大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心的發(fā)展對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響與思考

張納+任大慶

摘要：基于網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)已經(jīng)起步，虛擬與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)建新的全方位立體化的教學(xué)模式。隨著高等教育的大眾化，虛擬實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的深入化和普及化成為新的課題。本文主要分析虛擬與真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中心的發(fā)展現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，指出創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)中心是少投入多受益、資源共享的一種全新的辦學(xué)理念，是高校未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)中心；大學(xué)物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）15-0218-02

一、引言

真實(shí)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門(mén)理工科學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的實(shí)踐課。隨著信息時(shí)代的到來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，該課程的原有課堂教學(xué)模式已不能適應(yīng)時(shí)代的要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在高校教學(xué)中悄然興起，它是學(xué)科專(zhuān)業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。2014年3月，教育部首次批準(zhǔn)了100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，其中只有中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)一所院校的物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心獲批。大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心普及化的建設(shè)正在起步，虛擬與真實(shí)（虛、實(shí)）的實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)重大的變革。

二、虛、實(shí)結(jié)合，構(gòu)建全方位立體化的教學(xué)模式

1.實(shí)驗(yàn)室管理（儀器、教務(wù)）數(shù)據(jù)化。虛擬實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教務(wù)、固定資產(chǎn)的管理提供數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化的管理模式。目前，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)上選課系統(tǒng)在大部分高校已經(jīng)普及，學(xué)生可以在網(wǎng)上根據(jù)自己的時(shí)間、興趣預(yù)約所學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上自主選課。教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)、課堂操作、數(shù)據(jù)處理的情況給出成績(jī)，錄入選課系統(tǒng)中。學(xué)生能第一時(shí)間知道成績(jī)，如果其對(duì)成績(jī)有異議，可以網(wǎng)上留言或找教師詢問(wèn)，實(shí)現(xiàn)有問(wèn)題可以及時(shí)解決，讓師生之間的溝通更及時(shí)、暢通。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)化管理，可以面向社會(huì)共享資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)資源利用率的最大化。

2.師資隊(duì)伍多元化。大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心與實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是并行發(fā)展、相互促進(jìn)的關(guān)系。虛擬實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)除了需要物理專(zhuān)業(yè)教師、教務(wù)管理人員，還需要計(jì)算機(jī)技術(shù)人員、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員等。師資隊(duì)伍的組成向多元化發(fā)展，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心要同時(shí)進(jìn)行虛、實(shí)實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)、發(fā)展與維護(hù)，使兩者相互融合，更好地為教學(xué)服務(wù)。

3.時(shí)空間延展跨越校園。隨著網(wǎng)絡(luò)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，基于網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心的建立使得校園的圍墻不復(fù)存在。虛擬實(shí)驗(yàn)中心不受地域、人員、儀器、設(shè)備、時(shí)間的限制，如果24小時(shí)運(yùn)行，訪問(wèn)者可以全天候地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)中心學(xué)習(xí)、交流，尤其是對(duì)教育發(fā)展較落后地區(qū)的人員來(lái)說(shuō)可以身臨其境地開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。虛擬實(shí)驗(yàn)中心的建立能實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化，體現(xiàn)教育面向大眾的教育理念。

4.教學(xué)模式多樣化。物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是中心建設(shè)的重要組成部分，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真或模擬現(xiàn)實(shí)中的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)者有身臨其境的感覺(jué)，突破原有的教師現(xiàn)場(chǎng)講實(shí)驗(yàn)、學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的單一教學(xué)模式。學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上模擬完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，會(huì)給出提示，讓學(xué)生進(jìn)行修改，當(dāng)正確時(shí)可以進(jìn)行下一步。學(xué)生在虛擬的未知環(huán)境中探索，無(wú)須擔(dān)心誤操作，損壞儀器，使其好奇心可以得到充分滿足。虛、實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合使學(xué)生在課堂外有機(jī)會(huì)模擬實(shí)驗(yàn)儀器操作，有充分的時(shí)間消化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而且課堂內(nèi)也可以獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)操作，解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以完善真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中預(yù)習(xí)、測(cè)試的薄弱環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中完成并給出相應(yīng)成績(jī)，是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充。

三、大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心發(fā)展存在的問(wèn)題及思考

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)最早可以追溯到1996年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出版了《大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)》DOS版本，同年創(chuàng)建了國(guó)內(nèi)第一個(gè)仿真虛擬物理實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，該套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括近60個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并且開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)版軟件，基于網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心已初具規(guī)模。該系統(tǒng)已在20多所高校使用，并取得較好的教學(xué)效果。同時(shí)，全國(guó)多媒體課件大賽的成果為虛擬實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)提供非常好的素材。虛擬實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)不是一蹴而就的，它需要一代甚至幾代人的建設(shè)與完善，才能構(gòu)筑出信息高速公路上暢通運(yùn)行的大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心。

