虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實驗教學(xué)的影響

郭曉春

摘 要 大學(xué)物理實驗課程是高校理工科學(xué)生的一門通識必修基礎(chǔ)課程，是學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必需環(huán)節(jié)。隨著信息化教育改革的推進(jìn)，虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)方式相融合，構(gòu)建立體化教學(xué)新模式，勢必會在教學(xué)中取得顯著效果，對大學(xué)物理實驗的教學(xué)改革產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 大學(xué)物理實驗 教學(xué)改革

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.01.055

Influence of Virtual Simulation Technology on the Teaching of

College Physics Experiment

GUO Xiaochun

（National Police University of China， Shenyang， Liaoning110854）

Abstract The college physics experiment course is a basic course for students of science and engineering ins universities， which is also a necessary link in the cultivation of students' practical ability and innovative ability. With the advancement of information technology education reform， virtual simulation technology and the traditional university physics experiment teaching mode integrate with each other to construct a new model of three-dimensional teaching， which will have a significant effect on teaching， as well as a profound influence on the college physics experiment teaching reform.

Keywords virtual simulation； college physics experiment； teaching reform

0 引言

大學(xué)物理實驗課一般在一、二年級學(xué)生中開設(shè)，著力培養(yǎng)學(xué)生的理論分析能力、動手實踐能力和創(chuàng)新能力，是學(xué)生系統(tǒng)接受實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端，為學(xué)生之后的專業(yè)實驗課打基礎(chǔ)，因此作用和地位極其重要。然而在實驗教學(xué)過程中，由于教學(xué)條件和一些客觀原因的限制，實驗教學(xué)效果并不理想，致使傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)方式的弊端逐漸突顯。教育信息化是高等學(xué)校促進(jìn)教學(xué)改革和提升教學(xué)質(zhì)量的重要舉措，虛擬仿真技術(shù)為代表的教育信息化手段迅速發(fā)展，為大學(xué)物理實驗教學(xué)開辟了一條新的路徑。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理實驗教學(xué)，必將極大地改善教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。①

1 傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及困難

1.1 實驗教學(xué)模式單一

傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)方式，學(xué)生完成一個實驗題目的學(xué)習(xí)任務(wù)都要經(jīng)歷實驗預(yù)習(xí)、課上操作、數(shù)據(jù)處理、撰寫報告這一流程。課前，教師要求學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)并撰寫預(yù)習(xí)報告。實驗預(yù)習(xí)是整個實驗環(huán)節(jié)的起點，也是重中之重。然而實際中，在課前預(yù)習(xí)時沒有實驗儀器作為參照，面對教材中抽象、枯燥的原理講述，大部分學(xué)生出現(xiàn)了畏難情緒，直接體現(xiàn)就是實驗預(yù)習(xí)敷衍了事，在預(yù)習(xí)報告中機械性地照搬照抄教材，充當(dāng)“復(fù)印機”的角色，并沒有去深刻地了解、探究實驗的原理和過程，導(dǎo)致在實驗的一開始就留有隱患。課上，教師講解和演示實驗的操作，學(xué)生只是復(fù)制教師的操作過程完成實驗任務(wù)。這種傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，使學(xué)生處于被動的地位，即使完成了實驗也是不知其所以然，更別提對實驗更深層次的思考、探索和創(chuàng)新了。課后，處理數(shù)據(jù)和撰寫實驗報告，學(xué)生更是敷衍了事，甚至相互抄襲，其數(shù)據(jù)處理的計算過程和結(jié)果經(jīng)不起實踐的檢驗。

1.2 學(xué)生消極對待物理實驗

在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于基礎(chǔ)課程的重視程度明顯低于專業(yè)課程。一堂完整的實驗課通常是3個學(xué)時，在這短暫的3個學(xué)時中，教師要講解實驗的操作并演示，學(xué)生要熟悉儀器和完成實驗操作，學(xué)生很難再有時間去分析和獨立思考，更談不上去設(shè)計實驗，這無疑使教學(xué)效果大打折扣。不少學(xué)生在實驗課上就是走一個過場，實驗課上并不認(rèn)真聽講，實驗中胡亂操作，得到的實驗結(jié)論與理論值相差較大，甚至造成儀器損壞。在實際的教學(xué)中，我們也探索選擇每個班級較為優(yōu)秀的學(xué)生來充當(dāng)教師的角色，先給這部分學(xué)生詳細(xì)講解實驗的原理和操作，再由他們用課余時間給班級的其他學(xué)生講解，學(xué)生之間相互交流溝通較為便利，這樣的教學(xué)模式也取得了一定的效果，但是由于學(xué)生相互講解時沒有實驗儀器作為參照，同樣也很難調(diào)動學(xué)生們的積極性。

