教育改革形勢(shì)下高校物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)研究*

徐桂媚，李 鋒，沈洪濤，王力虎，潘福東，胡君輝，梁維剛

( 廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

教育改革形勢(shì)下高校物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)研究*

徐桂媚，李 鋒，沈洪濤?，王力虎，潘福東，胡君輝，梁維剛

( 廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

在教育改革不斷信息化發(fā)展的形勢(shì)下，結(jié)合當(dāng)前高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外高校物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)現(xiàn)狀及高校物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念與原則，以廣西師范大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心體系建設(shè)為例，進(jìn)行了高校物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)研究。在此基礎(chǔ)上，提出了三點(diǎn)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)可持續(xù)發(fā)展的建議。

教育改革；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；物理

1 引言

2015年4月24日至28日，由中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室管理工作分會(huì)舉行的高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與發(fā)展研討會(huì)在南寧召開(kāi)，會(huì)議重點(diǎn)討論了“國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)放共享”、“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)踐”等內(nèi)容。此外，部分與會(huì)教師分析了高校物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的儀器設(shè)備具有硬件設(shè)備價(jià)格昂貴、占用大量實(shí)驗(yàn)室空間、不易維護(hù)、而且一旦設(shè)計(jì)成型，很難進(jìn)行修改和模塊的擴(kuò)充、不利于升級(jí)換代等特點(diǎn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)被搬上了物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)平臺(tái)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)以中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)、北京師范大學(xué)、西南大學(xué)、廣西師范大學(xué)等許多高校都根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求建立了物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，其中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)是我國(guó)首批100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心之一。物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)還存在一些有待改進(jìn)的問(wèn)題，廣西師范大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)現(xiàn)狀可以側(cè)面反映出目前高校物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)存在幾個(gè)典型問(wèn)題。第一，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展在一定程度上受到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的局限，未能充分發(fā)揮效益，具體表現(xiàn)為物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)中心體系構(gòu)建僅僅存在大的構(gòu)架，體系不完善且缺乏信息更新，體系中的某些環(huán)節(jié)甚至無(wú)法正常運(yùn)行；第二，物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心資源開(kāi)發(fā)投入不夠，目前的應(yīng)用實(shí)例中A類(lèi)實(shí)驗(yàn)和B類(lèi)實(shí)驗(yàn)體系相對(duì)完整，但近代物理實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)發(fā)還有很大的空間；第三，已有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大多數(shù)都是運(yùn)用Flash 動(dòng)畫(huà)軟件制作模擬實(shí)驗(yàn)等，盡管在一定程度上實(shí)現(xiàn)了資源共享和學(xué)生自主學(xué)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)，交互性依然不夠強(qiáng)且不能實(shí)時(shí)地反饋信息，無(wú)法完成鍛煉學(xué)生能力的要求。因此，如何保證物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心體系構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展是我們面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，開(kāi)展高校物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)研究是迎接挑戰(zhàn)的必經(jīng)之路。

2 教育改革形勢(shì)下物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)研究

2.1 廣西師范大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)資源概況

教育改革形勢(shì)下物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)遵循的理念是以學(xué)生為本，以能力培養(yǎng)為核心，以創(chuàng)新教育為目標(biāo)，并充分體現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)一般要求有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理和共享平臺(tái)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理隊(duì)伍和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的管理體系等結(jié)構(gòu)。[1]廣西師范大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)中心堅(jiān)持“以人為本、分類(lèi)建設(shè)、多元參與、循環(huán)促進(jìn)”的方針，重視先進(jìn)教育理念和科學(xué)引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的方向，建設(shè)了“三層一輔助”的分層式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。三層次教學(xué)體系根據(jù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)規(guī)律，從知識(shí)結(jié)構(gòu)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新教育等特點(diǎn)出發(fā)，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)的傳統(tǒng)觀(guān)念，將四年本科教學(xué)中各門(mén)物理實(shí)驗(yàn)課作為一個(gè)整體考慮，以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為主線(xiàn)，打破傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)四部分的界限，打通傳統(tǒng)“本系科實(shí)驗(yàn)”和“外系科實(shí)驗(yàn)”體系隔核，打破普物實(shí)驗(yàn)與近物實(shí)驗(yàn)的界限以及近代物理實(shí)驗(yàn)與專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)的界限，將各門(mén)課程進(jìn)行重組與融合；建立由基礎(chǔ)到前沿、由接受知識(shí)型到培養(yǎng)綜合能力型的逐步提高的“基礎(chǔ)型——綜合型——綜合設(shè)計(jì)型” 三大層次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系，基礎(chǔ)教學(xué)、專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練和科學(xué)前沿每個(gè)模塊都開(kāi)發(fā)了部分虛擬仿真教學(xué)資源。

