網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

余觀夏，林楊帆　駱敏　蘇峻　濮興庭　張林

摘要：網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上采用的一種新型的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，其獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、共享性、高效性和開放性，可以彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的不足。將其有效地和實(shí)體物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；虛擬實(shí)驗(yàn)；物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）26-0276-02

一、引言

近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息技術(shù)的迅速發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和通信手段將傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做成虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不僅迎合現(xiàn)代大學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的需求，同時(shí)作為一種新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在硬件、空間和時(shí)間上的不足，拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，使傳統(tǒng)而又經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)煥發(fā)新的活力。對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行深入研究，在促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效率，推動(dòng)和促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展，具有重要意義。

二、網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

1.虛擬物理實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性。設(shè)立在計(jì)算機(jī)中的虛擬物理實(shí)驗(yàn)沒有場地限制，學(xué)生既可以在實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)室中完成，也可隨時(shí)隨地在任何有網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)和手機(jī)上完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，沒有空間、耗材使用和儀器損耗的問題，不受空間和時(shí)間等外界條件的限制，降低了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。同時(shí)，虛擬物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目僅需要進(jìn)行定期的計(jì)算機(jī)維護(hù)，降低了實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員在儀器維修和耗材購置上的人員成本。

2.虛擬物理實(shí)驗(yàn)的可靠性。物理實(shí)體實(shí)驗(yàn)中，客觀條件對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響很大，例如不同的溫度、濕度和氣壓條件，以及市電的波動(dòng)，都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。由于學(xué)生缺乏對(duì)復(fù)雜條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果不確定的分析，不能理解不同條件下獲得的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就會(huì)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生懷疑。虛擬實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)條件的設(shè)置，可以克服客觀條件的不確定性，使得初次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的低年級(jí)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的原理、操作過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有了確定性的積極認(rèn)識(shí)。同時(shí)，物理虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩朔?shí)體實(shí)驗(yàn)的不安全性，虛擬實(shí)驗(yàn)不會(huì)因操作失誤而造成人身事故。

3.虛擬物理實(shí)驗(yàn)的共享性。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)為平臺(tái)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的可視化和模擬操作。在傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一方面由于單個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目沒有實(shí)體實(shí)驗(yàn)人數(shù)的限制，學(xué)生無法自由地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成所需的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；另一方面，由于時(shí)間的限制，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生沒有更多地機(jī)會(huì)仔細(xì)研究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果很難得到保證，而虛擬實(shí)驗(yàn)則不受實(shí)驗(yàn)空間和時(shí)間的限制。

4.虛擬物理實(shí)驗(yàn)的高效性。虛擬實(shí)驗(yàn)中豐富而又集中的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)資源，良好的在線幫助和學(xué)習(xí)功能，可以幫助不同層次的學(xué)生根據(jù)自身的知識(shí)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，自主、靈活地迅速掌握實(shí)驗(yàn)原理所需的相關(guān)物理和數(shù)學(xué)知識(shí)，準(zhǔn)確地把握實(shí)驗(yàn)的具體目標(biāo)和要求以及在操作中的注意事項(xiàng)，在較短的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)操作。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)完全模擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為學(xué)生在計(jì)算機(jī)上即點(diǎn)即展開的儀器性能和原理進(jìn)行說明，讓學(xué)生形成直觀的感性認(rèn)識(shí)。

三、網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的不足

網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實(shí)驗(yàn)作為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的拓展和補(bǔ)充，展示了網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的特色和優(yōu)勢(shì)。但由于虛擬物理實(shí)驗(yàn)自身存在的不足，它無法替代傳統(tǒng)實(shí)體物理實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程所發(fā)揮的作用。

首先，雖然虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲耆M實(shí)物物理實(shí)驗(yàn)的環(huán)境和儀器設(shè)備外形，但學(xué)生通過視頻對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器的感性認(rèn)識(shí)不如親臨實(shí)驗(yàn)環(huán)境和感觸儀器的真實(shí)認(rèn)識(shí)；同時(shí)在虛擬實(shí)驗(yàn)過程，通過鼠標(biāo)或觸摸式搭建和操作的實(shí)驗(yàn)過程，也不似實(shí)體實(shí)驗(yàn)中儀器間接線連接和實(shí)驗(yàn)中旋鈕旋轉(zhuǎn)力度的真實(shí)感覺，學(xué)生的動(dòng)手能力得不到訓(xùn)練和強(qiáng)化。