1.師資結(jié)構(gòu)要符合虛、實(shí)實(shí)驗(yàn)中心的發(fā)展要求。大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。以中科大物理類(lèi)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例，它主要依托物理學(xué)院、計(jì)算機(jī)學(xué)院、核科學(xué)技術(shù)學(xué)院、信息學(xué)院等相關(guān)學(xué)科的科研力量和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，在國(guó)家級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上而組建的。由此可見(jiàn)，如果實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心的普及化，構(gòu)建一支穩(wěn)定的多元化師資隊(duì)伍勢(shì)在必行，可以打破傳統(tǒng)的以學(xué)院為編制的人員建設(shè)，組建大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)團(tuán)隊(duì)，最大限度地完成技術(shù)、資源、人才、時(shí)間的有效利用。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的制作要以增加學(xué)生的主動(dòng)性為目的。現(xiàn)階段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)模式為主，給定實(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生必須按照給定的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，這限制了學(xué)生獨(dú)立思考的空間。在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)比較薄弱，有的學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)做錯(cuò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)還渾然不知。因此，在未來(lái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)制作中，應(yīng)設(shè)立儀器庫(kù)，使每個(gè)儀器可以獨(dú)立操作，也可以組合使用，讓學(xué)生可以自己組裝實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的儀器。這樣制作的優(yōu)點(diǎn)是教師可以通過(guò)學(xué)生選取的儀器，了解其對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的掌握程度。該設(shè)計(jì)方案可以為學(xué)生完成研究性、設(shè)計(jì)性及探索性實(shí)驗(yàn)提供自由發(fā)揮的平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生選擇和組織不同儀器，自主開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和方法，在虛擬實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證后可以在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，這有利于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力，培養(yǎng)其發(fā)散思維能力，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，把“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要最大限度地靠近真實(shí)實(shí)驗(yàn)。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)操作較為直接化。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作中，以牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)前學(xué)生要在光下把中央零級(jí)干涉條紋調(diào)到牛頓環(huán)的中央，如果缺省該步驟，學(xué)生將找不到干涉條紋或中央零級(jí)干涉條紋。而仿真實(shí)驗(yàn)則可以直接放上牛頓環(huán)，調(diào)好顯微鏡就能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)操作直接化。在虛擬實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)中，應(yīng)加入實(shí)驗(yàn)前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，如簽到、清點(diǎn)儀器、查看各儀器、設(shè)備是否完好、調(diào)試儀器初始狀態(tài)、整理儀器等，這是因?yàn)閲?yán)謹(jǐn)、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)態(tài)度是從一點(diǎn)一滴的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣中培養(yǎng)出來(lái)的。仿真實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)驗(yàn)突發(fā)事件處理的教學(xué)過(guò)程。如惠斯通電橋測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生連接電路全部正確，但電路仍然是斷路，這就需要學(xué)生使用萬(wàn)用表檢查電路，查找電路斷開(kāi)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)電路斷開(kāi)原因，如導(dǎo)線斷開(kāi)、電鍵接觸不良、檢流計(jì)電量不足等。在教學(xué)中，學(xué)生遇到困難想辦法解決問(wèn)題的處理過(guò)程，是他們獨(dú)立思考、活學(xué)活用知識(shí)的展示，他們能在摸索的過(guò)程中得到鍛煉，這是常規(guī)課堂式教學(xué)和現(xiàn)階段仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)所不能比擬的。endprint

4.計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷更新，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，做到“所見(jiàn)即所得”是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的終極目標(biāo)。很多虛擬技術(shù)可以制作虛擬實(shí)驗(yàn)，如FLASH、Authorware等，但這類(lèi)技術(shù)制作出的文件過(guò)大，交互性差，不適于網(wǎng)上瀏覽。目前，VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言，是一種用于建立真實(shí)世界的場(chǎng)景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場(chǎng)景建模語(yǔ)言，具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，是目前Internet上基于WWW的三維互動(dòng)網(wǎng)站制作的主流語(yǔ)言。用VRML語(yǔ)言制作虛擬模型有兩種方法：一是編寫(xiě)源代碼，生成文本文件，再轉(zhuǎn)化生成以.wrl為擴(kuò)展名的網(wǎng)頁(yè)文件。此方法的缺點(diǎn)是源代碼過(guò)于復(fù)雜，文件較大，不易掌握。二是通過(guò)輔助建模軟件，如3DStudioMax、Pro/ENGINEER、Solidworks等三維設(shè)計(jì)軟件，先建三維物體，再在虛擬世界中組合。采用這種技術(shù)開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)中心是3D界面，能夠模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)儀器，能夠讓用戶有身臨其境的感覺(jué)，提供復(fù)雜的交互功能完成實(shí)驗(yàn)的要求，同時(shí)開(kāi)發(fā)難度小，易于實(shí)現(xiàn)。

5.摸索虛、實(shí)實(shí)驗(yàn)中心可持續(xù)發(fā)展途徑。虛擬實(shí)驗(yàn)中心是一項(xiàng)龐大的建設(shè)工程，如何將虛擬實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)快速普及化、共享化是現(xiàn)階段的重要課題。太原理工大學(xué)大學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)值得借鑒，該校與科大奧銳公司建立長(zhǎng)期的合作共建模式。該公司源于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)人工智能與計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)，研發(fā)了第一套虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件《大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)》。太原理工大學(xué)與科大奧銳公司共建合作，公司承擔(dān)平臺(tái)的維護(hù)和升級(jí)，協(xié)助中心進(jìn)行教師信息化教學(xué)應(yīng)用能力的培訓(xùn)，大學(xué)則出資共同開(kāi)發(fā)新的仿真實(shí)驗(yàn)資源。校企結(jié)合將知識(shí)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的周期縮短，而且可以提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的高仿真度。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著高等教育的大眾化，創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)中心是少投入多產(chǎn)出、資源共享的一種全新的辦學(xué)理念，是高校未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。虛、實(shí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)為教學(xué)隊(duì)伍和管理機(jī)制帶來(lái)新的格局，而且隨著建設(shè)的不斷深入，將促進(jìn)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視和研究，提升教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的“自主學(xué)習(xí)”能力。網(wǎng)絡(luò)化的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心，這個(gè)沒(méi)有圍墻的實(shí)驗(yàn)室將更好地為社會(huì)服務(wù)，為全民族乃至全世界人民探索物理知識(shí)開(kāi)辟服務(wù)平臺(tái)。

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