大學物理仿真實驗的應用研究

董朝云++王旭軍

摘 要：目前很多高校的大學物理實驗室都存在儀器耗材失修短缺的問題，仿真實驗發揮了很大作用，但它也有一定的消極作用。我們期待仿真實驗系統能進一步優化，結合真實實驗創建新的教學模式，達到更好的教學效果。

關鍵詞：仿真實驗 真實實驗

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0241-01

目前多數高校的大學物理實驗室在實驗課中都是多個學生共用一套儀器，大大影響了教學效果。已有的儀器“過期”現象嚴重，一個標準電池用上七八年很常見。像檢流計、示波器這些儀器基本上都是修了再修湊合使用。更不用說那些耗資較大、儀器昂貴的實驗，根本就無法開設。[1]

開放性實驗的重要性不言而喻，它對于提高學生的創新能力和獨立思考能力都有著積極的作用。但因受到經費、人力和管理上的限制，大多數院校都是小范圍開展或者不開展開放性實驗。

基于以上原因，仿真實驗系統已逐漸地應用于大學物理實驗課程中，將來勢必會在所有高校普及。

1 仿真實驗的優勢

1.1 仿真教學環境

大學物理仿真實驗是用軟件對儀器形狀進行建模，根據真實儀器的外形材質蒙皮，制作動畫，并通過編程使得儀器能與操作者進行交互。它能夠實現的功能有：學習者可以以拖動鼠標的方法連接儀器，自行設定參數，調節儀器，觀察實驗現象，記錄實驗結果。基本上能夠實現實驗必須的步驟。

最重要的一點是它能夠再現實驗環境。在真實實驗室中，受課時限制，學生一般只能進行一次完整實驗過程。而仿真實驗卻可以一直重復實驗，提升教學效果。

另外，仿真實驗系統認錯性很強，在模擬的過程中學生操作一旦出錯，系統立即指出調節錯誤，如果前一步調整不好就不允許進行下一步，迫使學生反復演練直至成功。這樣就不用擔心元器件的損壞。

1.2 提高教學效率

學生在課前預習的時候，會感到書上一些儀器介紹和概念性的原理或現象介紹很抽象。對實驗原理也只是一知半解。而且有一些調節難度比較大的實驗如分光計等，在真實實驗教學中往往課時不夠。所以我們可以把真實實驗與仿真實驗相結合，先安排學生課前進行仿真實驗，熟悉儀器和實驗過程后再進行真實實驗，實現兩段式教學。

再者，在大學物理實驗中很多儀器都是黑匣子，學生不明白儀器的內部變化，不利于學生對實驗原理和儀器原理的理解應用，仿真實驗可以實現儀器的內部直觀化。

所以，仿真實驗可以很好地提高教學效率。

1.3 豐富教學內容

大學物理實驗設備昂貴。開設的實驗數目多的話對于多數院校來說是難以承受的。仿真物理實驗系統能用相對低很多的價錢搭建出豐富的實驗項目， 滿足新形勢下實驗教學的需求， 無疑是一個實用的方案。靈活性的解決了資源嚴重不足和教學需求量大這一矛盾。仿真實驗系統提供的實驗內容涉及力熱電光、近代物理和前沿領域攻擊70多個實驗項目。滿足了大學物理實驗的教學需求。

1.4 突破時空限制

我們所用的網絡版仿真實驗可以不受時間、地點、人次的限制。在辦公室安放一臺服務器，裝上大學物理仿真實驗Online版，并通過IP將其綁定于校園網。學生在終端申請用戶名和密碼，就可以隨時隨地的進行實驗。使實驗教學內容在時間、空間上得到了延伸。因此，仿真實驗是一個極好的輔助性學習資源。

