開始用動畫展示一些實驗原理，2000年起大面積大學物理實驗教學采用了中科大大學物理實驗仿真

8、實驗軟件的部分實驗模塊；同時開發了自己的課程網站。2）在教學管理環節中引入數字技術。3）通過軟件分析學生在實驗過程中的數據，為學生提供對實驗結果的預評估，方便學生自主學習。多元化教育手段理論課和實驗課的課堂錄像具體實驗的電子課件實驗儀器的操作錄像實驗過程的軟件仿真在線自測教材電子文檔豐富的網絡課程資源服務器、投影儀、教學專用計算機、展板、視頻演示早期探索和實踐記錄進實驗室做實驗記錄離開實驗室的時間記錄遲到 早退 缺課早期探索和實踐利用利用ExcelExcel圖表工具圖表工具對實驗數據進行評估對實驗數據進行評估實驗操作演示視頻早期探索和實踐2）2006年起開設了教改課程課題研究型物理實驗，該課程

9、是將大學物理中的熱學知識應用于我校電子工程熱設計的綜合實踐課程，采用數字化教學手段，即用物理有限元分析軟件ANSYS的熱仿真模塊和Flotherm電子熱設計軟件完成對分析對象散熱建模，并鼓勵適度優化設計。早期探索和實踐二、教材建設1）為大學物理實驗基礎分冊光盤編纂了基于通用電子表格軟件Excel的“大學物理實驗數據處理”軟件。2）教育部規劃教材結構化大學物理實驗（第一版）中增加了“課題研究型物理實驗”的相關數值仿真實驗內容。早期探索和實踐第九章第九章 數值模擬實驗數值模擬實驗引言實驗9.1 長直螺線管的磁場分布實驗9.2 基于ANSYS的電子散熱優化實驗9.3 基于FloRHERM的電子散熱優

10、化.實驗9.4 電腦機箱散熱性能優化問題的研究.實驗9.5 超聲換能器的共振頻率實驗9.6 靜電場的數字模擬范例已經出版的教材：大學物理實驗基礎和綜合分冊大學物理實驗近代分冊現代光學實驗教程計劃出版的教材：結構化大學物理實驗（第三版）（高教出版社，正在申請教育部十四五規劃教材）結構化大學物理實驗（第一、二版）（高教出版社，教育部十一五規劃教材）靜電場的數字模擬范例靜電場的數字模擬范例兩根無限長帶電導線間的電力線和等勢線分布示波管聚焦電極間的電力線和等勢線分布同軸圓柱面間的電力線分布和等勢線分布實驗測量值為35.333KHz，模擬計算值為36.831KHz，相對誤差為4.1%超聲陶瓷換能器的振動

11、模式分析超聲陶瓷換能器的振動模式分析模擬分析在霍爾效應實驗中的應用實驗值和模擬計算值基本符 合,它們間的相對誤差為5%。實驗室所用的螺線 管長度不夠長,導致測量和數值模擬結果相對理論 值偏低。從數值分析結果也可以看出,管內 中心位置(142.5 mm)處的磁場最大為6.03 mT,離無限長螺線管軸線磁場的理論值 6.28 mT相差較 大。若增加螺線管的長度,則磁場值也相應增加,其分布曲線的頂部也趨于平緩而達到穩定值,如圖 所示。當長度增加到 685mm時,最大磁場為6.26 mT,接近無限長螺線管軸線磁場的理論值。B：氣隙處最弱，鐵芯中較強H：氣隙處最強，鐵芯中較弱磁化曲線和磁滯回線的測量實驗

12、磁化曲線和磁滯回線的測量實驗機箱采用訂制的塑料全透明機箱，分別在機箱不同的部位裝了六個風扇。該機箱的模擬分析模型如圖所示。由于是強迫散熱，因此采用ANSYS中的流-固耦合分析。計算時根據實驗所加載的功率換算成熱流施加在CPU表面，在進風口加固定風速。為CPU散熱器的溫度場分布，為整個機箱內流場的速度和方向分布。在恒定發熱功率為15W的情況下，對開啟機箱表面上不同位置的散熱風扇的幾種不同的組合進行了實驗測試和模擬計算，以便對風扇的個數和位置進行優化，從而達到既能有效地散熱，又能節約機箱成本的目的。模擬分析在計算機機箱散熱優化實驗中的應用模擬分析在計算機機箱散熱優化實驗中的應用磁控管散熱分析磁控管

