大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用研究

董朝云++王旭軍

摘 要：目前很多高校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室都存在儀器耗材失修短缺的問題，仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)揮了很大作用，但它也有一定的消極作用。我們期待仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)合真實(shí)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建新的教學(xué)模式，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：仿真實(shí)驗(yàn) 真實(shí)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0241-01

目前多數(shù)高校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)課中都是多個學(xué)生共用一套儀器，大大影響了教學(xué)效果。已有的儀器“過期”現(xiàn)象嚴(yán)重，一個標(biāo)準(zhǔn)電池用上七八年很常見。像檢流計、示波器這些儀器基本上都是修了再修湊合使用。更不用說那些耗資較大、儀器昂貴的實(shí)驗(yàn)，根本就無法開設(shè)。[1]

開放性實(shí)驗(yàn)的重要性不言而喻，它對于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和獨(dú)立思考能力都有著積極的作用。但因受到經(jīng)費(fèi)、人力和管理上的限制，大多數(shù)院校都是小范圍開展或者不開展開放性實(shí)驗(yàn)。

基于以上原因，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已逐漸地應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，將來勢必會在所有高校普及。

1 仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

1.1 仿真教學(xué)環(huán)境

大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)是用軟件對儀器形狀進(jìn)行建模，根據(jù)真實(shí)儀器的外形材質(zhì)蒙皮，制作動畫，并通過編程使得儀器能與操作者進(jìn)行交互。它能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：學(xué)習(xí)者可以以拖動鼠標(biāo)的方法連接儀器，自行設(shè)定參數(shù)，調(diào)節(jié)儀器，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；旧夏軌?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)必須的步驟。

最重要的一點(diǎn)是它能夠再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中，受課時限制，學(xué)生一般只能進(jìn)行一次完整實(shí)驗(yàn)過程。而仿真實(shí)驗(yàn)卻可以一直重復(fù)實(shí)驗(yàn)，提升教學(xué)效果。

另外，仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)認(rèn)錯性很強(qiáng)，在模擬的過程中學(xué)生操作一旦出錯，系統(tǒng)立即指出調(diào)節(jié)錯誤，如果前一步調(diào)整不好就不允許進(jìn)行下一步，迫使學(xué)生反復(fù)演練直至成功。這樣就不用擔(dān)心元器件的損壞。

1.2 提高教學(xué)效率

學(xué)生在課前預(yù)習(xí)的時候，會感到書上一些儀器介紹和概念性的原理或現(xiàn)象介紹很抽象。對實(shí)驗(yàn)原理也只是一知半解。而且有一些調(diào)節(jié)難度比較大的實(shí)驗(yàn)如分光計等，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往課時不夠。所以我們可以把真實(shí)實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，先安排學(xué)生課前進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，熟悉儀器和實(shí)驗(yàn)過程后再進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)兩段式教學(xué)。

再者，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中很多儀器都是黑匣子，學(xué)生不明白儀器的內(nèi)部變化，不利于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和儀器原理的理解應(yīng)用，仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)儀器的內(nèi)部直觀化。

所以，仿真實(shí)驗(yàn)可以很好地提高教學(xué)效率。

1.3 豐富教學(xué)內(nèi)容

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)目多的話對于多數(shù)院校來說是難以承受的。仿真物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能用相對低很多的價錢搭建出豐富的實(shí)驗(yàn)項目， 滿足新形勢下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求， 無疑是一個實(shí)用的方案。靈活性的解決了資源嚴(yán)重不足和教學(xué)需求量大這一矛盾。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及力熱電光、近代物理和前沿領(lǐng)域攻擊70多個實(shí)驗(yàn)項目。滿足了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)需求。

1.4 突破時空限制

我們所用的網(wǎng)絡(luò)版仿真實(shí)驗(yàn)可以不受時間、地點(diǎn)、人次的限制。在辦公室安放一臺服務(wù)器，裝上大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)Online版，并通過IP將其綁定于校園網(wǎng)。學(xué)生在終端申請用戶名和密碼，就可以隨時隨地的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在時間、空間上得到了延伸。因此，仿真實(shí)驗(yàn)是一個極好的輔助性學(xué)習(xí)資源。

1.5 便于開放實(shí)驗(yàn)

目前，建立開放實(shí)驗(yàn)室需要解決的問題很多，如：開放實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)選題多，教師要超時上課；學(xué)生自由操作儀器，損壞率會提高；為不斷提高學(xué)生興趣，根據(jù)實(shí)際情況須不斷地更新實(shí)驗(yàn)項目和儀器；開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)行給實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理帶來了新的問題；開放實(shí)驗(yàn)項目耗時長，經(jīng)常使開放時間延長到課余和節(jié)假日。這一系列的問題都給開放性實(shí)驗(yàn)造成了障礙。而仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有設(shè)計性、研究性，為學(xué)生提供了自由的教學(xué)環(huán)境，克服了面向大面積學(xué)生開設(shè)開放實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)課時等困難。

