虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中的作用

張金鳳　趙云飛　范海英　賈小文

摘? ?要：根據(jù)現(xiàn)代教學(xué)理念，分析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中的作用，實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞职l(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，能夠發(fā)揮學(xué)生的主體作用，起到了資源共享作用，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)考核改革，開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)改革與探索，提高了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 作用

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（b）-0220-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不斷興起，迅速進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》及《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育項(xiàng)目建設(shè)的通知》精神，在教育網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代大背景下，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，積極建設(shè)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)行物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索成為各大高校積極推進(jìn)的方向，國(guó)內(nèi)各類高校充分利用虛擬仿真技術(shù)的強(qiáng)大功能開創(chuàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新局面。

1? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷成熟，人們不斷意識(shí)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教育教學(xué)領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不但可以輔助科研工作，而且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上也具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，從而，國(guó)內(nèi)許多高校不斷建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室用于實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一般情況下主要用于昂貴、精密的實(shí)驗(yàn)，成本較高的破壞性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件受限的實(shí)驗(yàn)，由于種種原因（法律的、政治的、倫理的）不允許或不能通過現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)。隨著科技的飛快發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)由桌面式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)展到沉浸式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，沉浸式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有高逼真虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及環(huán)境的支持，并可開設(shè)具有設(shè)計(jì)性或研究性含有高新技術(shù)應(yīng)用型的實(shí)驗(yàn)及探究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展旨在深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，著力提高實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量和實(shí)踐育人水平。

2? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中的作用

近年來隨著高等教育信息化教學(xué)改革的逐步推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高等教育的重要組成部分，也自然進(jìn)行了信息化、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)改革的探索與研究。其中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如可重復(fù)性、安全性、靈活性等，正在成為當(dāng)今許多高校積極開發(fā)的重要內(nèi)容。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞职l(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)

實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)依賴于實(shí)體實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)儀器是制約實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要因素之一，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備需要占用較大的空間，且部分實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備較龐大、昂貴、危險(xiǎn)，很多高校由于空間及資金問題難以普及所有實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，比如低真空實(shí)驗(yàn)、GM計(jì)數(shù)管實(shí)驗(yàn)、塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等物理實(shí)驗(yàn)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備也會(huì)因?yàn)槔吓f、老化無法完成實(shí)驗(yàn)，更新?lián)Q代滯后，從而造成能開展的實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)比較少，有些實(shí)驗(yàn)由于臺(tái)、套數(shù)的不足，也只能采取多人一組的形式完成，從而難以達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，難以按照要求順利完成實(shí)驗(yàn)課教學(xué)任務(wù)。

虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)可以突破時(shí)間、空間等的限制，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備臺(tái)、套數(shù)不足的局限性，并且可以開設(shè)多項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以彌補(bǔ)有些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備成本昂貴或者危險(xiǎn)系數(shù)較高等因素帶來的不足。虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)可以充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，管理維護(hù)方便，給實(shí)驗(yàn)排課帶來了便利，由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的重復(fù)可操作性，也可以讓學(xué)生在網(wǎng)上遠(yuǎn)程提前預(yù)習(xí)演練，完成預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，再進(jìn)行實(shí)體實(shí)驗(yàn)，做到虛實(shí)結(jié)合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正在逐步成為理論研究和實(shí)驗(yàn)研究之后的高校實(shí)驗(yàn)的第三種科學(xué)研究方法[1]，可以讓學(xué)生任意組裝實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，開展探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞职l(fā)揮學(xué)生的主體作用

目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與課時(shí)難以讓所有學(xué)生同時(shí)完全了解實(shí)驗(yàn)原理并進(jìn)行實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)操作需要學(xué)生先熟悉實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，難以迅速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，降低了學(xué)習(xí)效率;固定的實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生的學(xué)習(xí)地點(diǎn)固定，由于受空間、時(shí)間的限制，導(dǎo)致難以合理排課;危險(xiǎn)系數(shù)較高的實(shí)驗(yàn)難以讓學(xué)生實(shí)際操作了解實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象，而只是停留于對(duì)原理的學(xué)習(xí)與了解，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的利用率不高，學(xué)習(xí)效果較差;大型、貴重實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備更是存在類似的情況。

虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)立足于實(shí)體實(shí)驗(yàn)，能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，即以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，在教學(xué)中更便于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分體現(xiàn)了啟發(fā)式教學(xué)、研討式教學(xué)等教學(xué)方法的作用。虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)軟件可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理，軟件平臺(tái)共用，使用不受空間和時(shí)間的限制，可以提供相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)器材庫(kù)，讓學(xué)生可以自由聯(lián)想，設(shè)計(jì)并創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，易于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，主動(dòng)思考。特別是當(dāng)今興起的VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢?shí)驗(yàn)原理采用3D動(dòng)畫形式來說明，把抽象的概念轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的形象，讓學(xué)生更便于理解，支持虛實(shí)交融情景、3D的顯示效果、好的沉浸體驗(yàn)，發(fā)揮了學(xué)生的主體能動(dòng)作用，教與學(xué)互動(dòng)性強(qiáng)，可以全方位地進(jìn)行交流溝通，提高了課堂效率。目前，VR虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)在國(guó)內(nèi)多所高校中已有應(yīng)用，解決了現(xiàn)有虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件僵硬的虛擬仿真環(huán)境，功能簡(jiǎn)單老舊，無法反映最新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，可以開設(shè)場(chǎng)景逼真的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，明顯提升了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞职l(fā)揮資源共享作用

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器設(shè)備問題而影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的難題一直以來是困擾大家的一個(gè)問題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展無疑是一個(gè)較好的嘗試，由于其網(wǎng)絡(luò)性、開放性、自主性的特征，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)起到了平臺(tái)的作用，能夠多人共享教學(xué)資源與學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)了資源共享。目前很多高校正致力于建設(shè)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，并開通共享模式，真正實(shí)現(xiàn)了資源共享交流的作用。很多高校在建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的同時(shí)，引入智慧教室的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新教學(xué)模式，在此基礎(chǔ)上能夠開設(shè)實(shí)驗(yàn)必修課與選修課教學(xué)共用資源，做到了開放式的應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了新技術(shù)平臺(tái)的引進(jìn)與共享。

建立共享機(jī)制，進(jìn)一步提高教學(xué)資源的利用價(jià)值和利用效率是未來虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在提高師生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也將極大優(yōu)化和豐富高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐、研究、創(chuàng)新能力起到不可估量的作用[3]。南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院充分利用了互動(dòng)性、可視化等智慧教室理念建設(shè)并投入使用TEAL教室，這種基于現(xiàn)代技術(shù)的教室及教學(xué)方法推動(dòng)了教學(xué)改革，進(jìn)一步提升了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，受到各高校的高度關(guān)注。華東師范大學(xué)也已經(jīng)建設(shè)了基于智慧教室環(huán)境的物理VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室用于物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。受此啟發(fā)，本院擬進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的升級(jí)改造，建設(shè)基于智慧教室環(huán)境的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并力推資源的共享作用。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)推動(dòng)實(shí)驗(yàn)考核改革

實(shí)驗(yàn)實(shí)操考核一直以來存在較大的難度，由于實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備臺(tái)、套數(shù)不足，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)所有學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核難以開展。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考核模式，由于其資源共享的特點(diǎn)，充分利用了網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢(shì)，采用線上線下相呼應(yīng)，能夠順利承擔(dān)所有學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作考核的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)考核的改革創(chuàng)新。北京聯(lián)合大學(xué)以激發(fā)興趣為目標(biāo)，創(chuàng)設(shè)濃厚科學(xué)文化氛圍，充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展預(yù)習(xí)及實(shí)驗(yàn)考核。本院現(xiàn)有仿真實(shí)驗(yàn)考核系統(tǒng)為自主研發(fā)，已投入使用于物理實(shí)驗(yàn)課考核，下一步加入實(shí)操仿真實(shí)驗(yàn)考核，必將大大解決實(shí)操考核一直比較困難的問題。

3? 結(jié)語

虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)將先進(jìn)技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，符合教育改革創(chuàng)新要求，提高了實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量，充分體現(xiàn)了其建設(shè)的意義和必要性。教育部決定在2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，計(jì)劃認(rèn)定1000項(xiàng)左右示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。2017年共有303個(gè)項(xiàng)目參與申報(bào)，最終認(rèn)定105個(gè)社會(huì)評(píng)價(jià)高、應(yīng)用效果好、示范性強(qiáng)的項(xiàng)目。由此可見，虛擬仿真技術(shù)作為新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式正在支撐高等教育教學(xué)質(zhì)量的全面提高，正在逐漸引起國(guó)家的重視。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革無疑是順應(yīng)時(shí)代，提高實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量的良好舉措。

參考文獻(xiàn)

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