虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用分析

陳建勇

桂林航天工業(yè)學(xué)院理學(xué)部

【摘要】虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以克服傳統(tǒng)儀器規(guī)格和數(shù)量不足、儀器易損壞的困難，提高實(shí)驗(yàn)安全性和儀器使用率，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用。采用虛擬仿真技術(shù)，可構(gòu)成開放性的教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)教材、方法、時間和空間等方面的開放性，實(shí)現(xiàn)學(xué)生個性化學(xué)習(xí)并全面提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真技術(shù)；應(yīng)用

【基金項目】本文由桂林航天工業(yè)學(xué)院校級教學(xué)改革研究項目“基于LabVIEW的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)”[2016JB07]資助。

一、引言

高等教育信息化是促進(jìn)高等教育改革創(chuàng)新和提高質(zhì)量的有效途徑，是教育信息化發(fā)展的創(chuàng)新前沿。它以培養(yǎng)高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源為重點(diǎn)，持續(xù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開放共享，推動高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。教育部物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會發(fā)布的《理工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》明確提出：要創(chuàng)造條件，充分利用包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體教學(xué)軟件等在內(nèi)的現(xiàn)代教育技術(shù)豐富教學(xué)資源，拓寬教學(xué)的時間和空間，提供學(xué)生自主學(xué)習(xí)的平臺和師生交流的平臺，加強(qiáng)現(xiàn)代化教育信息管理，以滿足學(xué)生個性化和全面提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)的需要。因此，推動虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)，建立物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式將有深遠(yuǎn)的意義和必要性。

二、目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中存在的問題分析

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容枯燥乏味，缺乏創(chuàng)新性

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式雖然也能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，但存在以下缺點(diǎn)。首先，很多師生覺得物理實(shí)驗(yàn)比較枯燥乏味，缺乏挑戰(zhàn)性和成就感，一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)教材在短期內(nèi)得不到及時更新，不能反映最新科技進(jìn)展，另一方面是因?yàn)榇蠖鄶?shù)物理實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏可設(shè)計性和創(chuàng)新性。其次，教學(xué)環(huán)節(jié)單一，課堂上教師進(jìn)行講解和演示，學(xué)生按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，整個實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生探索和研究的機(jī)會不足。

（二）經(jīng)費(fèi)、儀器數(shù)量不足，實(shí)驗(yàn)室開放時間有限

教育改革的不斷深入及高校招生規(guī)模的逐步擴(kuò)大，對實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提出了更高的要求，但投入到物理實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)仍顯不足；另外，由于學(xué)生的時間有限，物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)時數(shù)有限，仍然不能開展典型的物理實(shí)驗(yàn)。如何在經(jīng)費(fèi)有限、學(xué)時有限的情況下使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)滿足教育規(guī)模不斷擴(kuò)大的需求，是擺在我們面前的一個必須要解決的課題。

（三）傳統(tǒng)儀器功能單一，利用率低

花大量資金購買的儀器，可能我們只需要其中的一部分功能，而有些功能要求該儀器卻滿足不了。傳統(tǒng)儀器大多只能完成一項具體的實(shí)驗(yàn)項目，設(shè)備利用率低。如要改變實(shí)驗(yàn)條件和內(nèi)容，則必須更新儀器，重新搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。購置新儀器不僅要花費(fèi)許多時間和錢財，而且設(shè)備存儲維護(hù)又需不小的開支。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用及優(yōu)勢分析

虛擬儀器是在以計算機(jī)為核心的硬件平臺上，利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，通過接口電路配合計算機(jī)完成對數(shù)據(jù)的采集、處理、傳送、存儲、顯示和打印， 由軟件取代傳統(tǒng)儀器的硬件來完成儀器的功能。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的是LabVIEW （ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ）軟件，其編程界面圖形化，是一個面向最終用戶的高效工具。

