仿真實驗在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的地位和作用

劉利娜 岳素榮 臧春和 張東梅

洛陽理工學(xué)院數(shù)理部，河南 洛陽 471023

仿真實驗在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的地位和作用

劉利娜 岳素榮 臧春和 張東梅

洛陽理工學(xué)院數(shù)理部，河南 洛陽 471023

本文首先指出了目前物理實驗教學(xué)存在的不足，然后指出了物理仿真實驗所起到的積極作用，但仿真實驗也有自己的缺點，所以要正確看待仿真實驗。

仿真實驗；大學(xué)物理實驗；教學(xué)

In the article, we first pointed out the shortcoming of physical experiments teaching at present, and then the advantage of simulation experiments was discussed. Simulation experiments are not perfect, and they should be correctly treated. Key words

simulation experiments; college physical experiments; teaching

大學(xué)物理實驗是培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)實驗知識、實驗方法和實驗技能的課程，是高校理工科教學(xué)體系的重要組成部分，它對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手能力、分析問題和解決問題的能力有著不可替代的作用。而實驗室出于對學(xué)生的安全考慮或?qū)嶒灲?jīng)費的制約，一些操作實驗無法開展.尤其是具有創(chuàng)新性、獨特性的實驗.需要消耗大量的人力、物力，難以在實驗室大面積開展 使得學(xué)生無法通過實驗透徹的了解儀器的工作原理及相關(guān)的物理內(nèi)容.為了使物理實驗從傳統(tǒng)實驗向設(shè)計性、研究性、開放性的創(chuàng)新實驗轉(zhuǎn)變并大面積開展，仿真實驗應(yīng)運而生。仿真技術(shù)是以相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究的一門綜合技術(shù)。它集成了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體、軟件工程、信息技術(shù)、人工智能等多個高新領(lǐng)域的知識。在教學(xué)活動中，特別是實驗教學(xué)中引入仿真技術(shù)，將使教學(xué)方式發(fā)生根本性的變化，并能夠獲得顯著的教學(xué)效果[1]。

1. 目前物理實驗教學(xué)存在的不足

由于歷史原因和各方面的限制，我院以及不少兄弟院校在《大學(xué)物理實驗課》課程的教學(xué)中，無論從儀器設(shè)備的配置，還是學(xué)時的設(shè)置一直都比較有限。長期以來，實驗教學(xué)的總體水平始終處在一個較低的層次上，遠(yuǎn)不能適應(yīng)面向社會需求，培養(yǎng)應(yīng)用型人才的教育要求。其中，較為突出的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 實驗教學(xué)與理論教學(xué)的內(nèi)容在時間上不同步

由于我校物理實驗采取分組的形式進(jìn)行，很多學(xué)生都是在沒學(xué)理論的前提下做實驗，所以大多數(shù)學(xué)生反映在寫預(yù)習(xí)報告和做實驗時有力不從心之感，主要表現(xiàn)在對實驗原理和實驗設(shè)計思想理解不透徹，對實驗數(shù)據(jù)的物理意義不是很清楚，導(dǎo)致不會分析和處理實驗數(shù)據(jù)，缺乏對實驗過程的反思，導(dǎo)致學(xué)生感覺物理實驗無意義，就是機械的測數(shù)據(jù)，有“走過場”的感覺。

1.2 實驗預(yù)習(xí)效果不理想

學(xué)生做預(yù)習(xí)報告時，面對的是條條框框的書本，枯燥的文字描述和毫無立體感的平面圖，并且書上的描述和實際的實驗過程有出入。這樣使多數(shù)學(xué)生寫預(yù)習(xí)報告時對實驗儀器比較陌生，大篇幅的抄襲實驗教學(xué)指導(dǎo)書上的內(nèi)容，對實驗原理和步驟沒有用心地去閱讀和體會，雖然寫了預(yù)習(xí)報告，但對實驗內(nèi)容仍然一知半解，這種缺乏主動感的應(yīng)付性學(xué)習(xí)，嚴(yán)重束縛了學(xué)生的思維空間，容易使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。

