虛擬仿真實驗對實驗教學(xué)的作用研究

摘要：物理實驗是物理教學(xué)的重要形式，在實驗中學(xué)生能夠通過實踐操作和觀察來掌握各種各樣的物理現(xiàn)象、知識、技術(shù)，從而便于學(xué)生更好地理解物理問題，提高物理教學(xué)效率。虛擬仿真技術(shù)在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用改變了物理實驗教學(xué)的格局，通過現(xiàn)代媒體技術(shù)能夠模擬各類實驗環(huán)境、避免硬件條件限制導(dǎo)致的實驗可操作性問題，也為學(xué)生進行物理實驗研究提供了一個更加安全的平臺，從而有助于提升物理教學(xué)效率。本文結(jié)合課題研究經(jīng)驗和教學(xué)實踐經(jīng)驗，就虛擬仿真技術(shù)在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用意義進行總結(jié)，以明確虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代物理教學(xué)中的積極作用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；物理實驗教學(xué)；積極作用

隨著課程改革和計算機信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、人工智能與計算機在實際生活的應(yīng)用，“虛擬仿真實驗室”作為信息技術(shù)在實驗教學(xué)的應(yīng)用也受到了越來越多高校的關(guān)注[1]。虛擬仿真實驗是一種可以在電腦上進行的實驗教學(xué)，通過計算機模擬出真實實驗中的物理現(xiàn)象和實驗操作過程，以達(dá)到教育和實踐目的的一種虛擬實驗方法。相比傳統(tǒng)實驗教學(xué)，虛擬仿真實驗具有以下優(yōu)勢：一是節(jié)省成本：傳統(tǒng)實驗教學(xué)需要大量的儀器設(shè)備、實驗場地等資源，而虛擬仿真實驗只需要一臺電腦或平板電腦，節(jié)省了成本[2]。二是提高安全性：一些物理實驗存在著一定的危險性，而虛擬仿真實驗可以消除這些危險，提高了實驗的安全性。三是提供更多實驗機會：傳統(tǒng)實驗教學(xué)由于實驗場地、時間等限制，很難為每個學(xué)生提供充足的實驗機會，而虛擬仿真實驗可以為每個學(xué)生提供足夠的實驗機會，并且可以反復(fù)練習(xí)。四是增加實驗內(nèi)容：虛擬仿真實驗可以模擬很多傳統(tǒng)實驗無法模擬的物理現(xiàn)象，增加了實驗內(nèi)容的多樣性和靈活性[3]。五是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣：虛擬仿真實驗技術(shù)生動形象，將物理理論與實際操作結(jié)合起來，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)習(xí)效果。綜上所述，虛擬仿真實驗對大學(xué)物理實驗教學(xué)具有重要的意義，它能夠提高實驗教學(xué)效果和實驗課程的質(zhì)量，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)體驗。

一、虛擬仿真技術(shù)的概念及優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)而誕生的一種虛擬技術(shù)，其本質(zhì)上是利用計算機設(shè)備、現(xiàn)代媒體設(shè)備構(gòu)建一個仿真的虛擬環(huán)境來代替現(xiàn)實環(huán)境，使人在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生與現(xiàn)實體驗無異的體驗感、參與感。

虛擬仿真技術(shù)誕生于上世紀(jì)90年代，早期的虛擬仿真技術(shù)是通過直接投影的方式來改變視覺效果，達(dá)到基礎(chǔ)層次的虛擬仿真。隨著信息技術(shù)以及媒體技術(shù)的進一步發(fā)展，感應(yīng)技術(shù)、體感操作技術(shù)等現(xiàn)代媒體技術(shù)與傳統(tǒng)虛擬仿真技術(shù)結(jié)合后，產(chǎn)生了更具體驗感、參與感的沉浸式虛擬仿真效果，有效提升了虛擬仿真的真實感，使得虛擬仿真技術(shù)有了更廣闊的應(yīng)用空間。