圖1 教學(xué)體系

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

2.2 廣西師范大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)中心教學(xué)資源應(yīng)用實(shí)例

2.2.1加速離子源實(shí)驗(yàn)

帶電粒子在外力的作用下會(huì)加速并且提高能量，利用電場(chǎng)推動(dòng)帶電粒子使之得以加速并提高能量的裝置稱(chēng)為粒子加速器，其實(shí)物結(jié)構(gòu)一般包括用以提供所需加速粒子的系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、導(dǎo)引和聚焦系統(tǒng)等3個(gè)主要部分。[2]廣西師范大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)中心建設(shè)了3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，加速器質(zhì)譜儀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)儀器的構(gòu)造、運(yùn)行原理進(jìn)行剖析，建立逼真形象的三維模型，可以從各個(gè)角度展示加速器譜儀的各個(gè)部件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，質(zhì)譜儀的測(cè)量原理則可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)形式展現(xiàn)，讓學(xué)生熟悉加速器質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)、各部件工作原理，并能對(duì)重要部件進(jìn)行拆卸、組裝和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)還配合有相應(yīng)的語(yǔ)音文字說(shuō)明，全方位的讓學(xué)生掌握加速器質(zhì)譜儀的組成、工作原理和基本應(yīng)用。該虛擬仿真系統(tǒng)既可以通過(guò)三維大屏幕在中心機(jī)房3D顯示，配合手套傳感器可以對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。利于學(xué)生重復(fù)實(shí)驗(yàn)，提升了學(xué)生對(duì)前沿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的認(rèn)知水平并培養(yǎng)了學(xué)生科研創(chuàng)新的能力。

圖3 加速器質(zhì)譜儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2.2電感耦合等離子體(ICP)質(zhì)譜儀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

ICP質(zhì)譜儀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)儀器的構(gòu)造、運(yùn)行原理進(jìn)行剖析，建立逼真形象的三維模型，可以從各個(gè)角度展示加速器譜儀的各個(gè)部件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，質(zhì)譜儀的測(cè)量原理則可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)形式展現(xiàn)，讓學(xué)生熟悉加速器質(zhì)譜儀的基本結(jié)構(gòu)、各部件工作原理，并能對(duì)重要部件進(jìn)行拆卸、組裝和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)還配合有相應(yīng)的語(yǔ)音文字說(shuō)明，通過(guò)中心資源平臺(tái)共享給學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，全方位的讓學(xué)生掌握電感耦合等離子體(ICP)質(zhì)譜儀的組成、工作原理和基本應(yīng)用。

圖4 ICP譜儀虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2.3天體物理仿真

恒星、行星、衛(wèi)星的形成,太陽(yáng)系的起源和演化,銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)以及河外星系、星系團(tuán)的形成和演變等一系列過(guò)程,都是天文學(xué)中的重大研究課題，[3]仿真模擬這些過(guò)程對(duì)學(xué)生的了解、學(xué)習(xí)星系的形成就顯得格外重要。模擬能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的宇宙大爆炸過(guò)程，太陽(yáng)系、恒星、行星的形成和演化過(guò)程，質(zhì)子、氫原子的形成及其通過(guò)核聚變產(chǎn)生其它質(zhì)量數(shù)大的原子等過(guò)程。下面圖片展示的是彗星碰撞地球后，炸裂為碎粒（注：圖5右邊橢圓圈內(nèi)為彗星碎粒），然后在引力作用下慢慢聚合形成繞地球公轉(zhuǎn)的月球。

圖5 月球形成過(guò)程

3 教育改革形勢(shì)下物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)可持續(xù)發(fā)展建議