其次，虛擬物理實(shí)驗(yàn)情境中，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)資源和虛擬實(shí)驗(yàn)提供的輔助材料，根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟一步一步地完成儀器的連接和實(shí)驗(yàn)操作，沒有可能出現(xiàn)實(shí)體實(shí)驗(yàn)中種種無法預(yù)測(cè)的問題。同時(shí)，在完成虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，面對(duì)毫無感覺的計(jì)算機(jī)和軟件系統(tǒng)，對(duì)學(xué)生思維的正常發(fā)展和健康人格的形成將產(chǎn)生負(fù)面影響。

最后，虛擬實(shí)驗(yàn)是通過軟件實(shí)驗(yàn)場景和儀器圖片的再現(xiàn)，通過程序的設(shè)置讓學(xué)生按照步驟完成實(shí)驗(yàn)。由于軟件不能窮盡實(shí)際實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種問題，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)生出現(xiàn)的問題只能簡單地報(bào)錯(cuò)，學(xué)生可以不需要思考為什么，只是通過不斷試錯(cuò)獲得正確的結(jié)果，在一定程度上抑制了學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。

四、虛實(shí)結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

實(shí)體物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)中發(fā)揮著重要作用，是學(xué)生驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)，獲取新知識(shí)、方法和能力必不可少的課程之一。而網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實(shí)驗(yàn)以網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助實(shí)體物理實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供多角度、形象的物理模型、物理過程和物理圖景。其豐富的聲像圖文信息，可以喚起學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣。

1.先虛后實(shí)，提高實(shí)體實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量和效率。將實(shí)體實(shí)驗(yàn)通過虛擬實(shí)驗(yàn)的形式作為學(xué)生的預(yù)習(xí)內(nèi)容，有助于學(xué)生盡快熟悉實(shí)體實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了全方位的實(shí)驗(yàn)知識(shí)材料，能夠使學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)操作全過程，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)記錄和處理，了解實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題，在培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力的同時(shí)，也為實(shí)體實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

2.以虛補(bǔ)實(shí)，完善實(shí)驗(yàn)課程體系。物理實(shí)驗(yàn)中心由于場地和經(jīng)費(fèi)的限制，不能開設(shè)所有的經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)來滿足不同專業(yè)和不同層次的學(xué)生需求。實(shí)驗(yàn)中心開設(shè)的都是與學(xué)校特色和優(yōu)勢(shì)專業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，而其他一些經(jīng)典的與學(xué)校特色專業(yè)相關(guān)度不高的物理實(shí)驗(yàn)，則很少開設(shè)。此外，一些近代物理實(shí)驗(yàn)，由于儀器昂貴和占地大，所需的物理知識(shí)較多，加之實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，調(diào)節(jié)和實(shí)驗(yàn)過程比較復(fù)雜，很多普通的工科院校沒有配置這些實(shí)驗(yàn)。

3.以虛探實(shí)，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)中心的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以提供力、熱、電磁、光和原子物理的實(shí)驗(yàn)?zāi)K單元，學(xué)生可以根據(jù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)哪K，在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的搭建，然后進(jìn)行探索性研究，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，通過改進(jìn)和完善，提高創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的效果。在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)搭建和完成實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用，會(huì)極大提高創(chuàng)新實(shí)體實(shí)驗(yàn)的成功率，還可以預(yù)知實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的問題，獲得對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)性的可行性評(píng)估，降低實(shí)體實(shí)驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

通過虛擬實(shí)驗(yàn)研究探討實(shí)體實(shí)驗(yàn)，不僅可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，還能鍛煉學(xué)生對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、改進(jìn)的能力，提高學(xué)生的綜合科研素質(zhì)。

五、結(jié)論

隨著網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實(shí)驗(yàn)的功能將逐步完善和強(qiáng)大。作為傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，虛擬物理實(shí)驗(yàn)不僅為傳統(tǒng)的經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)注入新的活力，還突破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念和教學(xué)方式的改革，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效率，推動(dòng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展。

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