大學物理實驗教學對虛擬仿真實驗的更多期待

摘 要：虛擬仿真實驗可以彌補傳統實驗教學環節的不足，完成傳統實驗教學中無法實現的條件和內容，突破傳統的實驗教學模式，提高實驗教學質量，在《大學物理實驗》課程教學中得到了廣泛的應用。通過對虛擬仿真實驗的使用發現，其在虛擬儀器的真實性、對實驗原理的體現、對實驗環境的模擬及對創新能力的培養等方面有待進一步改善。

關鍵詞：虛擬仿真實驗 大學物理 實驗教學

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0068-02

1 簡介

《大學物理實驗》課程是高等理工科院校對大學生進行科學實驗基本訓練的必修通識課程，是學生進行物理課程學習以及專業課程學習的基礎。它具有多樣化的實驗方法和手段以及綜合性很強的基本實驗技能訓練，對于培養學生嚴謹的科學思維、創新能力和理論聯系實際能力，引導學生確立正確的科學思想和科學方法，提高學生科學素質以適應科技發展與社會進步等方面有著十分重要的意義。

高校擴招及社會對高校實驗教學提出更高要求，使得各高校實驗教學方面的缺陷凸顯，學校面臨實驗設備的質量和數量不足，無法為廣泛的實驗教學提供有效的支持，學生實驗能力培養欠缺等嚴峻形勢。2001年，教育部提出了積極開展網絡實驗室建設的建議，鼓勵各大高等院校搭建網絡實驗室，實現資源的共享與互補。

基于虛擬儀器的仿真實驗系統及網絡實驗室是利用虛擬儀器技術和互聯網技術的實驗平臺，整個實驗系統由客戶端、實驗管理服務器、互聯網、實驗單元和實驗儀器單等部分組成，具有良好的資源共享性、互動操作性、擴展性和安全性，允許多用戶、多實驗同時進行，可以讓學生在任何時候、從任何地點訪問實驗室，從而大大提高實驗教學的伸縮性和適應性。

虛擬仿真實驗系統在實驗方式上可以彌補普通教學中的實驗教學環節不足或輔助實驗教學；在教學模式上可綜合利用計算機技術，完成傳統教學中無法實現的實驗條件和實驗內容，突破傳統的實驗教學模式，提高實驗教學質量，因而在各高校的實驗教學中得到了長足的發展，在《大學物理實驗》課程教學中也得到了廣泛的應用。

在對大學物理虛擬仿真實驗的使用過程中，我們發現了一些虛擬仿真實驗值得改進和加強的地方，在此提出，以供商榷，期望虛擬仿真實驗能日臻完美，更貼近《大學物理實驗》課程教學的要求，在課程教學及創新人才培養方面發揮更大作用。

2 大學物理實驗教學對虛擬仿真實驗的更多期待

2.1 虛擬儀器更趨真實

虛擬仿真實驗及網絡實驗室的基礎是虛擬儀器。虛擬儀器是在美國國家儀器公司1986年提出的“軟件就是儀器”這一口號的基礎上發展起來的，其概念是用戶在通用計算機平臺及必要的數據采集硬件的支持下，根據測試任務的需要，通過軟件設計來實現和擴展傳統儀器的功能。與廠家設計并定義好功能的、有固定的輸入輸出接口和操作面板的、只能實現一類特定測量功能的傳統儀器不同，虛擬儀器的用戶可以根據自己的需求設計儀器系統，并可通過修改軟件來改變或增減儀器的功能，真正體現“軟件就是儀器”這一概念。

虛擬儀器應用于物理實驗教學將有助于改革傳統的實驗教學，充分利用網絡資源開展網上實驗，并可開出符合課程內容的許多新實驗，改變實驗技術跟不上新技術的局面，使學生的創新能力及掌握新技術、新知識的能力得以提高。但目前虛擬實驗儀器模型的種類比較缺乏，無論就外觀還是功能而言，其真實性與實驗室的具體實驗器材相比都還存在欠缺之處，這會導致學習者在現實環境下進行實驗操作時產生疑問，無所適從，不利于知識的遷移。比如光學中的邁克耳遜干涉儀實驗，不同廠家生產的儀器在外觀、調節部件及功能等方面有較大的差別，如果學生在虛擬實驗中接觸的儀器與實際操作所使用的儀器相去甚遠的話，學生的困惑是可想而知的。因此，完善虛擬元件模型，豐富虛擬器材品種，增強虛擬儀器的仿真效果，是一般認知過程的需要，它既可加深學生對儀器本身設計原理的理解，也有助于學生發現實驗設備設計的優勢和缺陷，激勵學生探索性思維。

2.2 包含更豐富的實驗原理

《大學物理實驗》課程教學的主要任務是培養與提高學生科學實驗基本素質，確立正確的科學思想和科學方法；培養與提高學生創新思維、創新意識、創新能力；培養與提高學生的科學素養。課程教學的基本要求是學生具有理論聯系實際和實事求是的科學作風，嚴肅認真的工作態度，主動研究的探索精神，遵守紀律，團結協作和愛護公共財產的優良品德。要完成上述教學的主要任務和基本要求，教學過程的一個基本出發點就是學生要對實驗原理有一個比較正確、全面和清晰的認識理解。