2 仿真實(shí)驗(yàn)的消極作用

模擬過程還比較僵化。在實(shí)際測量時，多次測量取得的結(jié)果往往有一定的偏差。我們就會鼓勵學(xué)生排查錯誤或回溯誤差來源，就比較有效的培養(yǎng)了學(xué)生解決問題的能力。而在仿真測量實(shí)驗(yàn)中，只要按照實(shí)驗(yàn)過程來操作，同一個實(shí)驗(yàn)重復(fù)做多次得到的結(jié)果都是一致的，忽視了實(shí)驗(yàn)的不確定度。

不能完全的模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在牛頓環(huán)法測量曲率半徑實(shí)驗(yàn)中，我們在顯微鏡中看到的牛頓環(huán)中心會是暗斑或者亮斑，有時會是不規(guī)則環(huán)形。施與牛頓環(huán)裝置不同的壓力，環(huán)紋形狀會相應(yīng)改變。而仿真實(shí)驗(yàn)中看到的始終是標(biāo)準(zhǔn)的牛頓環(huán)圖。諸如此類，學(xué)生會忽視實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的因果關(guān)系。

仿真實(shí)驗(yàn)過于理想化。目前的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)多是理想化的：標(biāo)準(zhǔn)的儀器，正確的方法，理想的環(huán)境，完美的結(jié)果，一切都是無誤差的，即使有偏差也是人為設(shè)置。整個實(shí)驗(yàn)過程就是移動鼠標(biāo)、敲擊鍵盤。而只有親自去操作真實(shí)的儀器，才能在實(shí)踐中提高實(shí)驗(yàn)技能和能力。因此仿真實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和能力、創(chuàng)造發(fā)現(xiàn)的機(jī)會與環(huán)境方面有所欠缺，用仿真實(shí)驗(yàn)替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)不合適。

3 對仿真實(shí)驗(yàn)的期待

綜上所述，大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)雖然有著很多的優(yōu)勢，但并不能帶來視覺、聽覺、觸覺和嗅覺全方位的真實(shí)感受。針對當(dāng)前仿真實(shí)驗(yàn)的不足，我們除了選擇合理的教學(xué)方法提高教學(xué)質(zhì)量外，還應(yīng)完善仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。作為教師，我們對仿真實(shí)驗(yàn)有著以下的期待。

更好地虛擬實(shí)驗(yàn)的不確定性。目前部分仿真實(shí)驗(yàn)也能形成誤差，但相對于真實(shí)實(shí)驗(yàn)中誤差的隨機(jī)性而言，仿真實(shí)驗(yàn)的誤差機(jī)制過于單一。這就要建立在大量實(shí)際實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，找出隨機(jī)誤差的分布規(guī)律，并考慮到一定的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差因素，添加各種隨機(jī)模擬測量程序代碼組合，合理生成數(shù)據(jù)誤差。

進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的仿真性。例如惠斯通電橋?qū)嶒?yàn)，在實(shí)驗(yàn)中我們著重訓(xùn)練學(xué)生的接線故障排除技巧。還要注意螺絲固定、檢查接觸是否良好等基本實(shí)驗(yàn)規(guī)范。但在仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生連接線路只需拖動鼠標(biāo)即可簡單實(shí)現(xiàn)順利接通，根本沒有犯錯的機(jī)會。所以我們認(rèn)為，在仿真實(shí)驗(yàn)中是否可以隨機(jī)設(shè)置出一定的干擾，制造出不合理的測量現(xiàn)象或結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生去分析解決問題。

是否能在仿真系統(tǒng)中建立一個儀器設(shè)備庫。使得這些儀器設(shè)備能實(shí)現(xiàn)跨實(shí)驗(yàn)的完美組合，并且這里面的所有儀器能夠高度模擬真實(shí)儀器的每一個功能和每一塊細(xì)節(jié)。為開放性、探索性實(shí)驗(yàn)提供良好的平臺和交互界面。鼓勵學(xué)生選擇和組織不同的儀器，自主設(shè)計創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項目和實(shí)驗(yàn)方法。

4 結(jié)語

當(dāng)然，無論仿真實(shí)驗(yàn)如何改善，它是不可能替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)的作用和功能的。我們期望真實(shí)實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。通過兩段式乃至三段式教學(xué)，形成一個完整的學(xué)習(xí)鏈，在仿真實(shí)驗(yàn)更優(yōu)化的基礎(chǔ)上，開發(fā)一種高效的教學(xué)模式來適應(yīng)目前的信息化環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1] 李亦寧，姜照林.“仿真物理實(shí)驗(yàn)”得失初探[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2002，16（3）：142-1431.endprint