“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下虛擬仿真實驗在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展

韓璐

摘要：物理實驗教學(xué)作為物理學(xué)科教學(xué)的一個重要組成部分，在培養(yǎng)創(chuàng)新人才的過程中有著不容忽視的作用。虛擬仿真實驗作為一種實驗形式，在物理實驗教學(xué)中的地位不容小覷。虛擬仿真實驗?zāi)軌驈浹a傳統(tǒng)物理實驗的不足，提高物理實驗教學(xué)的效果。近幾年，虛擬仿真物理實驗發(fā)展迅速?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”背景下的虛擬仿真實驗更加系統(tǒng)化，遠(yuǎn)程控制的實現(xiàn)使虛擬仿真實驗教學(xué)體系更加完整。虛擬仿真實驗?zāi)軌蚪Y(jié)合多種在線學(xué)習(xí)方式，使學(xué)習(xí)過程更加自主高效。建立共享機(jī)制，進(jìn)一步提高教學(xué)資源的利用價值和效率是未來虛擬仿真實驗的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+；虛擬仿真實驗；物理；教學(xué)

doi：lO.16083/j.cnki.1671-1580.2018.12.027

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671—1580（2018）12—0101—03

物理實驗教學(xué)是物理學(xué)科教學(xué)中的一個重要組成部分，物理實驗教學(xué)的目的是引導(dǎo)學(xué)生有目的地觀察物理現(xiàn)象，在實際操作過程中實現(xiàn)實驗與理論的聯(lián)結(jié)，同時提高學(xué)生的觀察能力、動手操作能力，鍛煉學(xué)生的邏輯思維，為學(xué)生科研能力的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要方法和手段。培養(yǎng)創(chuàng)新人才應(yīng)注重因材施教，以學(xué)生為主體?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”背景下的虛擬仿真實驗擴(kuò)大了學(xué)生學(xué)習(xí)的自由度，更具靈活性，更加符合學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的需要，能夠促進(jìn)學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)，自由寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境能夠為學(xué)生才智的發(fā)揮留下更廣闊的空間。因此，分析虛擬仿真實驗在物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢對創(chuàng)新物理實驗教學(xué)方法，提高物理實驗教學(xué)效果有著積極的促進(jìn)作用。

一、虛擬仿真實驗在物理實驗教學(xué)中的作用

虛擬仿真實驗作為一種實驗形式，是對傳統(tǒng)實驗的有效補充，以彌補一些在實際教學(xué)中很難實現(xiàn)的實驗內(nèi)容，如高危險、高成本、對環(huán)境要求高或空間需求大的實驗項目。虛擬仿真實驗的最主要優(yōu)勢在于其不受時間和空間的限制，能夠有效解決實驗場地和儀器數(shù)量不足、實驗課時少等問題。通過虛擬仿真實驗可以模擬多種在實驗過程中可能出現(xiàn)的情況，能夠創(chuàng)設(shè)問題情境，引發(fā)學(xué)生思考，更全面地培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?。尤其是要用到某些精密儀器或復(fù)雜系統(tǒng)的實驗，如果學(xué)生在實驗開始前沒有完全掌握實驗技能而操作不當(dāng)，或在實驗過程中不慎損壞實驗儀器，調(diào)試維修過程復(fù)雜耗時，需要付出很高的人力、物力成本，對后續(xù)教學(xué)也會造成影響。此外，有些情況下，實際教學(xué)中使用的是集成化實驗設(shè)備，學(xué)生在實驗過程中只需要通過操作調(diào)整部分儀器參數(shù)，就可以得到實驗數(shù)據(jù)，完成實驗內(nèi)容，不能接觸到實驗儀器的核心部分，缺少實際操作，可能會導(dǎo)致學(xué)生對實驗原理理解不夠，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果，不利于掌握理論知識。通過虛擬仿真實驗將這些內(nèi)容展現(xiàn)出來，用于學(xué)生課前預(yù)習(xí)，可以讓學(xué)生先了解實驗原理、實驗內(nèi)容和實驗操作注意事項，增強(qiáng)學(xué)生在物理實驗課堂上學(xué)習(xí)的目的性，提高實驗課的課堂效率，一定程度上也能減少學(xué)生在實驗過程中的誤操作。

