虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理課程教學(xué)中的應(yīng)用研究與展望*

楊亞玲

(西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 重慶 400715)

馬馳

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 重慶 400715)

1 引言

物理學(xué)是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的學(xué)科，它的研究規(guī)律具有極大的普遍性，是一切自然學(xué)科的基礎(chǔ)，同時(shí)也是工程技術(shù)的重大支柱[1]．大學(xué)物理作為一門理工科專業(yè)必修課程[2]，在其教學(xué)過程中，部分知識(shí)點(diǎn)較為抽象，學(xué)生對(duì)課程各環(huán)節(jié)重、難點(diǎn)知識(shí)難以做到全面的掌握，進(jìn)而導(dǎo)致了教師授課難、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高的問題．另一方面，大學(xué)物理課程教學(xué)中部分內(nèi)容需要通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，但受到實(shí)驗(yàn)條件、安全等多方面因素的限制，尚有諸多實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不能夠得到有效的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這也為大學(xué)物理課程的教學(xué)增加了難度，特別是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)根本無法滿足學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作．如何解決大學(xué)物理課程中存在的上述問題，是當(dāng)前物理教育領(lǐng)域最重要的問題之一．

2018年，教育部高等教育司司長(zhǎng)吳巖提出了建設(shè)虛擬仿真“金課”的目標(biāo)[3]，這也為大學(xué)物理課程的改革提供了參考．文獻(xiàn)[4～8]從實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革角度出發(fā)，通過虛擬仿真技術(shù)，細(xì)化了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)、線上教學(xué)與反饋等方面的實(shí)施方法，從而實(shí)現(xiàn)了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效提高，但大學(xué)物理課程所涉及的內(nèi)容較多，僅對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課程改革，難以將重、難點(diǎn)全部囊括．

為使虛擬仿真技術(shù)與大學(xué)物理課程教學(xué)深度融合，文獻(xiàn)[3，9，10，11]從培養(yǎng)目標(biāo)、課程建設(shè)等方面進(jìn)行了深入研究．目前，已基本明確大學(xué)物理課程與虛擬仿真技術(shù)的結(jié)合方法，相關(guān)理論日漸成熟，但缺乏具體的應(yīng)用落實(shí)工作．為解決上述問題，明確虛擬仿真技術(shù)通過何種方法運(yùn)用到大學(xué)物理課程教學(xué)中，本研究以典型的大學(xué)物理知識(shí)點(diǎn)為例，在原有培養(yǎng)方案基礎(chǔ)上，增加虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)，并探討虛擬仿真在大學(xué)物理課程方面的發(fā)展方向，為建設(shè)大學(xué)物理虛擬仿真“金課”提供參考．

2 典型知識(shí)點(diǎn)分析及虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

由于虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)過程復(fù)雜，本研究以西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院現(xiàn)有虛擬仿真教學(xué)資源中的幾個(gè)典型實(shí)驗(yàn)為例，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教育內(nèi)容需要進(jìn)行分析和應(yīng)用舉例．

2.1 剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量

剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量是力學(xué)的基礎(chǔ)性內(nèi)容之一，該內(nèi)容在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中也有體現(xiàn)．常規(guī)的教學(xué)方法是線下實(shí)驗(yàn)，學(xué)生采用剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)x測(cè)量指定剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證平行軸定理．這就要求學(xué)生要正確掌握剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)x測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法．目前，利用剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)x測(cè)量圓環(huán)和圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最為常見，但在工程領(lǐng)域，剛體的種類多種多樣，尤其是異型剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定在工程應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義，而受到實(shí)驗(yàn)條件和成本的限制，實(shí)驗(yàn)室很難滿足試件種類的多樣化需求．

為使學(xué)生能夠?qū)傮w轉(zhuǎn)動(dòng)慣量這一重要參數(shù)有更加清晰的認(rèn)識(shí)，將虛擬仿真技術(shù)融入該測(cè)量實(shí)驗(yàn)中．學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)前任意編輯試件形狀、尺寸、材質(zhì)等參數(shù)，使試件多元化；測(cè)量過程中，可根據(jù)情況任意獲取平行軸位置，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有隨機(jī)性，且不受操作精度、設(shè)備精度等因素的影響；實(shí)驗(yàn)全過程線上進(jìn)行，安全性良好，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間短，可輔助學(xué)生有效利用學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率，可操作性強(qiáng)．

2.2 霍爾效應(yīng)法測(cè)定螺線管磁場(chǎng)

霍爾效應(yīng)法測(cè)定螺線管磁場(chǎng)強(qiáng)度是電磁學(xué)的重要內(nèi)容．該教學(xué)內(nèi)容需要學(xué)生掌握霍爾效應(yīng)物理原理和霍爾元件測(cè)量磁場(chǎng)方法的同時(shí)，還需要掌握用“對(duì)稱測(cè)量法”消除不等位電壓產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差原理，并測(cè)量式樣的VH-IS和VH-IM曲線．與剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量不同的是，該知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容更為抽象，需要學(xué)生具備較強(qiáng)的邏輯分析能力．常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法是測(cè)量螺線管軸向磁場(chǎng)以及使用具備霍爾元件的電路系統(tǒng)測(cè)量感應(yīng)強(qiáng)度，但在實(shí)驗(yàn)過程中缺乏實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使得學(xué)生難以直觀感受螺線管磁場(chǎng)分布情況．

