大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

程勇

摘要：結(jié)合當(dāng)前工科院校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)，以桂林理工大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了概述，在此基礎(chǔ)上，對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提出建設(shè)方案以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的解決方案。關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；仿真技術(shù)中圖分類號(hào)：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-9324（2018）20-0102-02 物理學(xué)基本規(guī)律的發(fā)現(xiàn)及其理論的建立，以及促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展都是以嚴(yán)格的物理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展中起過重要作用[1]。物理學(xué)科具有讓學(xué)生形成科學(xué)思維和掌握科學(xué)方法的條件，但是物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，以桂林理工大學(xué)為例，一般工科專業(yè)僅32學(xué)時(shí)，僅靠課堂真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，大量的實(shí)驗(yàn)不能開設(shè)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提高培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛好拓展實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)是一門嶄新的綜合性的信息技術(shù)[2]，物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)對(duì)物理教育信息化、教育質(zhì)量的提升和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革產(chǎn)生積極并且重要的影響。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，積極開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將會(huì)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式注入新的活力，對(duì)教育質(zhì)量的提升和教學(xué)改革產(chǎn)生積極的影響[3]。一、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題我校的物理實(shí)驗(yàn)課程是面向全校理工科學(xué)生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，中心每年接受31個(gè)本科專業(yè)3000名以上的學(xué)生做物理實(shí)驗(yàn)，總?cè)藭r(shí)數(shù)約為100000。而一個(gè)完整的學(xué)生學(xué)習(xí)鏈包含：預(yù)習(xí)→課堂教學(xué)→實(shí)驗(yàn)報(bào)告→復(fù)習(xí)→考試。在面向大規(guī)模學(xué)生教學(xué)時(shí)，受師資及硬件條件的限制，在預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、考試環(huán)節(jié)通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)已無法完成并達(dá)到教學(xué)要求。同時(shí)，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室用房緊張，目前未能根據(jù)不同的專業(yè)需要開設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)，更不能根據(jù)不同學(xué)生的愛好開設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)，這一情況在全國(guó)各高校的物理教學(xué)實(shí)踐中普遍存在。1.預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)。作為實(shí)驗(yàn)課，預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)不僅要掌握實(shí)驗(yàn)原理和儀器的使用方法，更重要的是動(dòng)手操作。只有看到“儀器”（而不僅僅教材上的文字），觸摸儀器才能對(duì)儀器的原理和操作有更深入的了解。在沒有仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備無法開放滿足大多數(shù)學(xué)生的預(yù)習(xí)需求，學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)時(shí)只能通過書本進(jìn)行，只能對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)。對(duì)學(xué)生來說，預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的不完善導(dǎo)致學(xué)生無法對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境建立直觀認(rèn)識(shí)，學(xué)生上課前對(duì)即將開展的實(shí)驗(yàn)過程不熟悉，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中無法有目的地進(jìn)行操作、觀察和獨(dú)立思考，并利用掌握的知識(shí)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行合理分析討論，解決實(shí)驗(yàn)問題。對(duì)教師來說，教師對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)情況的檢查只能通過學(xué)生提交的預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)行，而通過這些大同小異的預(yù)習(xí)報(bào)告教師無法在課前發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中普遍存在的難點(diǎn)、重點(diǎn)問題的把握，從而在實(shí)驗(yàn)課中進(jìn)行有針對(duì)性的講解。2.撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)。由于受到時(shí)間的限制，學(xué)生在課堂實(shí)驗(yàn)上無法消化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告和復(fù)習(xí)時(shí)如遇疑難，只能靠“回憶”。但實(shí)際上很多問題學(xué)生看到儀器就容易解決，但靠“回憶”的方式，往往得不到解決，這樣就導(dǎo)致學(xué)生對(duì)所學(xué)實(shí)驗(yàn)根本無法掌握。這樣的教學(xué)過程導(dǎo)致很多學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課變成了完成任務(wù)，不利于學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性，極大地影響教學(xué)質(zhì)量的提高。3.考試環(huán)節(jié)。物理實(shí)驗(yàn)考試不僅要考察學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，更要考察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和思維能力。在同時(shí)面臨成百上千學(xué)生時(shí)，在有限的時(shí)間內(nèi)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器無法滿足考試需求。受到硬件、實(shí)驗(yàn)室以及師資的限制，物理實(shí)驗(yàn)考試尤其是動(dòng)手操作考試很難進(jìn)行，老師憑印象打分，成績(jī)因教師而異，考試不具備客觀性，這就使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和參與熱情受到了極大的影響。中心一直致力于把部分既能體現(xiàn)學(xué)科優(yōu)勢(shì)特色，又能反映科研前沿的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，介紹給本科生。