虛擬物理實驗平臺建設(shè)的探索與實踐

曲　彬，關(guān)世杰

(沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順　113122)

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*通訊聯(lián)系人

虛擬物理實驗平臺建設(shè)的探索與實踐

曲彬，關(guān)世杰

(沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順113122)

摘 要：重點闡述了虛擬物理實驗平臺建設(shè)的主要內(nèi)容，并對虛擬物理實驗平臺與傳統(tǒng)實驗進行比較，總結(jié)了虛擬實驗平臺的優(yōu)勢，最后對虛擬實驗平臺的教學(xué)模式進行了研究和探討。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗平臺；虛擬現(xiàn)實；在線教育

高等學(xué)校所開設(shè)課程中的實驗課程與實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力最有效、最快捷的途徑，大學(xué)物理實驗課程教學(xué)則是高等字院校開設(shè)的公共基礎(chǔ)課程，它是物理及后續(xù)相關(guān)課程教學(xué)的基礎(chǔ)和前提。加大物理實驗室建設(shè)力度、促進物理實驗教學(xué)改革，完善物理實驗室管理制度，優(yōu)化實驗室資源配置，提高高校辦學(xué)質(zhì)量和科研水平，是當(dāng)代物理教學(xué)所面臨的重要工作。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，一種新型的網(wǎng)絡(luò)平臺——虛擬物理實驗平臺逐漸受到人們的熱切關(guān)注[1-3]。新實驗平臺的使用不僅能提高物理實驗的準(zhǔn)確度，還能提高任課教師的實驗教學(xué)效果，推動教學(xué)改革與創(chuàng)新。所以在這樣的信息化水平下去研究與開發(fā)虛擬實驗平臺，對于開展物理實驗課程教學(xué)改革、提高教學(xué)水平與效果具有非常重要的意義。

1傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的不足

隨著國家對教育部門的投入逐漸增長，高校教學(xué)改革的得到了進一步深化，物理實驗室教學(xué)軟件建設(shè)和硬件設(shè)備條件都有大程度的改善，基礎(chǔ)設(shè)施的改變?yōu)閷W(xué)校教學(xué)工作帶來了一定的發(fā)展機遇。但傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)在發(fā)展過程中體現(xiàn)出了弊端[4]:

(1)時間、地點的約束。傳統(tǒng)物理實驗無論何種類型，它們都要求在固定的實驗室中進行，使用相關(guān)實驗設(shè)置，否則無法上課。

(2)實驗教學(xué)項目知識陳舊，教學(xué)手段落后。傳統(tǒng)實驗一般采取灌輸方式的課堂教學(xué)，學(xué)生只能被動聽老師講課，不利于發(fā)揮學(xué)生的自學(xué)、創(chuàng)新能力，實驗不能達到預(yù)期的教學(xué)效果。

(3)實驗儀器陳舊，數(shù)量不足。一般高校物理實驗室儀器設(shè)備數(shù)量少、設(shè)備陳舊并且易損壞，維修周期較長，以上種種原因給正常開展實驗教學(xué)設(shè)置了多重障礙，影響學(xué)生實踐動手能力的培養(yǎng)。

(4)實驗室數(shù)量不足。物理實驗室一般要求空間較大，所以需要使用大實驗室做物理實驗室，教室不足是高等院校的普遍問題，使物理實驗開課人數(shù)受到制約。

2虛擬物理實驗平臺建設(shè)的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于物理實驗教學(xué)，使實驗教學(xué)方法更加靈活有趣，能夠充分調(diào)動學(xué)生的熱情和積極性，使他們主動參加實驗教學(xué)的各個過程，同時節(jié)約了教學(xué)資源的投入。與傳統(tǒng)的實物實驗室相比，虛擬物理實驗平臺具有以下優(yōu)勢[5-6]:

(1)儀器、儀表設(shè)備齊全，其功能參數(shù)可隨意設(shè)定，做多種實驗。

(2)實驗沒有耗材，實驗所需儀器的數(shù)量、型號不限制，不消耗，不損壞，實驗成本低。

(3)引入信息化教學(xué)手段，可以在一種輕松愉快、生動活潑的氛圍中教學(xué)，實驗結(jié)果更直觀，學(xué)生自學(xué)容易。

(4)分析測試結(jié)果容易，可以直接打印出實驗數(shù)據(jù)、原理、測試曲線圖等。

(5)實驗效率高、速度快，容易開設(shè)新的綜合性或設(shè)計性實驗，提高學(xué)生實踐能力。學(xué)生作品制作成功會給他們帶來成就感，增加學(xué)生做實驗的興趣，促進其更深入的學(xué)習(xí)。

3虛擬物理實驗平臺建設(shè)內(nèi)容

建立面向高等院校的虛擬實驗平臺的目的是輔助、提升和改革傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)模式。虛擬物理實驗平臺集豐富的設(shè)備儀器、嶄新的教學(xué)方法、教師科學(xué)的管理與輔導(dǎo)和學(xué)生的靈活實驗操作于一體，其開設(shè)的虛擬實驗項目教學(xué)部分是系統(tǒng)的主要功能，具體建設(shè)內(nèi)容如下：