采用虛擬仿真的形式進(jìn)行霍爾效應(yīng)法測(cè)量螺線管磁場(chǎng)時(shí)，學(xué)生同樣可以對(duì)各類型螺線管參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的多樣性；與實(shí)際操作不同的是，虛擬仿真環(huán)境下的磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度可以通過箭頭的方向、疏密程度和顏色來直觀體現(xiàn)，使學(xué)生對(duì)電磁方面知識(shí)的理解更加具象化；另外，虛擬仿真環(huán)境下的電路系統(tǒng)可以隨意拆卸，學(xué)生在了解霍爾元件使用方法的同時(shí)，對(duì)電路系統(tǒng)也有了比較充分的了解．

2.3 示波器的原理及使用

示波器作為使用最為廣泛的測(cè)量?jī)x器，其測(cè)量原理和使用是理工科學(xué)生必須要掌握的關(guān)鍵內(nèi)容．本知識(shí)點(diǎn)主要是培養(yǎng)學(xué)生掌握示波器和信號(hào)發(fā)生器的基本工作原理和調(diào)試方法．虛擬仿真技術(shù)在該類型實(shí)驗(yàn)中的作用體現(xiàn)得尤為顯著．

將示波器和信號(hào)發(fā)生器的工作原理加以展示后，虛擬仿真環(huán)境下可針對(duì)其原理自動(dòng)生成電路系統(tǒng)，學(xué)生可以在該環(huán)境下更直觀地了解示波器內(nèi)部構(gòu)造，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以滿足的；待學(xué)生徹底掌握電路系統(tǒng)后，虛擬仿真環(huán)境可直接對(duì)電路系統(tǒng)封裝，主要顯示內(nèi)容為示波器及信號(hào)發(fā)生器的操作面板，并對(duì)面板進(jìn)行逐一介紹．原理性內(nèi)容講解結(jié)束后，學(xué)生可自行設(shè)計(jì)所檢測(cè)的電路及波形，并在系統(tǒng)中模擬仿真，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力．

3 大學(xué)物理虛擬仿真“金課”發(fā)展方向

大學(xué)物理課程體系龐大，內(nèi)容繁雜，諸如核物理、天體物理方面的研究，在科研領(lǐng)域已經(jīng)取得一定的突破，但大部分院?，F(xiàn)有條件難以支持相應(yīng)的教學(xué)工作，研究與教學(xué)的銜接不夠緊密，因此，大學(xué)物理虛擬仿真“金課”的建設(shè)仍要遵循完善課程資源體系、配合翻轉(zhuǎn)課堂授課模式、堅(jiān)持產(chǎn)學(xué)研協(xié)同資源建設(shè)方法3點(diǎn)原則加以落實(shí)．

3.1 完善課程資源體系

現(xiàn)階段，部分院校已經(jīng)具備獨(dú)立建設(shè)虛擬仿真資源的能力，這有助于完善大學(xué)物理虛擬仿真課程資源體系．完備的課程資源體系可以有效輔助學(xué)生在課本外掌握大學(xué)物理知識(shí)點(diǎn)的基本脈絡(luò)，深入理解物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程．另外，作為基礎(chǔ)必修課程，大學(xué)物理課程的實(shí)踐性較強(qiáng)，更適宜利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法的改革，也為其他基礎(chǔ)必修課程與虛擬仿真技術(shù)融合提供參考．

3.2 配合翻轉(zhuǎn)課堂授課模式

翻轉(zhuǎn)課堂授課模式提出后，諸多院校積極開展線上教學(xué)活動(dòng)，這為虛擬仿真教學(xué)方法提供契機(jī)．當(dāng)前學(xué)生線上學(xué)習(xí)全環(huán)節(jié)，既能夠掌握理論知識(shí)，又能夠完成課程練習(xí)，相比上述兩點(diǎn)，對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)尚不夠深入．疫情期間，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)成為趨勢(shì)的同時(shí)，缺乏線上實(shí)驗(yàn)問題逐漸顯露，嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量．因此，建設(shè)高質(zhì)量虛擬仿真教學(xué)資源，用來配合翻轉(zhuǎn)課堂的授課模式，可有效促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教育的持續(xù)發(fā)展．

3.3 堅(jiān)持產(chǎn)學(xué)研協(xié)同資源建設(shè)方法

隨著科技水平的不斷提升，大學(xué)物理的知識(shí)變更速度持續(xù)提高，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同教學(xué)逐漸成為了高等教育的趨勢(shì)．諸多產(chǎn)業(yè)、科研方面未能夠在教學(xué)方面予以落實(shí)的環(huán)節(jié)，虛擬仿真教學(xué)資源可以彌補(bǔ)缺口，真正發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)作用．

4 結(jié)論

虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理課程教學(xué)中的應(yīng)用眾多，特別是線上教學(xué)和虛擬仿真均為“金課”建設(shè)主體，二者相結(jié)合的大學(xué)物理課程教學(xué)，能夠讓學(xué)生體驗(yàn)物理學(xué)的奧妙，有效改善教學(xué)質(zhì)量、教學(xué)效果，提高學(xué)生動(dòng)手能力、分析問題與解決問題能力，更好地實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的目標(biāo)，同時(shí)也是教學(xué)模式未來發(fā)展的必然趨勢(shì)．