二、早期的虛擬仿真物理實驗

早在20世紀(jì)90年代，已有個別學(xué)校開始了物理實驗的計算機(jī)輔助教學(xué)（CAT）研究。2005—2007年期間，有更多院校開始了虛擬實驗、虛擬仿真、實驗教學(xué)的研究，這時的仿真實驗僅僅是一種輔助手段，是理論課的一種補充，常與教師對知識的講解結(jié)合，并沒有形成規(guī)模，虛擬仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用并不多。

2012年，教育部印發(fā)了《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》，明確提出要加強(qiáng)實驗室、實踐教學(xué)共享平臺建設(shè)，重點建設(shè)一批國家級實驗教學(xué)示范中心。2013年8月，教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》，提出要分年度建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學(xué)中心。以實驗教學(xué)示范中心和虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)為契機(jī)，虛擬仿真實驗進(jìn)入快速發(fā)展時期。

三、“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下虛擬仿真物理實驗的應(yīng)用

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，新的信息技術(shù)不斷涌現(xiàn)，虛擬仿真物理實驗也出現(xiàn)了新的形式。遠(yuǎn)程控制實驗，突破了以往傳統(tǒng)虛擬仿真實驗只能單機(jī)操作或只能在接人局域網(wǎng)的計算機(jī)上操作的限制，實現(xiàn)了更大范圍的師生互動，使遠(yuǎn)距離、跨校區(qū)教學(xué)成為可能，增加了教學(xué)資源的利用率。如遠(yuǎn)程控制演示LC諧振頻率特性、連續(xù)波核磁共振觀測和磁場隨磁體溫漂變化，以及結(jié)合了現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)（AR）的邁克爾孫干涉儀。遠(yuǎn)程控制實驗的實現(xiàn)使虛擬仿真教學(xué)課程體系得到了進(jìn)一步完善，虛擬仿真實驗已經(jīng)不再局限于對具體項目的模擬，也不是項目的簡單的集合與羅列，變得更加系統(tǒng)化。如山東師范大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)中心日常參與16門基礎(chǔ)物理實驗課程、14門學(xué)科專業(yè)物理實驗課程、6門開放選修物理實驗課程的教學(xué)過程。通過“虛擬仿真實驗教學(xué)資源與管理平臺”實現(xiàn)了實驗教學(xué)資源的服務(wù)與共享，為學(xué)生營造了多元化發(fā)展的自主學(xué)習(xí)環(huán)境。作為國內(nèi)最早開展物理虛擬仿真實驗自主研發(fā)和教學(xué)實踐的高校之一，復(fù)旦大學(xué)早期就有面向本科生開設(shè)的以虛擬仿真實驗為授課內(nèi)容的“物理CAI課件設(shè)計”和“計算物理模擬實驗”兩門課，并依托國家級精品課平臺，創(chuàng)建了豐富的線上教學(xué)資源，形成了由“虛擬仿真實驗開發(fā)課”“虛實結(jié)合的實驗教學(xué)”“醫(yī)學(xué)物理虛擬仿真實驗”“互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制實驗”組成的虛擬仿真實驗教學(xué)體系。