13、散熱分析實驗實驗1.1.姚列明，霍中生，孫淼等姚列明，霍中生，孫淼等.模擬計算在大學物理實驗教學中的應用模擬計算在大學物理實驗教學中的應用J.J.實驗技術與管理，實驗技術與管理，20062006，2323（4 4）：）：1414-18182.2.姚列明，何瑞成姚列明，何瑞成.模擬計算在傳統物理實驗教學中的應用模擬計算在傳統物理實驗教學中的應用J.J.實驗室研究與探索，實驗室研究與探索，20052005，2424（1010）：）：9 9-11113.3.姚列明姚列明,嚴一民嚴一民,何瑞成何瑞成.理論分析理論分析和數值計算在霍爾效應實驗中的應用和數值計算在霍爾效應實驗中的應用J.J.實驗科學與技術

14、實驗科學與技術.2005(S1)2005(S1)4.4.孫淼，姚列明，霍中生等孫淼，姚列明，霍中生等.電腦機箱散熱性能優化問題的研究電腦機箱散熱性能優化問題的研究J.J.電子科技大學學報，電子科技大學學報，20072007，3636（1 1）：）：7575-77775.5.李海龍，王茂琰李海龍，王茂琰.專業軟件在物理實驗應用中的探索研究專業軟件在物理實驗應用中的探索研究 J.J.實驗科學與技術實驗科學與技術.2013,11(05).2013,11(05)有關的教研論文有關的教研論文三、課外教學1）畢業設計輔導：約1/3題目為仿真類。2）參加學科競賽：第二屆起每年參加CUPT全國大學生物理學術競

15、賽中逐步增加和提高仿真建模等數字化求解和結果展示的比例和效果。早期探索和實踐中國大學生物理學術競賽（China Undergraduate Physics Tournament，簡稱CUPT）是中國借鑒國際青年物理學家錦標賽（International Young Physicists Tournament，簡稱IYPT）的模式創辦的全國賽事，該項活動得到了教育部的支持，并被列入中國物理學會物理教學指導委員會的工作計劃，是實踐國家創新驅動發展戰略綱要和國家教育中長期發展規劃綱要的重要大學生創新競賽活動之一。成電學子獲成電學子獲2024年度中國大學生物理學術競賽全國一等獎年度中國大學生物理學術競

16、賽全國一等獎2019年CUPT題目：科幻之聲（全國一等獎）2021年CUPEC全國一等獎作品：粘滯系數測量2021年CUPT題目：在拋物面上滾動鐵環（全國二等獎）基于數值計算結果的動畫展示序號序號獲獎時間獲獎時間名稱名稱授獎部門授獎部門獎項獎項12023年第九屆全國大學生物理實驗競賽（創新賽）全國大學生物理實驗競賽（創新賽）組委會全國一等獎1項，二等獎4項22022年第八屆全國大學生物理實驗競賽（創新賽）全國大學生物理實驗競賽（創新賽）組委會全國一等獎1項，二等獎3項32021年第七屆全國大學生物理實驗競賽（創新賽）全國大學生物理實驗競賽（創新賽）組委會全國一等獎1項，二等獎3項42024年第

17、十五屆中國大學生物理學術競賽中國大學生物理學術競賽組委會全國一等52023年第十四屆中國大學生物理學術競賽中國大學生物理學術競賽組委會全國二等62022年第十三屆中國大學生物理學術競賽中國大學生物理學術競賽組委會全國三等72021年第十二屆中國大學生物理學術競賽中國大學生物理學術競賽組委會全國二等82020年第十一屆中國大學生物理學術競賽中國大學生物理學術競賽組委會全國二等92019年第十屆中國大學生物理學術競賽中國大學生物理學術競賽組委會全國一等102018年年第九屆中國大學生物理學術競賽第九屆中國大學生物理學術競賽中國大學生物理學術競賽組委會中國大學生物理學術競賽組委會全國二等全國二等11

18、2017年第八屆中國大學生物理學術競賽中國大學生物理學術競賽組委會全國二等122023年“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽共青團中央全國特等獎132017年全國大學生電子設計競賽教育部和工業和信息化部國家一等142017年中國“互聯網+”大學生創新創業大賽教育部國家三等152023年四川省國際“互聯網+”大學生創新創業大賽四川省教育廳省級金獎162020年西南地區大學生物理學術競賽貴州省物理學會省一等2項172019年西南地區大學生物理學術競賽重慶市物理學會省一等2項182018年西南地區大學生物理學術競賽四川省物理學會省一等3項192017年西南地區大學生物理學術競賽四川省物理學會省一

