虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號】O4-33【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）11-0188-02

一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

實(shí)踐是用來檢驗(yàn)真理的，實(shí)驗(yàn)是用來支持理論的。像物理學(xué)這樣一門充斥著規(guī)律的學(xué)科自然更少不了實(shí)驗(yàn)的支撐。因而實(shí)驗(yàn)教學(xué)就成為物理教學(xué)不可或缺的重要部分。隨著數(shù)字信息時代的到來，教育實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的目標(biāo)已經(jīng)深入到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)上來，而實(shí)踐恰恰就是創(chuàng)新的源泉。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，是理工科類大學(xué)生進(jìn)入學(xué)校開始實(shí)踐性學(xué)習(xí)的第一課，學(xué)生能夠獲取豐富的實(shí)驗(yàn)知識，接觸各各先進(jìn)的儀器設(shè)備，對于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐技能起著至關(guān)重要的作用。因此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的成敗直接關(guān)系到學(xué)生后繼實(shí)踐實(shí)訓(xùn)，同時也關(guān)系著學(xué)生日后的科學(xué)探索和工程實(shí)踐，是其它課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)所難以取代的。

二、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前存在的問題

（一）主觀因素造成的教學(xué)問題

1.教學(xué)理念落后

教學(xué)理念從其之定義上看，是人們對教學(xué)活動的看法和持有的基本的態(tài)度和觀念，是人們對從事教學(xué)活動的信念。而我國目前很多學(xué)科都存在教學(xué)理念相對陳舊落后，教學(xué)觀念更新緩慢的情況，落后的教學(xué)理念限制了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活度。在美國，物理實(shí)驗(yàn)課的開設(shè)是為了使學(xué)生懂得如何去研究物理問題。而在中國，更多的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)只局限于理論的驗(yàn)證，學(xué)生成為簡單的模仿者，這樣的教學(xué)理念于創(chuàng)新何言，更無法促使我們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中樹立更高的目標(biāo)。

2.教學(xué)模式單一

在我國目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)無外乎就是老師在上面講，學(xué)生在下面做或?qū)W生照著實(shí)驗(yàn)講義按部就班地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。部分高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器由老師事先準(zhǔn)備好，學(xué)生被動地按規(guī)定方法進(jìn)行操作，機(jī)械枯燥。這在美國被稱為“COOK”實(shí)驗(yàn)，即像照著菜單煮飯一樣。完全忽略了學(xué)生的主觀能動性。

3.教學(xué)內(nèi)容陳舊

我國目前的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，缺乏特色，不夠新穎。傳統(tǒng)，經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)多，體現(xiàn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)少；內(nèi)容單一的實(shí)驗(yàn)多，含概知識豐富的綜合性實(shí)驗(yàn)少；驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)少。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置既不考慮學(xué)生的專業(yè)實(shí)際更談不上前沿科技的涉及了。學(xué)生想根據(jù)自己的專業(yè)需要和個人興趣來選做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會少，可選性低，而與現(xiàn)代生產(chǎn)聯(lián)系密切的實(shí)用型實(shí)驗(yàn)的開出率接近于零。

4.教學(xué)狀態(tài)封閉

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)有固定的開課時段，規(guī)定的授課學(xué)時和特定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師往往就是在特定的時間特定的地點(diǎn)組織學(xué)生完成特定的教學(xué)任務(wù)。而學(xué)生在課程結(jié)束后想要再踏入實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會是微乎其微，根本談不上什么開放式教學(xué)。

5.理論滯后實(shí)驗(yàn)

目前，多數(shù)高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的開課時間受到時間、地點(diǎn)、專業(yè)、教學(xué)人員按排等諸多因素制約，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)中涉及的理論知識在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時未曾觸及，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理一頭霧水。而實(shí)驗(yàn)人員又不能靠有限的實(shí)驗(yàn)課時去深入講解理論支撐，其結(jié)果就只能是老師帶著學(xué)生“跑”。

（二）客觀因素造成的教學(xué)問題

1.實(shí)驗(yàn)教材與內(nèi)容脫節(jié)

教材改革緩慢也成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一顯著問題。我國目前大部分高校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材采用的都是早以前的統(tǒng)編教材，講授的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法在較長一段時間內(nèi)是一陳不變的，而各院校購置的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備又不盡相同，這樣學(xué)生拿著舊課本對著新儀器，指導(dǎo)書完全沒有了指導(dǎo)的意義。