虛擬仿真技術(shù)和物理實驗教學(xué)的融合是新時期物理實驗教學(xué)模式創(chuàng)新的重要方向，虛擬仿真技術(shù)在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢。一是，虛擬仿真技術(shù)下的物理實驗教學(xué)，學(xué)生能夠獲得更加廣闊的觀察視角，學(xué)生不僅能夠從外部觀察物理現(xiàn)象，還能夠從內(nèi)部直接觀察物理變化，從而有利于學(xué)生更加深刻地認(rèn)識和理解物理現(xiàn)象與物理規(guī)律，提高物理實驗教學(xué)的效果；二是，虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)⒁恍┈F(xiàn)實中難以操作和實現(xiàn)的物理實驗實驗展現(xiàn)出來，降低了現(xiàn)實條件對物理實驗教學(xué)的制約，許多有危險性的、難以實現(xiàn)的物理實驗也可納入常規(guī)實驗教學(xué)范疇，有效提升了物理實驗教學(xué)的廣度和深度，有助于物理專業(yè)人才的培養(yǎng)。

總的來說，虛擬仿真技術(shù)為物理實驗教學(xué)提供了新的可能，是新時期物理實驗教學(xué)方法創(chuàng)新和內(nèi)容優(yōu)化的技術(shù)支撐，對我國物理人才培養(yǎng)具有重要意義。

二、虛擬仿真技術(shù)用于物理實驗教學(xué)的必要性

（一）傳統(tǒng)物理實驗課堂教學(xué)困難

傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)受限于實驗空間、儀器設(shè)備的限制，很難將與實驗教學(xué)相關(guān)的要素轉(zhuǎn)移至理論課堂，這就導(dǎo)致在進行正式的物理實驗前教師很難在課堂中為學(xué)生展示實驗的具體操作，學(xué)生只能夠通過相應(yīng)的視頻或者圖文資料進行學(xué)習(xí)，教師在正式實驗前能夠傳授給學(xué)生的只有與實驗有關(guān)的理論以及教師個人的實驗經(jīng)驗，學(xué)生在實際操作前對實驗的認(rèn)知是模糊的，對實驗的內(nèi)容印象不深、實驗規(guī)程理解不到位，極容易在正式的實驗操作中出現(xiàn)意外，導(dǎo)致資源浪費或發(fā)生危險。

（二）降低物理實驗教學(xué)成本

科學(xué)的創(chuàng)新與發(fā)展離不開實驗，任何科學(xué)理論、技術(shù)的驗證均需要實驗的反復(fù)驗證，每一次實驗均需要消耗特定的能源、材料等資源，這意味著科學(xué)的創(chuàng)新、進步與發(fā)展一定是建立在大量的資源損耗之上[7]。在模擬仿真技術(shù)應(yīng)用之前，學(xué)生想要進行物理實驗，必須要在特定的實驗空間（通常是物理實驗室），通過特定的儀器設(shè)備、損耗特定的材料、遵循特定的實驗規(guī)程才能夠完成一次實驗，如果需要反復(fù)實驗進行驗證，實驗教學(xué)的成本就會倍增。同時，對于高校來說實驗空間、器械的維護也是一筆不小的支出。

（三）提高實驗教學(xué)安全

物理實驗并非絕對安全，實驗本身的不穩(wěn)定性、學(xué)生操作失誤或者其他意外情況均可能導(dǎo)致危險的發(fā)生，如諾貝爾就是多次實驗中被炸成殘疾、奧本海默就是因核物理實驗受到輻射而身患重病，由此可見實驗本身就存在著安全風(fēng)險，沒有人能夠保證實驗的絕對安全[8]。傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式下，實驗風(fēng)險無法被排除，一旦學(xué)生不按照規(guī)程進行實驗，甚至可能面臨生命危險。