目前，主流的仿真虛擬軟件在知識導航的設計上基本上延續了傳統多媒體課件的導航模式，通過使用圖片、動畫、語音等多媒體元素，以線性結構展示整個實驗的過程。這種模式不僅使學生比較難于在短時間內掌握實驗的整體框架和關鍵操作要領，而且忽略了實驗原理對實驗的主導及指導作用，不利于學生對實驗原理的認知和理解。虛擬仿真實驗如果能充分利用易于被學生接受的視覺及聽覺技術來展示實驗原理，并在整個實驗過程中貫穿實驗原理這一條主線，讓學生認識到全部的實驗都是基于實驗原理進行的，都是在實驗原理的框架下完成的，學生對實驗原理的認識和理解無疑會更上一層樓，對科學思想和科學方法方面的領悟會更深入，對理論聯系實際能力的培養也會更有效。

2.3 能夠再現復雜具體的實驗環境

實驗是人類認識萬千世界的重要方法。實驗研究和理論研究作為兩種相輔相成的科學研究方法，是推動社會進步和科技發展的重要力量。實驗教學以其直觀性、實踐性、創造性等優點，在培養學生學習基礎知識、提高動手能力、掌握科學研究方法等方面發揮著重要作用。虛擬實驗將計算機技術、軟件技術以及網絡技術和傳統實驗儀器結合起來，改變了實驗系統的構建模式，可提升實驗儀器的整體性能，突破實驗操作的時空限制，是傳統實驗的變革。

虛擬實驗的最終目的是為了認識現實世界，也就是說，虛擬實驗最終是要回到復雜具體的真實實驗環境中的。我們從虛擬世界獲得的知識，其在現實世界中的有用，或者說有效程度，取決于虛擬對現實的模擬程度。目前的虛擬大學物理實驗基本上都是理想化的：儀器是標準的，方法是正確的，環境是理想的，結果是完美的，一切都是無誤差的，因為都是由設計好的程序來實現的。但真實的實驗環境卻是復雜而具體的：實驗儀器需要組裝、調試和校準，同一套實驗方法的施行也會因人而異，實驗環境會因時因地而改變，實驗結果也就包含了多方面的誤差在內。所以，如果能在虛擬大學物理實驗中增加對一些對常見環境變化的模擬，考慮一些可預知的人的因素，使其所虛擬的實驗更加接近真實，其教學效果或許會更加優秀。仍以邁克耳遜干涉儀實驗為例，如果能把底座不水平、兩端鏡距離過大（即超出相干長度）、兩鏡不平行時如果夾角逐漸增大或減小、沒放置補償板等情況都模擬實現的話，該虛擬實驗與真實情況的差距即可得到進一步的改善。

2.4 對創新實驗能力的更多培養

培養與提高學生創新思維、創新意識和創新能力是《大學物理實驗》課程教學的主要任務之一。與所有的實驗教學一樣，創新能力的培養在《大學物理實驗》課程教學中尤為重要。在傳統實驗教學過程中，開展探索型實驗是使學生獲得創新能力培養鍛煉的有效方式之一。

與傳統實驗一樣，虛擬實驗也可分為演示型實驗、動手操作型實驗和探索型實驗。在探索型實驗中，學生要經歷從實驗設計到實驗結果的整體過程，他們必須自己思考如何選擇及操作實驗儀器，如何實施及改進實驗過程，如何判斷實驗數據的準確性和誤差程度，如何總結規律或發現問題等等。所以這類虛擬實驗應該具備極強的交互能力：虛擬儀器應具有真實設備的所有功能屬性；實驗操作應該可以自主調整；測量結果應反映真實情況等。如此，學生方可通過虛擬而探索出真知，達到對創新能力培養的目的。

3 結語

在《大學物理實驗》課程教學中，為了利用虛擬實驗，達到較好的教學效果，期望虛擬實驗能在虛擬儀器的真實性、對實驗原理的更好體現、對實驗環境的模擬，及對創新能力的更多培養等方面做得更多更好。

參考文獻

[1]劉志遠.大學物理仿真實驗的定位研究[J].吉林省教育學院學報，2011，27（11）：133-134.

[2]原安娟，段蘋，王吉友.基于大學物理實驗的虛擬儀器探討[J].大學物理實驗，2007，20（4）：70-72.

[3]呂紅英，吳先球，李凌燕，等.利用虛擬儀器技術，改革物理實驗教學[J].中山大學學報論叢，2006，26（5）：66-70.

[4]張慧.虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用[J].江蘇廣播電視大學學報，2007，18（5）：72-73.

[5]鄧聯文，孔德明，周克省.基于虛擬儀器的在線實驗系統在大學物理實驗教學中的應用[C]//全國高等學校物理基礎課程教育學術研討會論文集，2008：461-464.

[6]朱敏.虛擬實驗與教學應用研究—— 以大學物理實驗教學為例[D].華東師范大學，2006.