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的虛擬仿真實驗教學(xué)的特點是基于互聯(lián)網(wǎng)與個人移動設(shè)備的隨時隨地的在線使用，技術(shù)的成熟使得個人移動設(shè)備的功能越來越強(qiáng)大，使在線學(xué)習(xí)成為一種時代趨勢。尤其是基于H5技術(shù)的在線學(xué)習(xí)方式，成本小，更新快，且不受系統(tǒng)、應(yīng)用的限制，使移動學(xué)習(xí)更加便捷，越來越廣泛地被應(yīng)用在在線學(xué)習(xí)領(lǐng)域。在線學(xué)習(xí)不僅可以使學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)的過程，同時可以拓展反饋、評價機(jī)制，通過記錄學(xué)生在線學(xué)習(xí)時的操作情況，采集數(shù)據(jù)，計算出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評價，同時也能增強(qiáng)師生之間、生生之間的交流，幫助學(xué)生更準(zhǔn)確地進(jìn)行自我評價。利用移動學(xué)習(xí)可以將實驗教學(xué)中的實驗預(yù)習(xí)、實驗指導(dǎo)、實驗操作、實驗報告、實驗考評等融為一體，如用手機(jī)app輔助物理實驗教學(xué)，學(xué)生不但可以在app上查看實驗原理、實驗過程等基本信息，還可以記錄實驗數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)后系統(tǒng)將顯示實驗數(shù)據(jù)與理論參考值的對比結(jié)果，使學(xué)生能夠及時發(fā)現(xiàn)實驗中出現(xiàn)的問題，改正錯誤。影響物理實驗教學(xué)效果的重要因素是學(xué)生在實驗過程中的盲目性。移動學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生在實驗課過程中有疑問時，快速地找到想要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，方便快捷，又能多次復(fù)習(xí)，尤其適用于一些操作內(nèi)容多和實驗原理復(fù)雜的實驗項目。此外，學(xué)生還可以通過相關(guān)鏈接瀏覽其他內(nèi)容，進(jìn)而掌握更多知識，既可以拓展自身的知識結(jié)構(gòu)，又可以起到鞏固以往知識的作用，形成良性循環(huán)。

四、“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下虛擬仿真物理實驗的發(fā)展

2017年，教育部印發(fā)了《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》，計劃到2020年遴選出1000項示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目。2018年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目認(rèn)定工作已于今年7月啟動。教育部黨組成員、副部長林蕙青在《努力實現(xiàn)新時代高校人才培養(yǎng)新作為》中說，要牢牢把握新時代人才培養(yǎng)的任務(wù)要求，把形成更高水平的人才培養(yǎng)體系落到實處，形成先進(jìn)的教學(xué)方法，加快推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，推進(jìn)在線開放課程和虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)，強(qiáng)調(diào)了高校人才培養(yǎng)中要進(jìn)一步發(fā)展虛擬仿真實驗的要求。

近幾年，虛擬仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展成熟，統(tǒng)一、集成化的應(yīng)用環(huán)境，高校信息化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施完備，為尋求可行的共享機(jī)制提供了技術(shù)條件，各校紛紛探尋建立可共享的虛擬仿真教學(xué)資源體系的方法。今后，虛擬仿真物理實驗將在未來發(fā)揮更大的作用，形成對“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的有力支撐。

五、結(jié)語

新時代教育發(fā)展觀是建設(shè)教育強(qiáng)國，為實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興奠定堅實基礎(chǔ)。新時代的教學(xué)觀是要加強(qiáng)實踐育人，強(qiáng)化學(xué)生關(guān)鍵能力核心素質(zhì)培養(yǎng)，重點培養(yǎng)認(rèn)知能力、合作能力、創(chuàng)新能力和職業(yè)能力，著重培養(yǎng)適應(yīng)社會需要的創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才。在物理學(xué)科的教學(xué)中，也要把培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力和核心素養(yǎng)落實到具體教學(xué)過程中。未來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，仿真實驗的內(nèi)容與形式將會出現(xiàn)更大的發(fā)展與變革，虛擬仿真實驗將在物理實驗教學(xué)過程中貢獻(xiàn)更大的力量。與此同時，傳統(tǒng)實驗也不應(yīng)被忽視，要綜合運用各種物理實驗教學(xué)形式，充分發(fā)揮其功能，采用虛實結(jié)合的方式，以求物理實驗教學(xué)能夠在培養(yǎng)創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型人才的過程中發(fā)揮更大的作用。

[責(zé)任編輯：王辰]