（四）提升物理實驗教學(xué)效率

雖然從形式上來看，大學(xué)的教學(xué)模式和中學(xué)階段有著明顯的差異，但本科階段本質(zhì)上仍是采用“大班教學(xué)”的邏輯，一名任課教師要面對幾十名學(xué)生，甚至在部分理工類院校一名任課教師需要同時面對一個院系的數(shù)百名學(xué)生，因此教師在教學(xué)時難以顧及所有學(xué)生，不具備一對一指導(dǎo)的可能性。反映在實驗教學(xué)中主要有兩點，一是教師利用課堂展示實驗過程時，由于班容量較大，處于教室后排的學(xué)生可能無法仔細(xì)觀察實驗過程，教師的實驗展示效果較差；二是，在正式的實驗操作中，學(xué)生個人或?qū)W生小組進行實驗，教師雖然能夠通過巡視的方式觀察學(xué)生的整體實驗進度，但沒有精力實施一對一指導(dǎo)，學(xué)生是否按照規(guī)程操作、學(xué)生在實驗中是否準(zhǔn)確驗證了物理理論就不得而知，即使學(xué)生在實驗中出現(xiàn)了錯誤，教師也無法及時發(fā)現(xiàn)并指正，實驗教學(xué)的實際效果相對有限。

三、虛擬仿真在大學(xué)物理實驗教學(xué)的應(yīng)用

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，現(xiàn)代媒體技術(shù)、信息技術(shù)已在科學(xué)研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，這些技術(shù)改變了科學(xué)研究的格局，為實驗研究、科學(xué)計算提供了新的技術(shù)支撐與研究方法，有效提升了科學(xué)研究的效率與研究的安全性。模擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用不僅改善了實驗教學(xué)的可行性，還降低了實驗教學(xué)的成本、安全隱患，有效激發(fā)了學(xué)生對實驗的興趣，對學(xué)生物理知識的學(xué)習(xí)、物理技能的鍛煉以及科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)有著廣泛而深刻的意義。

（一）以虛擬仿真替代真正實驗器材

在過去很長一段時間內(nèi)，物理實驗教學(xué)是很多高校頭疼的問題。一方面是物理實驗需要建設(shè)專門化實驗研究室，但并非所有高校均具備這樣的資金與技術(shù)，甚至很多高校至今仍沒有專門化的物理實驗室，另一方面則是物理實驗的整體成本較高，尤其是在大型物理實驗項目中，損耗的能源、材料、儀器設(shè)備、試劑等，為學(xué)生提供這樣的實驗條件，高校需要承擔(dān)巨大的財務(wù)壓力。這也就導(dǎo)致很多高校并未開設(shè)專門的物理實驗學(xué)科，涉及物理實驗教學(xué)內(nèi)容大多采用視頻展示或純理論講解來代替實際操作，導(dǎo)致高校實驗教學(xué)的可操作性較低的問題。

模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)物理實驗教學(xué)，可以避免“實驗成本”的問題。高校不必建設(shè)專門的實驗室，也不必購買專業(yè)的物理實驗器材，僅需要購置計算機及其他少量的硬件資源、軟件資源，即可完成虛擬物理實驗室的搭建，實施實驗教學(xué)。相較于傳統(tǒng)物理實驗室，虛擬仿真技術(shù)搭建的物理實驗室需要投入的資源非常少，而且虛擬仿真技術(shù)能夠提供比傳統(tǒng)物理實驗室更加豐富的選項，甚至能夠完全模擬各種真實環(huán)境以獲取最接近自然狀態(tài)的物理實驗數(shù)據(jù)，有效提高了物理實驗教學(xué)的可操作性。

（二）通過虛擬仿真提升實驗的安全性

科學(xué)實驗通常帶有一定的安全風(fēng)險，而模擬仿真技術(shù)下的物理實驗教學(xué)則能夠保證絕對安全的實驗環(huán)境與實驗過程，即使學(xué)生未能按照實驗規(guī)程進行操作，也不會發(fā)生意外事故，從而使得學(xué)生能夠在絕對安全的前提下進行實驗操作。

首先，模擬仿真技術(shù)能夠提供與真實條件一模一樣的實驗條件，學(xué)生通過計算機軟件模擬仿真的實驗操作與實驗過程與真實情況完全一致，因此能夠保證模擬仿真實驗的有效性。但模擬仿真實驗中，學(xué)生不會直接接觸具有危險性的實驗材料、實驗試劑等，因此即使操作失誤也不會發(fā)生真正的意外，從而確保實驗的安全性。

