大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的更多期待

摘 要：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的不足，完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無法實(shí)現(xiàn)的條件和內(nèi)容，突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用發(fā)現(xiàn)，其在虛擬儀器的真實(shí)性、對實(shí)驗(yàn)原理的體現(xiàn)、對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬及對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等方面有待進(jìn)一步改善。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 大學(xué)物理 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0068-02

1 簡介

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程是高等理工科院校對大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修通識(shí)課程，是學(xué)生進(jìn)行物理課程學(xué)習(xí)以及專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。它具有多樣化的實(shí)驗(yàn)方法和手段以及綜合性很強(qiáng)的基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，對于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維、創(chuàng)新能力和理論聯(lián)系實(shí)際能力，引導(dǎo)學(xué)生確立正確的科學(xué)思想和科學(xué)方法，提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)以適應(yīng)科技發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步等方面有著十分重要的意義。

高校擴(kuò)招及社會(huì)對高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出更高要求，使得各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的缺陷凸顯，學(xué)校面臨實(shí)驗(yàn)設(shè)備的質(zhì)量和數(shù)量不足，無法為廣泛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有效的支持，學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)欠缺等嚴(yán)峻形勢。2001年，教育部提出了積極開展網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的建議，鼓勵(lì)各大高等院校搭建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)資源的共享與互補(bǔ)。

基于虛擬儀器的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室是利用虛擬儀器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由客戶端、實(shí)驗(yàn)管理服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)、實(shí)驗(yàn)單元和實(shí)驗(yàn)儀器單等部分組成，具有良好的資源共享性、互動(dòng)操作性、擴(kuò)展性和安全性，允許多用戶、多實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，可以讓學(xué)生在任何時(shí)候、從任何地點(diǎn)訪問實(shí)驗(yàn)室，從而大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)方式上可以彌補(bǔ)普通教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)不足或輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)；在教學(xué)模式上可綜合利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，完成傳統(tǒng)教學(xué)中無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，因而在各高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了長足的發(fā)展，在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

在對大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)值得改進(jìn)和加強(qiáng)的地方，在此提出，以供商榷，期望虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)苋照橥昝?，更貼近《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的要求，在課程教學(xué)及創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面發(fā)揮更大作用。

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的更多期待

2.1 虛擬儀器更趨真實(shí)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)是虛擬儀器。虛擬儀器是在美國國家儀器公司1986年提出的“軟件就是儀器”這一口號的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其概念是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)及必要的數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，根據(jù)測試任務(wù)的需要，通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。與廠家設(shè)計(jì)并定義好功能的、有固定的輸入輸出接口和操作面板的、只能實(shí)現(xiàn)一類特定測量功能的傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器的用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)，并可通過修改軟件來改變或增減儀器的功能，真正體現(xiàn)“軟件就是儀器”這一概念。

虛擬儀器應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)將有助于改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源開展網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)，并可開出符合課程內(nèi)容的許多新實(shí)驗(yàn)，改變實(shí)驗(yàn)技術(shù)跟不上新技術(shù)的局面，使學(xué)生的創(chuàng)新能力及掌握新技術(shù)、新知識(shí)的能力得以提高。但目前虛擬實(shí)驗(yàn)儀器模型的種類比較缺乏，無論就外觀還是功能而言，其真實(shí)性與實(shí)驗(yàn)室的具體實(shí)驗(yàn)器材相比都還存在欠缺之處，這會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)產(chǎn)生疑問，無所適從，不利于知識(shí)的遷移。比如光學(xué)中的邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)，不同廠家生產(chǎn)的儀器在外觀、調(diào)節(jié)部件及功能等方面有較大的差別，如果學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中接觸的儀器與實(shí)際操作所使用的儀器相去甚遠(yuǎn)的話，學(xué)生的困惑是可想而知的。因此，完善虛擬元件模型，豐富虛擬器材品種，增強(qiáng)虛擬儀器的仿真效果，是一般認(rèn)知過程的需要，它既可加深學(xué)生對儀器本身設(shè)計(jì)原理的理解，也有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的優(yōu)勢和缺陷，激勵(lì)學(xué)生探索性思維。

2.2 包含更豐富的實(shí)驗(yàn)原理

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的主要任務(wù)是培養(yǎng)與提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本素質(zhì)，確立正確的科學(xué)思想和科學(xué)方法；培養(yǎng)與提高學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力；培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。課程教學(xué)的基本要求是學(xué)生具有理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度，主動(dòng)研究的探索精神，遵守紀(jì)律，團(tuán)結(jié)協(xié)作和愛護(hù)公共財(cái)產(chǎn)的優(yōu)良品德。要完成上述教學(xué)的主要任務(wù)和基本要求，教學(xué)過程的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)就是學(xué)生要對實(shí)驗(yàn)原理有一個(gè)比較正確、全面和清晰的認(rèn)識(shí)理解。