19、等2項202018年四川省大學生普通物理知識競賽四川省物理學會省級特等212017年四川省大學生普通物理知識競賽四川省物理學會省級特等近年來的探索和實踐拓撲電路與材料、物理、和器件的關系激光分子束外延生長（L-MBE）動力學虛擬仿真實驗模擬自然光照的智能LED光源設計虛擬仿真實驗光電成像與視覺感知技術虛擬仿真實驗光學薄膜器件成膜設計及系統應用虛擬仿真實驗挑戰、機遇與未來展望05挑戰一應對策略挑戰三應對策略挑戰二應對策略技術融合與應用難度：數字物理實驗涉及AI、大數據等前沿技術，其融合與應用在高等教育教學中面臨技術門檻和實施難度。加強技術研發，優化實驗平臺，降低技術門檻，提供易用性強的教學工具。

20、教師技能與素養提升：教師需要具備跨學科知識和技術應用能力，以適應數字物理實驗教學的需求。加強教師培訓，提升教師技能與素養，構建跨學科教學團隊，共享教學資源與經驗。學生自主學習與創新能力培養：數字物理實驗強調學生自主學習和創新能力，如何有效引導和激發學生成為挑戰。設計富有挑戰性和探索性的實驗項目，采用問題導向和項目驅動的教學方法，鼓勵學生自主探究和創新實踐。面臨的挑戰及應對策略分析機遇一推動策略機遇三推動策略機遇二推動策略政策支持與投入加大：隨著國家對高等教育和科技創新的重視，政策支持與投入將持續加大，為數字物理實驗的發展提供有力保障。充分利用政策優勢，加強產學研合作，推動數字物理實驗技術的研發

21、與應用。技術進步與創新驅動：AI、大數據等技術的不斷進步和創新，為數字物理實驗提供了更廣闊的發展空間。關注前沿技術動態，及時引入新技術和方法，豐富數字物理實驗的教學內容和手段。國際交流與合作加強：隨著全球化的深入發展，國際交流與合作日益頻繁，為數字物理實驗的國際化發展提供了機遇。積極參與國際交流與合作項目，引進國外先進的教學理念和技術成果，推動數字物理實驗的國際化發展。抓住機遇，推動高質量發展趨勢一智能化與個性化教學將成為主流：隨著AI技術的發展和應用，數字物理實驗將實現更高級別的智能化和個性化教學。建議關注AI技術發展趨勢，積極探索智能化和個性化教學方法在數字物理實驗中的應用。趨勢二線上線下

22、融合教學模式將得到普及：線上線下融合教學模式能夠充分發揮各自優勢，提高教學效果和效率。建議積極推動線上線下融合教學模式在數字物理實驗中的應用和實踐探索。趨勢三跨學科與綜合性實驗項目將增多：跨學科和綜合性實驗項目有助于培養學生綜合素質和創新能力。建議鼓勵教師設計跨學科和綜合性實驗項目，引導學生參與跨學科研究和創新實踐活動。未來發展趨勢預測及建議010402050306結論與總結06教育數據分析利用數字技術，對學生在數字物理實驗過程中的學習行為進行了深入分析，為個性化教學提供了有力支持。數字物理實驗平臺開發成功研發了的數字物理實驗平臺，實現了物理實驗的數字化、智能化和遠程化操作。教學應用案例研究通

23、過在實際教學中的應用，驗證了數字物理實驗平臺在提升學生學習效果、培養創新能力方面的積極作用。研究成果回顧數字物理實驗平臺為高等教育提供了全新的教學手段，有助于推動傳統教學模式向更加智能化、個性化的方向轉變。推動教學模式創新通過數字物理實驗，學生可以更加便捷地接觸到先進的實驗設備和實驗方法，從而拓展實驗教學的邊界，提升教學質量。拓展實驗教學邊界數字物理實驗平臺提供了豐富的實驗資源和真實的實驗環境，有助于學生在實踐中深化理論知識，提升實踐能力。強化學生實踐能力培養對高等教育教學改革的啟示完善數字物理實驗平臺功能進一步利用各種資源，豐富實驗內容，提升學生體驗，滿足更多高等教育教學需求。下一步工作計劃與展望推廣數字物理實驗教學模式積極與國內外高校合作，推廣數字物理實驗教學模式，促進高等教育教學的創新與發展。深入研究AI與教育融合路徑以數字物理實驗為切入點，深入研究數字技術在高等教育教學中的應用場景和融合路徑，為推動教育現代化貢獻更多力量。THANKS