2.學(xué)生主動性差

作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)對象——學(xué)生對教學(xué)的成敗也有至關(guān)重要的影響。而受中國傳統(tǒng)教育模式限制，中國的學(xué)生更加注重理論研究、解題計(jì)算而忽視實(shí)踐動手能力的培養(yǎng)。在這種傳統(tǒng)思想的驅(qū)使下，學(xué)生進(jìn)入學(xué)校對實(shí)驗(yàn)課的注視程度就不夠，僅限于完成學(xué)時拿學(xué)分。從學(xué)生主觀上可能更愿意被動地接受，根本沒有主觀能動性的發(fā)揮，面對這樣的教學(xué)對象教學(xué)效果可見一斑。

3.儀器跨度大

現(xiàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)儀器各式各樣，層次不一。有老式機(jī)械化的，也有新式智能化的。舊的儀器原理陳舊設(shè)計(jì)老化，跟不上現(xiàn)化科技發(fā)展的步伐。而新式的又太過智能化，削弱了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中主導(dǎo)角色的地位。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)——大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多元化的平臺

隨著計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的普及，利用現(xiàn)代教學(xué)手段改善物理實(shí)驗(yàn)?zāi)壳暗慕虒W(xué)狀況，已經(jīng)成為我國高校教改的必然發(fā)展趨勢。

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)生與組成

1.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)生

1961年，摩根扎特首次對“仿真”進(jìn)行了技術(shù)性的定義。1984年，OREN給出仿真的基本概念，提出“仿真是一種基于模型的活動”的定義。20世紀(jì)80年代，興起了虛擬仿真這門綜合性信息技術(shù)。虛擬仿真又稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或模擬技術(shù)，就是用一個虛擬的系統(tǒng)，模仿另一個真實(shí)的系統(tǒng)的技術(shù)。由此應(yīng)運(yùn)而生的仿真實(shí)驗(yàn)室成為高等實(shí)驗(yàn)教學(xué)多元化的重要平臺。虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)室，1989年，由美國的Willamwolf教授提出。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，把實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生的操作有機(jī)的融為一體，形成了一部活的可操作的物理實(shí)驗(yàn)教科書。北大教授趙凱華倡導(dǎo)推廣虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，他指出：計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)雖不能代替學(xué)生做真實(shí)實(shí)驗(yàn)。然而，目前在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于實(shí)驗(yàn)儀器復(fù)雜，精密和昂貴，往往不允許學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，反復(fù)調(diào)整儀器，這對學(xué)生剖析儀器結(jié)構(gòu)和性能，理解實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和方法是不利的。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可在相當(dāng)程度上彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在這方面的缺憾，值得大力推廣。由此可見，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有舉足輕重的作用。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的組成

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室由包括軟件平臺和硬件平臺的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用平臺，高性能圖像生成及處理系統(tǒng)，立體式沉浸性的虛擬三維顯示系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)，集成應(yīng)用控制系統(tǒng)。

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

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究的重要載體，在教育領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。它除了可以輔助進(jìn)行科研工作，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面也有利用率高、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在創(chuàng)建時就達(dá)到了能為實(shí)驗(yàn)者提供逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在這種虛擬環(huán)境中實(shí)驗(yàn)者可以任意操作儀器設(shè)備，能夠?qū)崟r模擬在線實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還能實(shí)現(xiàn)填寫實(shí)驗(yàn)報告等與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相應(yīng)的輔助功能。

（三）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特性與優(yōu)勢

用軟件方法來模擬硬件設(shè)備的功能是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)思想。由此也突顯出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的特性：①與實(shí)際儀器的物理化學(xué)性質(zhì)的一致性；②強(qiáng)大的交互性；③具有實(shí)時反饋的特性；④能夠多人合作使用。作為一種現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢在于：

1.更新教學(xué)理念，改變教學(xué)模式

2.豐富教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)手段

3.改善實(shí)驗(yàn)效果，提高教學(xué)質(zhì)量

4.經(jīng)濟(jì)、安全、共享的大平臺

在網(wǎng)絡(luò)教育迅速發(fā)展的今天，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為解決傳統(tǒng)教學(xué)種種弊端的有利工具。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅能使學(xué)生獲得身臨其境的感覺，更能實(shí)現(xiàn)感知到理性的過度，成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多元化的工具，具有廣闊的發(fā)展前景。