1.3 實驗成績評定難以把握

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，教師評定成績的時候通常依照學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、數(shù)據(jù)處理的綜合情況來考量，每部分各占一定的分值。但是在實際的執(zhí)行過程中，由于學(xué)生人數(shù)多、師資力量有限、教師教學(xué)任務(wù)繁重等諸多原因，教師對學(xué)生實驗成績的判定主要憑借實驗報告和學(xué)生表現(xiàn)，主觀性強，并不能客觀充分地反映出不同學(xué)生實驗?zāi)芰Φ牟町悺＂?/p>

1.4 理論滯后實驗

大學(xué)物理實驗課與大學(xué)物理課程同步開設(shè)，但是上課時間受到實驗室場地、實驗儀器、實驗教師安排、學(xué)生安排等多種因素的影響，時常會導(dǎo)致實驗所涉及的理論知識學(xué)生在課前并未接觸，而實驗教師又不能利用有限的實驗課時去深入講解理論支撐。③

1.5 教學(xué)狀態(tài)封閉

目前，部分學(xué)校的實驗課都是由學(xué)校教務(wù)部門按照教學(xué)計劃統(tǒng)一安排，受實驗人員有限，實驗儀器需要前期準(zhǔn)備和后期維護(hù)等因素的影響，學(xué)生很難在課前預(yù)習(xí)實驗和課程結(jié)束后進(jìn)入實驗室自主學(xué)習(xí)。

2 大學(xué)物理虛擬仿真實驗的優(yōu)勢與不足

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality technology）④⑤是運用計算機仿真技術(shù)，在使用者眼前營造一個虛擬環(huán)境，并且可以真實反映操作對象的變化。

2.1 虛擬仿真實驗教學(xué)是教育信息化的新模式

虛擬仿真實驗教學(xué)，是信息時代高等教育變革的必然產(chǎn)物，為學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)、進(jìn)行創(chuàng)新實踐訓(xùn)練提供了先進(jìn)手段和優(yōu)質(zhì)平臺。⑥

物理虛擬仿真實驗并不復(fù)雜，也不高深。就是把現(xiàn)有的實驗原理、過程及相關(guān)儀器設(shè)備性能進(jìn)行整合，形成文字、圖像、音像資料掛在網(wǎng)上，供學(xué)生預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)，使他們對實驗總體情況有個客觀把握。或?qū)δ硞€具體細(xì)節(jié)（包括具體操作步驟、現(xiàn)象）進(jìn)行學(xué)習(xí)、理解，為實際操作打下一個良好基礎(chǔ)。虛擬仿真實驗可實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，⑦學(xué)生在任何一臺計算機上通過互聯(lián)網(wǎng)便可訪問安裝在學(xué)校服務(wù)器上的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，完成虛擬實驗操作過程，不受時間和空間的影響。

2.2 虛擬仿真技術(shù)有助于轉(zhuǎn)變單一的實驗教學(xué)模式

將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式相融合，有利于轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的以教師為主導(dǎo)的單一實驗教學(xué)模式。學(xué)生親自動手用真實的儀器完成實驗，是物理實驗教學(xué)不可或缺的一個流程。然而，虛擬仿真實驗在學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)大有作為。高校校園網(wǎng)的全覆蓋已成為普遍現(xiàn)象，開放式的預(yù)習(xí)環(huán)境可以使學(xué)生在任何地方通過計算機在沒有教師指導(dǎo)的情況下完成實驗的虛擬仿真預(yù)習(xí)，完全不受時間和實驗室開放的限制。實驗的操作是計算機虛擬完成的，因此實驗操作具有較強的重復(fù)性，無需考慮實驗的消耗，也不會出現(xiàn)操作錯誤所導(dǎo)致的儀器損壞，同時減輕了實驗教師批改預(yù)習(xí)報告的繁重工作量。虛擬仿真實驗系統(tǒng)，能夠讓學(xué)生在課前對整個實驗有一個全面充分的了解，能夠豐富教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，有助于提高課堂教學(xué)質(zhì)量和效率，同時更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。