使用LabVIEW制作的牛頓環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了牛頓環(huán)儀的移動方向和視野中圖像的移動方向相反，符合顯微鏡成像的規(guī)律。通過設(shè)置圖像算法，程序能夠?qū)λ胁僮鬟M(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)目鏡中圖像的綜合實(shí)時變化，具有高度的仿真性。在進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，當(dāng)轉(zhuǎn)動速率為x1時，單擊一下，圖像移動千分之一毫米，保持了與真實(shí)儀器相同的精度，缺點(diǎn)是移動太慢。為了提高實(shí)驗(yàn)效率，我們設(shè)置了X100的速率選擇按鈕，即單擊一下移動十分之一毫米。虛擬仿真技術(shù)課不僅實(shí)現(xiàn)了主尺、鼓輪、圖像三者的同步聯(lián)動，而且通過設(shè)置速率選擇做到了精度和效率的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。另外，這還可以使學(xué)生擺脫煩瑣的計算。例如：將10環(huán)到19環(huán)的左右側(cè)讀數(shù)填入表格，單擊“確定輸入完畢”按鈕，則獨(dú)立編寫的數(shù)據(jù)處理程序可自動將暗環(huán)直徑和曲率半徑平均值算出。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以克服實(shí)驗(yàn)室儀器品種、規(guī)格和數(shù)量不足、儀器易損壞的困難，可提高實(shí)驗(yàn)安全性和儀器使用率。傳統(tǒng)儀器的維護(hù)、維修與性能升級，不僅要花費(fèi)大量的費(fèi)用， 而且要投入許多寶貴的時間。在目前各高校實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限、實(shí)驗(yàn)教師緊缺的情況下，采用虛擬儀器可解決這一難題。虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高了實(shí)驗(yàn)過程的可重復(fù)性。虛擬儀器系統(tǒng)可由用戶自己定義，自己設(shè)計儀器， 可滿足不同的要求。一臺虛擬儀器可以完成數(shù)臺甚至成套儀器才能完成的功能，節(jié)約了費(fèi)用，減少了使用空間?；菟雇姌?qū)嶒?yàn)要求在操作過程中瞬間接通電源以防止電流過大而損壞儀器，由于是要儀器旋鈕多，學(xué)生剛開始常常會忽略和忘記這一點(diǎn)，導(dǎo)致故障頻發(fā)，若采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則可以避免對儀器的損傷。

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將改變以教師為中心的傳授式教學(xué)模式。通過教師指導(dǎo)性的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計和學(xué)生自主學(xué)習(xí)活動的設(shè)計，可充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用。虛擬仿真技術(shù)加強(qiáng)了學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中的思考和創(chuàng)新。虛擬仿真技術(shù)提供的優(yōu)良交互性使實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生提供必要的反饋，學(xué)生可以通過屏幕提示逐步思考、選擇，探索物理現(xiàn)象的本質(zhì)，大大提高了理解力和掌握能力。對于一些復(fù)雜的、較危險的實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更是不可替代的。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，刺激學(xué)生的視、聽覺神經(jīng)， 調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，提高教學(xué)效果，也有利于對學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績客觀評價，形成個體差異，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣和成就感，從而提高物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有利于提高實(shí)驗(yàn)效率與效果。一些真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器類似黑匣子，學(xué)生看不到儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和儀器原理的理解遇到障礙。而仿真實(shí)驗(yàn)可以給學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使學(xué)生了解儀器的內(nèi)部運(yùn)行過程，加深了對實(shí)驗(yàn)儀器和原理的理解，提高了真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以豐富教學(xué)內(nèi)容，突破時空限制，便于資源共享。采用虛擬仿真技術(shù)，可構(gòu)成開放性的教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)教材、方法、時間和空間等方面的開放性。仿真實(shí)驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)室里完成，也可以在課后獨(dú)立完成，使學(xué)生可以自行設(shè)計和選擇實(shí)驗(yàn)方式，給學(xué)生充分發(fā)揮想象力的空間，培養(yǎng)學(xué)生分析、應(yīng)用和探究創(chuàng)新的能力。還有利于學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)散思維，有利于已有知識向新知識學(xué)習(xí)遷移。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以制作成網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室形式，學(xué)生在任何地方只要可以上網(wǎng)就可以使用。

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