1.3 資源有限，設(shè)備不足

近幾年來，隨著高校招生規(guī)模的大幅度擴(kuò)大，大學(xué)物理實驗這門課程在面臨著新的發(fā)展機遇的同時也遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；蛞?qū)嶒炇覉龅夭蛔悖蛞驅(qū)嶒瀮x器、耗材短缺，很多院校的實驗教學(xué)捉襟見肘，被迫取舍實驗項目，甚至多個學(xué)生只能分配到一套儀器，大大影響了教學(xué)效果。而且現(xiàn)有的實驗儀器更新速度較慢，這些老設(shè)備普遍存在不同程度的損耗，學(xué)生在實驗時經(jīng)常出問題。定期更新老舊設(shè)備或者添加新的設(shè)備則需要強大的財力支持。一些近現(xiàn)在實驗儀器價格昂貴，即使勉強開設(shè)了一些近現(xiàn)代物理實驗項目，多數(shù)學(xué)生也沒有機會深入研究相關(guān)實驗的內(nèi)容。開拓新的教學(xué)手段可以大大緩解擴(kuò)招速度快與教育資源投入不足之間的矛盾。

1.4 實驗課時有限

很少有學(xué)校實驗室能夠有足夠的人力物力長時間全面開放，這就顯出實驗課時間不充裕的問題。學(xué)生在排定的實驗課才可進(jìn)實驗室，還需要花費一定的時間熟悉、調(diào)整實驗儀器，因而實驗匆忙，難以在短時間內(nèi)對實驗儀器原理、使用方法、實驗設(shè)計方案進(jìn)行消化，對實驗中看到的現(xiàn)象也沒有機會深入研究。

1.5 教學(xué)方法單一，教學(xué)手段落后

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗多以“言傳身教”為主，采取“填鴨式”教學(xué)、分組實驗、這種做法往往導(dǎo)致學(xué)生被動地接受知識，然后按照教師的講解或?qū)嶒炛笇?dǎo)書按部就班地做實驗，就像完成某項任務(wù)一樣，不去用心理解。這種教學(xué)模式既不利于培養(yǎng)學(xué)生的興趣，也不利于培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。多數(shù)院校仍采用“一張嘴+一支粉筆+一塊黑板”的傳統(tǒng)手段進(jìn)行實驗教學(xué)，多媒體的優(yōu)越性難以在大學(xué)物理實驗教學(xué)中得以體現(xiàn)，教學(xué)效率無法提升。

2. 物理仿真實驗在我校的使用情況

為了彌補上述物理實驗教學(xué)的不足，結(jié)合我校的實際情況，在2010年，在學(xué)校各級領(lǐng)導(dǎo)的支持下，我校購買了由中國科技大學(xué)研制的《大學(xué)物理仿真實驗》系統(tǒng)[2],[3]，建成了一個目前較為完備的大學(xué)物理仿真實驗室，在建設(shè)過程中我們十分注意在內(nèi)容、構(gòu)思、技術(shù)、設(shè)備等方面重點建設(shè)有特色的仿真實驗項目。該實驗室擁有30個學(xué)生操作平臺，可滿足30個學(xué)生同時進(jìn)行實驗。利用仿真物理實驗室，我校在2010級理工科本科生中開展了大學(xué)物理仿真實驗的教學(xué)，在學(xué)期初，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成了“碰撞實驗”的仿真實驗，通過這個實驗學(xué)生學(xué)會了仿真實驗軟件的使用方法，同時我們也把仿真實驗軟件放到了學(xué)校的局域網(wǎng)上，這樣學(xué)生就可以通過仿真實驗軟件對接下來要做的實驗進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，仿真實驗軟件的內(nèi)容非常逼真豐富，學(xué)生可選擇查看圖文并茂的實驗原理、實驗步驟、注意事項，還可以對照著儀器邊看邊學(xué)，預(yù)習(xí)完畢還有一些與實驗相關(guān)的練習(xí)題供學(xué)生自測能力，開始實驗時還配有語音指導(dǎo)和提示，可以利用鼠標(biāo)按鍵對仿真儀器線路進(jìn)行各種調(diào)節(jié)，需要仔細(xì)觀察的儀器部分還可以打開子窗口進(jìn)行放大查看，有的儀器還可以觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要記錄儀器數(shù)據(jù)也非常方便，實驗可以自動讀數(shù)并進(jìn)行自動處理，生成圖線，這樣實際做實驗的時候?qū)W生就做到了胸有成竹，非常游刃有余。學(xué)生還可以利用仿真實驗軟件進(jìn)行學(xué)校沒有儀器的近現(xiàn)代物理實驗，拓展了學(xué)生的視野，同時學(xué)生還可以探究性的學(xué)習(xí)，但仿真實驗也有自己的不足，下面就我校仿真實驗的使用情況談?wù)劮抡鎸嶒灥娜〉玫男Ч退牟蛔恪?/p>