目前，主流的仿真虛擬軟件在知識(shí)導(dǎo)航的設(shè)計(jì)上基本上延續(xù)了傳統(tǒng)多媒體課件的導(dǎo)航模式，通過使用圖片、動(dòng)畫、語音等多媒體元素，以線性結(jié)構(gòu)展示整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程。這種模式不僅使學(xué)生比較難于在短時(shí)間內(nèi)掌握實(shí)驗(yàn)的整體框架和關(guān)鍵操作要領(lǐng)，而且忽略了實(shí)驗(yàn)原理對實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)及指導(dǎo)作用，不利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)知和理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)如果能充分利用易于被學(xué)生接受的視覺及聽覺技術(shù)來展示實(shí)驗(yàn)原理，并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中貫穿實(shí)驗(yàn)原理這一條主線，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到全部的實(shí)驗(yàn)都是基于實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行的，都是在實(shí)驗(yàn)原理的框架下完成的，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)和理解無疑會(huì)更上一層樓，對科學(xué)思想和科學(xué)方法方面的領(lǐng)悟會(huì)更深入，對理論聯(lián)系實(shí)際能力的培養(yǎng)也會(huì)更有效。

2.3 能夠再現(xiàn)復(fù)雜具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識(shí)萬千世界的重要方法。實(shí)驗(yàn)研究和理論研究作為兩種相輔相成的科學(xué)研究方法，是推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展的重要力量。實(shí)驗(yàn)教學(xué)以其直觀性、實(shí)踐性、創(chuàng)造性等優(yōu)點(diǎn)，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)、提高動(dòng)手能力、掌握科學(xué)研究方法等方面發(fā)揮著重要作用。虛擬實(shí)驗(yàn)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合起來，改變了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建模式，可提升實(shí)驗(yàn)儀器的整體性能，突破實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)空限制，是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的變革。

虛擬實(shí)驗(yàn)的最終目的是為了認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界，也就是說，虛擬實(shí)驗(yàn)最終是要回到復(fù)雜具體的真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的。我們從虛擬世界獲得的知識(shí)，其在現(xiàn)實(shí)世界中的有用，或者說有效程度，取決于虛擬對現(xiàn)實(shí)的模擬程度。目前的虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基本上都是理想化的：儀器是標(biāo)準(zhǔn)的，方法是正確的，環(huán)境是理想的，結(jié)果是完美的，一切都是無誤差的，因?yàn)槎际怯稍O(shè)計(jì)好的程序來實(shí)現(xiàn)的。但真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境卻是復(fù)雜而具體的：實(shí)驗(yàn)儀器需要組裝、調(diào)試和校準(zhǔn)，同一套實(shí)驗(yàn)方法的施行也會(huì)因人而異，實(shí)驗(yàn)環(huán)境會(huì)因時(shí)因地而改變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也就包含了多方面的誤差在內(nèi)。所以，如果能在虛擬大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中增加對一些對常見環(huán)境變化的模擬，考慮一些可預(yù)知的人的因素，使其所虛擬的實(shí)驗(yàn)更加接近真實(shí)，其教學(xué)效果或許會(huì)更加優(yōu)秀。仍以邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)為例，如果能把底座不水平、兩端鏡距離過大（即超出相干長度）、兩鏡不平行時(shí)如果夾角逐漸增大或減小、沒放置補(bǔ)償板等情況都模擬實(shí)現(xiàn)的話，該虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)情況的差距即可得到進(jìn)一步的改善。

2.4 對創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ母嗯囵B(yǎng)

培養(yǎng)與提高學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力是《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)的主要任務(wù)之一。與所有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一樣，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中尤為重要。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，開展探索型實(shí)驗(yàn)是使學(xué)生獲得創(chuàng)新能力培養(yǎng)鍛煉的有效方式之一。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣，虛擬實(shí)驗(yàn)也可分為演示型實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手操作型實(shí)驗(yàn)和探索型實(shí)驗(yàn)。在探索型實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生要經(jīng)歷從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整體過程，他們必須自己思考如何選擇及操作實(shí)驗(yàn)儀器，如何實(shí)施及改進(jìn)實(shí)驗(yàn)過程，如何判斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和誤差程度，如何總結(jié)規(guī)律或發(fā)現(xiàn)問題等等。所以這類虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具備極強(qiáng)的交互能力：虛擬儀器應(yīng)具有真實(shí)設(shè)備的所有功能屬性；實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)該可以自主調(diào)整；測量結(jié)果應(yīng)反映真實(shí)情況等。如此，學(xué)生方可通過虛擬而探索出真知，達(dá)到對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的。

3 結(jié)語

在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中，為了利用虛擬實(shí)驗(yàn)，達(dá)到較好的教學(xué)效果，期望虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谔摂M儀器的真實(shí)性、對實(shí)驗(yàn)原理的更好體現(xiàn)、對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬，及對創(chuàng)新能力的更多培養(yǎng)等方面做得更多更好。

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