但由于這些儀器價(jià)格昂貴，耗材配備較多，管理嚴(yán)格，本科生難以接觸這些儀器，而且操作的難度很大。同時(shí)，中心并無這些較貴的儀器，無法開設(shè)這些實(shí)驗(yàn)。若要專門開設(shè)這些實(shí)驗(yàn)成本過高的實(shí)驗(yàn)，資源消耗也比較大。這樣就使本科生失去了接觸和了解科研前沿的機(jī)會(huì)。二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的意義由于教學(xué)資源有限并且課時(shí)較少，僅靠課堂真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能很好滿足不同學(xué)生的不同興趣愛好，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提高培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。同時(shí)，部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備精密、結(jié)構(gòu)很復(fù)雜、價(jià)格昂貴的儀器臺(tái)套數(shù)太少等很多問題亟待解決。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)開放式教學(xué)的先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，不僅可避免在實(shí)驗(yàn)過程中貴重儀器設(shè)備的損壞現(xiàn)象，而且可以減少大量貴重儀器設(shè)備的投資建設(shè)。另外學(xué)生在宿舍也可以利用電腦或者手機(jī)就可以研究自己想要實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。而且通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，很有必要建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備隨著使用年限的增長(zhǎng)，設(shè)備逐漸老化，維護(hù)設(shè)備的難度大、投入的成本高。一般儀器設(shè)備超過7年之后維護(hù)成本較高，嚴(yán)重影響教師上課，而更新設(shè)備花費(fèi)較大，學(xué)校一般很難批準(zhǔn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)后續(xù)投入少，維護(hù)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)容易，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)比較容易，在做實(shí)驗(yàn)之前可以提前預(yù)習(xí)，減少對(duì)設(shè)備的不規(guī)范操作導(dǎo)致的設(shè)備損壞。四、建設(shè)思路以現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行資源深度整合，依托于桂林理工大學(xué)校級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成立了桂林理工大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。根據(jù)地方工科院校特點(diǎn)及人才培養(yǎng)的需要，按照“夯實(shí)基礎(chǔ)、激發(fā)興趣、創(chuàng)新教育、培養(yǎng)能力”的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)思想提出了“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的建設(shè)原則，和“精選實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)提高，學(xué)科交叉、相互銜接、探索創(chuàng)新”的建設(shè)思路。以此為指導(dǎo)構(gòu)建大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并持續(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)改革與創(chuàng)新。進(jìn)一步通過校企合作共建、共管，將中心建設(shè)成為專業(yè)特色鮮明、服務(wù)全校各專業(yè)并有一定區(qū)域輻射作用，全過程、多層次、系統(tǒng)化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)基地。五、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供的解決方案通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，采用虛實(shí)結(jié)合的模式，解剖各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，使學(xué)生在宿舍、圖書館、機(jī)房等可24小時(shí)隨時(shí)通過仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)；可以在機(jī)房安排大規(guī)模的同時(shí)考試，考試系統(tǒng)內(nèi)置有統(tǒng)一專家評(píng)判系統(tǒng)，對(duì)所有學(xué)生的評(píng)分都用同樣的標(biāo)準(zhǔn)，保證了評(píng)分的公平性。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還能促進(jìn)教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念的提升，提高實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段的能力。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)online版有實(shí)驗(yàn)65個(gè)，在沒有實(shí)驗(yàn)課的情況下，學(xué)生可選擇自己喜歡的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，增加物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)、開闊視野、體會(huì)物理實(shí)驗(yàn)的魅力，為今后的研究型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的開展打下良好的基礎(chǔ)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，能夠?qū)①F重實(shí)驗(yàn)設(shè)備虛擬數(shù)字化，使非專業(yè)人員也能模擬操作專業(yè)人員才能接觸的儀器。把本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)科專業(yè)特色結(jié)合起來，將科研成果及時(shí)向教學(xué)實(shí)踐轉(zhuǎn)化，利用仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)本科生的培訓(xùn)。同時(shí)，學(xué)校也在積極爭(zhēng)取經(jīng)費(fèi)增加創(chuàng)新型、設(shè)計(jì)型新實(shí)驗(yàn)，全方位提高學(xué)生的綜合能力。六、結(jié)束語物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，學(xué)生不受設(shè)備和平臺(tái)的限制，更不會(huì)受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制，隨時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)，對(duì)未學(xué)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。使學(xué)生的動(dòng)手能力、科學(xué)思維能力及對(duì)科學(xué)方法的掌握能力得到極大的提高。因此，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)對(duì)桂林理工大學(xué)學(xué)生是很有必要的。參考文獻(xiàn)：[1]劉維慧，孟麗華，于陽，等.工科物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)實(shí)踐[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2016，（29）：38-41.[2]陳守滿，姜建國(guó).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002，（4）：111-112.[3]李平，毛昌杰，徐進(jìn).開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（11）：5-8.