1.5 便于開放實驗

目前，建立開放實驗室需要解決的問題很多，如：開放實驗室的實驗選題多，教師要超時上課；學生自由操作儀器，損壞率會提高；為不斷提高學生興趣，根據實際情況須不斷地更新實驗項目和儀器；開放實驗教學的實行給實驗教學管理帶來了新的問題；開放實驗項目耗時長，經常使開放時間延長到課余和節假日。這一系列的問題都給開放性實驗造成了障礙。而仿真實驗系統具有設計性、研究性，為學生提供了自由的教學環境，克服了面向大面積學生開設開放實驗受到實驗課時等困難。

2 仿真實驗的消極作用

模擬過程還比較僵化。在實際測量時，多次測量取得的結果往往有一定的偏差。我們就會鼓勵學生排查錯誤或回溯誤差來源，就比較有效的培養了學生解決問題的能力。而在仿真測量實驗中，只要按照實驗過程來操作，同一個實驗重復做多次得到的結果都是一致的，忽視了實驗的不確定度。

不能完全的模擬真實實驗現象。在牛頓環法測量曲率半徑實驗中，我們在顯微鏡中看到的牛頓環中心會是暗斑或者亮斑，有時會是不規則環形。施與牛頓環裝置不同的壓力，環紋形狀會相應改變。而仿真實驗中看到的始終是標準的牛頓環圖。諸如此類，學生會忽視實驗操作與實驗現象的因果關系。

仿真實驗過于理想化。目前的大學物理仿真實驗多是理想化的：標準的儀器，正確的方法，理想的環境，完美的結果，一切都是無誤差的，即使有偏差也是人為設置。整個實驗過程就是移動鼠標、敲擊鍵盤。而只有親自去操作真實的儀器，才能在實踐中提高實驗技能和能力。因此仿真實驗在培養學生的實驗技能和能力、創造發現的機會與環境方面有所欠缺，用仿真實驗替代真實實驗不合適。

3 對仿真實驗的期待

綜上所述，大學物理仿真實驗雖然有著很多的優勢，但并不能帶來視覺、聽覺、觸覺和嗅覺全方位的真實感受。針對當前仿真實驗的不足，我們除了選擇合理的教學方法提高教學質量外，還應完善仿真實驗系統。作為教師，我們對仿真實驗有著以下的期待。

更好地虛擬實驗的不確定性。目前部分仿真實驗也能形成誤差，但相對于真實實驗中誤差的隨機性而言，仿真實驗的誤差機制過于單一。這就要建立在大量實際實驗測量數據分析的基礎上，找出隨機誤差的分布規律，并考慮到一定的實驗系統誤差因素，添加各種隨機模擬測量程序代碼組合，合理生成數據誤差。

進一步提高實驗細節的仿真性。例如惠斯通電橋實驗，在實驗中我們著重訓練學生的接線故障排除技巧。還要注意螺絲固定、檢查接觸是否良好等基本實驗規范。但在仿真實驗中，學生連接線路只需拖動鼠標即可簡單實現順利接通，根本沒有犯錯的機會。所以我們認為，在仿真實驗中是否可以隨機設置出一定的干擾，制造出不合理的測量現象或結果，引導學生去分析解決問題。

是否能在仿真系統中建立一個儀器設備庫。使得這些儀器設備能實現跨實驗的完美組合，并且這里面的所有儀器能夠高度模擬真實儀器的每一個功能和每一塊細節。為開放性、探索性實驗提供良好的平臺和交互界面。鼓勵學生選擇和組織不同的儀器，自主設計創新實驗項目和實驗方法。

4 結語

當然，無論仿真實驗如何改善，它是不可能替代真實實驗的作用和功能的。我們期望真實實驗與仿真實驗優勢互補。通過兩段式乃至三段式教學，形成一個完整的學習鏈，在仿真實驗更優化的基礎上，開發一種高效的教學模式來適應目前的信息化環境。

參考文獻

[1] 李亦寧，姜照林.“仿真物理實驗”得失初探[J].中國醫學教育技術，2002，16（3）：142-1431.endprint