3. 仿真實驗在物理實驗教學(xué)中所起的積極作用

3.1 改善了實驗教學(xué)受時間和空間限制的狀況，仿真實驗真正實現(xiàn)了實驗室向?qū)W生開放

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，每次實驗課一般只有3個課時，在有限的時間內(nèi)要完成實驗并達(dá)到實驗?zāi)康?，效果自然不理想，尤其是對于一些難度較大的實驗，情況更加明顯。仿真實驗只需要相關(guān)教學(xué)軟件的支持，無論是安裝在本地計算機上的單機版本，還是安裝在遠(yuǎn)程服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)版本，都不必占用空間。學(xué)生可以利用自己適合的時間在電腦上完成實驗，這樣仿真實驗就克服了實驗教學(xué)長期受課堂、課時的限制困擾，只要有電腦的地方就可以進(jìn)行實驗，同時學(xué)生可以自擬、自選實驗題目，自行組織實驗，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 加深了學(xué)生對實驗儀器、原理和過程的理解

隨著科技的發(fā)展，實驗儀器正在朝著集成化、智能化、自動化方向發(fā)展，儀器結(jié)構(gòu)大大簡化。實驗儀器不僅操作簡便，而且很多物理量的變化被智能化的以數(shù)字的形式表現(xiàn)出來，實驗操作中學(xué)生動手的機會越來越少。而且實驗室大多數(shù)儀器貴重，不允許學(xué)生自由拆卸，這樣不利于學(xué)生對實驗原理、實驗儀器的觀察和理解，更不利于學(xué)生基本實驗技能的訓(xùn)練。學(xué)生用集成化、智能化的儀器做實驗時無須完全理解實驗原理，儀器操作簡單，實驗過程簡化，學(xué)生只要簡單地測幾組數(shù)據(jù)就可以完成實驗，教學(xué)效果很不理想。仿真實驗中的虛擬儀器可操作性強，對于一些復(fù)雜難懂的設(shè)備提供了可拆卸功能，學(xué)生可以通過拆卸設(shè)備，了解儀器的內(nèi)部構(gòu)造，這樣就可以理解儀器的工作原理，對實驗過程有很大幫助。另外，仿真實驗具有集圖像、文字、特技、動畫、聲音于一體的獨特優(yōu)勢，富有情趣和吸引力，尤其能動態(tài)表現(xiàn)實驗原理、實驗過程，這樣更能加深學(xué)生的理解。

3.3 緩解實驗室硬件資源的不足

仿真實驗是虛擬環(huán)境下的實驗，實驗儀器都是虛擬的，只要電腦和少量硬件設(shè)備就可以開設(shè)實驗，所占實驗場地小，可以在一定程度上緩解實驗場地的不足，而且虛擬儀器的開發(fā)、維護(hù)費用低，功能比傳統(tǒng)實驗儀器更強大，可以緩解儀器設(shè)備不足及儀器老化落后的問題。