首先，物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)方面，要敢于突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，根據(jù)自己所在高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)和生源素質(zhì)，構(gòu)建出預(yù)備實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)四個(gè)層次的物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系以及開(kāi)放式教學(xué)模式，積極采取有計(jì)劃的培訓(xùn)措施、開(kāi)發(fā)新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。具體措施有：（1）教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員要把教學(xué)、科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)實(shí)驗(yàn)，研發(fā)出一批有特色的物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；（2）形成一支專(zhuān)業(yè)水平高、學(xué)歷層次高、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、結(jié)構(gòu)合理、相對(duì)穩(wěn)定的師資隊(duì)伍，為中心的可持續(xù)發(fā)展提供可靠的人力資源；（3）各高校物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)發(fā)管理的主要負(fù)責(zé)人可以把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生學(xué)習(xí)的研究性項(xiàng)目，讓學(xué)有余力且對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)發(fā)有興趣的學(xué)生建立興趣小組，自主學(xué)習(xí)Flash、3DS MAX或者3DS MAX—Flash組合動(dòng)畫(huà)等軟件，并實(shí)行小組招新制度，讓高年級(jí)學(xué)生帶領(lǐng)低年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)，避免出現(xiàn)個(gè)人因素導(dǎo)致虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)發(fā)出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，此方式既能豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的人力資源又可以鍛煉學(xué)生的對(duì)現(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用和科研能力；（4）適當(dāng)采取校企合作形式，學(xué)習(xí)企業(yè)完備的虛擬仿真技術(shù)，另外，此方式不僅可以為學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)和競(jìng)賽機(jī)會(huì)，也為校企人才錄用協(xié)議奠定基礎(chǔ)。

其次，物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)管理與共享平臺(tái)方面，高校應(yīng)建立并及時(shí)更新物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，拓寬物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間和教學(xué)手段。將演示型、綜合性、設(shè)計(jì)型和研究型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，特別是近代物理實(shí)驗(yàn)中涉及高放射等危險(xiǎn)性和破環(huán)性的實(shí)驗(yàn)拓展到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，此網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)具有用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)、注冊(cè)及權(quán)限管理，實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)置、增加（或刪減）管理，實(shí)驗(yàn)器材庫(kù)管理，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果考核和分析評(píng)價(jià)等功能，給實(shí)驗(yàn)者提供一個(gè)包含虛擬仿真實(shí)驗(yàn)器材、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)反饋評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與資源管理的逼真環(huán)境。實(shí)驗(yàn)者通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)來(lái)操作虛擬仿真化的實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果、相關(guān)數(shù)據(jù)及改變相關(guān)參數(shù)之后的相應(yīng)現(xiàn)象將通過(guò)多媒體技術(shù)反饋給實(shí)驗(yàn)者。在物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)相對(duì)完善的提前下，通過(guò)自由選課，并對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果做階段性檢測(cè)，當(dāng)全校各專(zhuān)業(yè)的學(xué)生都有機(jī)會(huì)共享中心實(shí)驗(yàn)課程之后，確立進(jìn)一步目標(biāo)——支持遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)高校和省內(nèi)高校的在線(xiàn)資源共享，從而拓展收益面。

最后，關(guān)注國(guó)家教育改革形勢(shì)動(dòng)態(tài)，堅(jiān)持“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則組建物理實(shí)驗(yàn)虛擬仿真中心，對(duì)于傳統(tǒng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該以現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)為主；對(duì)于高危，高成本，不可逆性實(shí)驗(yàn)，可采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｓ纱耍迅咝Ｎ锢韺?shí)驗(yàn)虛擬仿真教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)研究成果上升為國(guó)家教育改革戰(zhàn)略。隨著物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的不斷完善和發(fā)展，逐步擴(kuò)大受益人群和受益范圍，高校可以考慮將部分實(shí)驗(yàn)資源從“無(wú)償使用”轉(zhuǎn)化為“有償服務(wù)”，為系統(tǒng)的維護(hù)升級(jí)、可持續(xù)發(fā)展提供更多的資金保障。國(guó)家也應(yīng)該進(jìn)一步增大實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)職教師的培養(yǎng)力度，為實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)職教師提供更多、更好的培訓(xùn)機(jī)會(huì)。

[1] 李平. 國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)放共享：高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)與發(fā)展研討會(huì)文集[C]. 2015年4月24日-28日·南寧

[2] 百度百科[EB/OL]（2016-01-11）[2016-01-11] http://baike.so.com/doc/5335128-5570566.html

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TP391.9

：A

：1003-7551(2016)02-0025-04

2016-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11265005，11565008)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014GXNSFCA118018)；廣西自治區(qū)高教教學(xué)改革工程項(xiàng)目(2013JGB117)；廣西高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（KY2015ZD015）；廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(KY2016YB060)；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目

? 通訊作者：shenht@gxnu.edu.cn