(1)教師管理功能模塊:教師實驗前可以錄入實驗題目、內(nèi)容、所需儀器設(shè)備等，在學(xué)生根據(jù)所學(xué)進度完成教師安排的實驗后，教師可對學(xué)生的實驗過程、實驗結(jié)果及實驗報告進行評閱和成績評定等。

學(xué)生實驗功能模塊:學(xué)生登錄虛擬實驗平臺后，在實驗項目列表中選擇自己的實驗項目，按步驟完成實驗，得出實驗結(jié)果，書寫實驗報告。如果在實驗過程中出現(xiàn)問題，可以在線向指導(dǎo)老師提問，實時交流。最后，老師批閱后，可以查看實驗成績。

(3)輔助教學(xué)功能:提供多種在線交流方式便于學(xué)生之間的合作與溝通，關(guān)鍵步驟提供實驗提示與幫助功能，動畫生動、形象，增添學(xué)生實驗樂趣，激發(fā)學(xué)生實驗的積極性、主動性。

4虛擬物理實驗平臺的教學(xué)模式

虛擬物理實驗平臺可以模擬實驗過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，為我們提供真實、直觀的形象與場景，具有逼真的實驗效果。利用虛擬技術(shù)將實驗設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容(包括理論教學(xué))、教師實驗指導(dǎo)和實驗人員注意事項及思考、實驗操作有的機融合為一體，形成一部三維、可操作的“3D物理實驗教材”[7]。以使用彈簧演示縱波實驗時，由于彈簧結(jié)構(gòu)的疏密無法調(diào)到最佳疏密狀態(tài)，因而學(xué)生會對這一問題產(chǎn)生懷疑觀點。而在虛擬物理實驗平臺上，利用靜態(tài)和動態(tài)、運動和定格就能輕易的把彈簧上每一點的振動效果以及各個位置間的疏密結(jié)構(gòu)清晰的展現(xiàn)出來。使學(xué)生不僅對物理實驗項目的儀器結(jié)構(gòu)、原理及實驗方法的撐握程度達到傳統(tǒng)實驗達不到的現(xiàn)實效果，并且能夠充分提高學(xué)生的動手能力，達到學(xué)習(xí)實驗操作技能，深化理解物理知識的目的，增強學(xué)生對物理實驗的學(xué)習(xí)興趣，提高教師教學(xué)水平。

5結(jié)束語

構(gòu)建虛擬物理實驗平臺是解決目前物理教學(xué)資源緊張、擺脫傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)弊端的一種有效方法，也是物理實驗教學(xué)的一個新的嘗試，需要一斷時間的應(yīng)用和完善的過程。我們只要充分挖掘虛擬物理實驗平臺在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用潛力，把培養(yǎng)學(xué)生撐握基礎(chǔ)理念知識和實踐能力為出發(fā)點，突出教學(xué)改革創(chuàng)新，注重提高學(xué)生創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，形成一個多樣化、專業(yè)化的新型實驗教學(xué)工具，必將推動物理教育領(lǐng)域的信息化水平發(fā)展進程，為培高素質(zhì)人才做出突出的貢獻。

參考文獻：

[1]王良，劉東峰.三維虛擬物理實驗仿真平臺的界面設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2014，24(9):238-240.

[2]王淑娟.利用計算機虛擬技術(shù)創(chuàng)建中學(xué)物理虛擬實驗室平臺[J].電子測試，2014 (3):128-129.

[3]呂正.虛擬仿真實驗在實驗中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗，2010(4)：59-62.

[4]裴文彥，寧鋅，顏莉，等.新形勢下大學(xué)物理實驗面臨的問題與對策[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版，2005，5(B09):305-307.

[5]黃慕雄.高校教學(xué)型虛擬實驗室建設(shè)的現(xiàn)狀與建議[J].電化教育研究，2005，9:77-80.

[6]何光宏，陶純臣.虛擬現(xiàn)實、虛擬儀器及其對大學(xué)物理實驗建設(shè)的影響[J].大學(xué)物理實驗，2003(2)：17-21.

[7]洪煒寧，錢良存，劉家菊，等.基于網(wǎng)絡(luò)平臺的物理實驗多維教學(xué)模式研究與實踐[J].赤峰學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2015，31(15):219-221.

Exploration and Practice on the Construction of Virtual Physics Experiment Platform

QU Bin,GUAN Shi-jie

(Shenyang Institute of technology,Liaoning Fushun 113122)

Key words：virtual experiment platform；virtual reality；online education

Abstract：It expounds the main contents of the virtual physical experiment platform construction,and it is compared with virtual physics experimental platform and the traditional experiments,it summed up the advantages of virtual experiment platform,finally the teaching mode of virtual experiment platform is researched and explored.

收稿日期：2015-12-23

基金項目：遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究(UPRP20140992)；遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃立項課題(JG15DB303)

文章編號：1007-2934(2016)03-0141-02

中圖分類號：G 642

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.038