2.3 虛擬仿真實驗有助于客觀評定學(xué)生的實驗?zāi)芰?/p>

虛擬仿真實驗系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)為平臺，通過計算機輔助將儀器設(shè)備、實驗內(nèi)容、教師指導(dǎo)、學(xué)生操作、實驗數(shù)據(jù)處理有機融為一體，打造成一本可操作的實驗教科書。⑧虛擬仿真系統(tǒng)中的實驗儀器以模塊化構(gòu)成，可進(jìn)行任意選擇和自由組合，可以達(dá)到用不同的操作方法完成同一實驗任務(wù)的目的。系統(tǒng)中隨機產(chǎn)生待測物理量，可以對實驗誤差進(jìn)行模擬，也可適應(yīng)同時進(jìn)行實驗操作的不同學(xué)生和同一學(xué)生的不同次操作。在實驗過程中，計算機會自動記錄學(xué)生的操作過程和數(shù)據(jù)內(nèi)容，并對此進(jìn)行評判，有助于客觀評定學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰?。同時，還可以借助實驗報告自動評判系統(tǒng)定制實驗報告模板，對學(xué)生完成的實驗數(shù)據(jù)處理進(jìn)行計算機自動評判，更加客觀、公正。

2.4 虛擬仿真實驗存在的不足

目前，市面上的虛擬仿真實驗系統(tǒng)主要是針對部分高校所使用的物理實驗儀器研制的。然而，物理實驗儀器生產(chǎn)廠家眾多，不同廠家生產(chǎn)的儀器在面板結(jié)構(gòu)、操作方法上都是有區(qū)別的，每所高校選用的實驗儀器也是不同的。因此，購買的虛擬仿真實驗系統(tǒng)肯定不會與本校的每一個實驗項目的實驗儀器都匹配，導(dǎo)致教師和學(xué)生在使用過程中達(dá)不到預(yù)期的理想教學(xué)效果，如果專門定制適合本校的系統(tǒng)則會大大增加投入。

3 結(jié)論

根據(jù)大學(xué)物理實驗課程特點和教學(xué)需求，構(gòu)建真實實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合的實驗教學(xué)體系，充分發(fā)揮真實實驗與虛擬仿真實驗的各自優(yōu)勢，實現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充，重點培養(yǎng)學(xué)生的掌握知識能力、動手操作能力、獨立思考能力、綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新思維能力，將素質(zhì)能力培養(yǎng)貫穿于實驗教學(xué)的全過程，勢必會在大學(xué)物理實驗教學(xué)改革中取得顯著效果，進(jìn)一步推動高等學(xué)校教學(xué)信息化向前發(fā)展。

基金項目：遼寧省社會科學(xué)規(guī)劃基金項目（L14CGL042）

注釋

① 郭文閣.仿真實驗在大學(xué)物理實驗教學(xué)應(yīng)用探討[J].大學(xué)物理實驗，2015.28（3）：124-127.

② 張林.虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實驗教學(xué)影響的探究[J].大學(xué)物理實驗，2015.28（1）：116-118.

③ 王艷華.虛擬仿真實驗——大學(xué)物理實驗教學(xué)多元化的平臺[J].課程教育研究，2015：188-189.

④ 楊宏偉.虛擬仿真技術(shù)在物理實驗中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2005.24（9）：38-39.

⑤ 譚守標(biāo).計算機虛擬技術(shù)在大學(xué)物理仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2005.35（3）：429-433.

⑥ 王衛(wèi)國.國外高校虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實驗室研究與探索，2015.34（5）：214-219.

⑦ 秦景良.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011.17（3）：97-100.

⑧ 周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2008.22（5）：106-109.