其次，模擬仿真技術(shù)下的物理實驗?zāi)軌虼钶d其他軟件輔助物理實驗教學(xué)，比如在實驗?zāi)M仿真軟件中內(nèi)嵌動態(tài)監(jiān)測軟件，就能夠動態(tài)記錄學(xué)生在物理實驗過程中的操作路徑，教師可以通過通訊反饋機制及時了解每一位學(xué)生的實驗情況，從而做出指導(dǎo)與幫助，使學(xué)生能夠嚴(yán)格按照實驗規(guī)程進行操作，避免實驗中意外的發(fā)生，使學(xué)生能夠更好地掌握實驗操作規(guī)程、養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣，從而避免學(xué)生在實驗實操中發(fā)生同樣的錯誤，從而避免實驗意外的發(fā)生。此外，內(nèi)嵌軟件中可以通過編程設(shè)定實驗警報，當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)錯誤操作時模擬仿真系統(tǒng)自動發(fā)出警報和提示，這樣即使沒有教師指導(dǎo)的情況下學(xué)生也能及時發(fā)現(xiàn)自己在實驗過程中的操作失誤，便于學(xué)生改正，也有助提升實驗科學(xué)性和安全性。

最后，模擬仿真技術(shù)下的物理實驗?zāi)軌蚺懦獠坎豢煽匾蛩貙嶒灲Y(jié)果的影響，一定程度上避免了實驗中意外的發(fā)生，對學(xué)生掌握真正的實驗技術(shù)、物理理論也有積極作用。

（三）以虛擬仿真技術(shù)搭建物理實驗室

物理實驗需要耗用大量的資源，不僅僅是儀器設(shè)備、試劑等。以大學(xué)電學(xué)實驗為例，電學(xué)實驗中經(jīng)常涉及復(fù)雜的電氣條件，創(chuàng)造這些電氣條件往往需要使用大量的電力資源。利用計算機進行模擬仿真實驗則可以避免大量的能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，對我國生態(tài)文明建設(shè)有著積極意義。

其次，相較于龐大的實驗設(shè)備，計算機本身的購置成本也較低，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，搭建一個容量40人的標(biāo)準(zhǔn)物理實驗室的成本可以搭建容量在600人以上的模擬仿真實驗室，并且實驗室的設(shè)備折舊情況、后期維護成本也遠(yuǎn)低于常規(guī)實驗室。隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，模擬仿真實驗室能夠進行的物理實驗種類越來越多，構(gòu)建的物理實驗條件也越來越多樣，至少從功能性和教學(xué)效果上來說，模擬仿真實驗室和傳統(tǒng)物理實驗室并無明顯差別，但建設(shè)成本大大降低。

（四）通過虛擬仿真優(yōu)化實驗條件

仿真實驗是一種全新的實驗方式，通過計算機設(shè)備能夠?qū)x器設(shè)備、實驗操作、教師指導(dǎo)等有機結(jié)合，學(xué)生在模擬仿真中雖然無法直接接觸到實驗用的儀器設(shè)備，但這并不影響學(xué)生近距離觀察各類儀器設(shè)備的細(xì)節(jié)參數(shù)，也不影響學(xué)生近距離觀察實驗現(xiàn)象，因此模擬仿真實驗的效果和真實操作基本一致，可以保證實驗教學(xué)的效率。同時，模擬仿真實驗?zāi)軌蛲ㄟ^軟件重置實驗條件，當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)異常時可以進行重置，便于學(xué)生對實驗參數(shù)進行調(diào)整，這是傳統(tǒng)實驗教學(xué)不具備的優(yōu)勢。這一特點有助于學(xué)生更好地理解實驗中各類要素變化對物理現(xiàn)象的影響，從而更好地把握物理規(guī)律，更深刻地理解物理知識。

作者單位：馮青 寶雞文理學(xué)院物理與光電技術(shù)學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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