3.4 改善了學(xué)生的預(yù)習(xí)狀況

對大多數(shù)學(xué)生來說, 在預(yù)習(xí)實驗的時候,會感到書上一些概念性的介紹很抽象。雖然有些儀器附有圖片, 但是仍然顯得很單調(diào)。學(xué)生預(yù)習(xí)起來容易缺乏興趣, 對實驗原理并不能真正理解。如仿真實驗可以提供形象直觀、內(nèi)容豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境, 圖文并茂、動靜結(jié)合、節(jié)奏有序的實驗內(nèi)容, 并以聲音、圖像等豐富的表現(xiàn)力幫助學(xué)生進(jìn)行多感官的學(xué)習(xí), 這樣無疑會增加學(xué)生的興趣, 調(diào)動他們學(xué)習(xí)的積極性, 促進(jìn)學(xué)生對實驗儀器的熟悉和對實驗原理的理解。特別是一些對學(xué)生來說陌生而復(fù)雜的儀器,經(jīng)過仿真實驗的練習(xí), 操作起來既輕松又胸有成竹, 從而提高教學(xué)效率。

4. 對大學(xué)物理仿真實驗的正確認(rèn)識

雖然仿真實驗有著自身的優(yōu)點，但它仍有一定的局限性，所以我們要正確認(rèn)識它。仿真實驗的內(nèi)容是人為設(shè)計的，實驗條件、過程和結(jié)論都是事先給出的，這就意味著它的最終結(jié)果是預(yù)先按照一定的想法設(shè)計好的，排除了很多外界因素對實驗的影響，因此學(xué)生在實際操作實驗中遇到的一些問題在仿真實驗中就不會出現(xiàn)，減少了學(xué)生處理突發(fā)事件的機會，而學(xué)生在真實實驗中遇到的各種各樣意料不到的問題和困難正是學(xué)生動手能力、應(yīng)變能力及創(chuàng)新精神培養(yǎng)的源泉。另外仿真實驗雖然形象直觀，操作簡單，但整個操作過程只需要點擊鼠標(biāo)或者敲擊鍵盤就能夠完成，沒有和儀器設(shè)備的直接接觸，缺乏真實感，不利于學(xué)生動手能力和操作能力的培養(yǎng)，無法達(dá)到實際操作實驗的效果，所以再好的仿真實驗不能代替真實實驗。仿真實驗只能作為一種輔助的教學(xué)手段，而不能作為直接培養(yǎng)學(xué)生動手能力的依靠。實踐中應(yīng)該著重把仿真實驗選作預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)實驗的途徑，而主要的學(xué)習(xí)過程還是采用傳統(tǒng)的實際實驗教學(xué)，學(xué)生進(jìn)入實驗室前可以通過仿真實驗預(yù)習(xí)，對實驗原理、儀器結(jié)構(gòu)、調(diào)試技術(shù)等有一個整體的認(rèn)識，做實物實驗時就會胸有成竹，這樣大大提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量和效率，也激發(fā)了學(xué)生對實驗教學(xué)的學(xué)習(xí)熱情。因此物理仿真實驗作為一種先進(jìn)及重要的預(yù)習(xí)、講解及演示手段，充分發(fā)揮其作用，它才能更好地服務(wù)于實驗教學(xué)，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。在實際教學(xué)過程中，我們應(yīng)該把仿真實驗和傳統(tǒng)實驗有機地結(jié)合起來，揚長避短。

[1］王紅忠，徐寒梅.計算機仿真實驗在遠(yuǎn)程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.咸寧學(xué)院學(xué)報,2004,24(6)：87～89.

[2] 王曉蒲，霍劍青，楊旭等.大學(xué)物理仿真實驗和教學(xué)實踐[J]. 物理實驗，2001，21(1)：28～29.

[3] 譚守標(biāo)，霍劍青，王曉蒲等.計算機虛擬技術(shù)在大學(xué)物理仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2005,35（3）：429～433.

The Role of Simulation Experiments in College Physical Experiments Teaching

LIU Li-na，YUE Su-rong，ZANG Chun-he，ZHANG Dong-mei
(Department of Mathematics and Physics, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang Henan 471023)

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.145

河南省自然科學(xué)基金（2010B140009）

劉利娜（1981-），女，河南省濮陽市，講師，博士，多功能納米材料。