虛擬仿真技術對大學物理實驗教學的影響

郭曉春

摘 要 大學物理實驗課程是高校理工科學生的一門通識必修基礎課程，是學生實踐能力和創新能力培養的必需環節。隨著信息化教育改革的推進，虛擬仿真技術與傳統大學物理實驗教學方式相融合，構建立體化教學新模式，勢必會在教學中取得顯著效果，對大學物理實驗的教學改革產生深遠影響。

關鍵詞 虛擬仿真 大學物理實驗 教學改革

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.01.055

Influence of Virtual Simulation Technology on the Teaching of

College Physics Experiment

GUO Xiaochun

（National Police University of China， Shenyang， Liaoning110854）

Abstract The college physics experiment course is a basic course for students of science and engineering ins universities， which is also a necessary link in the cultivation of students' practical ability and innovative ability. With the advancement of information technology education reform， virtual simulation technology and the traditional university physics experiment teaching mode integrate with each other to construct a new model of three-dimensional teaching， which will have a significant effect on teaching， as well as a profound influence on the college physics experiment teaching reform.

Keywords virtual simulation； college physics experiment； teaching reform

0 引言

大學物理實驗課一般在一、二年級學生中開設，著力培養學生的理論分析能力、動手實踐能力和創新能力，是學生系統接受實驗方法和實驗技能訓練的開端，為學生之后的專業實驗課打基礎，因此作用和地位極其重要。然而在實驗教學過程中，由于教學條件和一些客觀原因的限制，實驗教學效果并不理想，致使傳統物理實驗教學方式的弊端逐漸突顯。教育信息化是高等學校促進教學改革和提升教學質量的重要舉措，虛擬仿真技術為代表的教育信息化手段迅速發展，為大學物理實驗教學開辟了一條新的路徑。將虛擬仿真技術應用于物理實驗教學，必將極大地改善教學效果、提高教學質量和教學效率。①

1 傳統物理實驗教學的現狀及困難

1.1 實驗教學模式單一

傳統的物理實驗教學方式，學生完成一個實驗題目的學習任務都要經歷實驗預習、課上操作、數據處理、撰寫報告這一流程。課前，教師要求學生認真預習并撰寫預習報告。實驗預習是整個實驗環節的起點，也是重中之重。然而實際中，在課前預習時沒有實驗儀器作為參照，面對教材中抽象、枯燥的原理講述，大部分學生出現了畏難情緒，直接體現就是實驗預習敷衍了事，在預習報告中機械性地照搬照抄教材，充當“復印機”的角色，并沒有去深刻地了解、探究實驗的原理和過程，導致在實驗的一開始就留有隱患。課上，教師講解和演示實驗的操作，學生只是復制教師的操作過程完成實驗任務。這種傳統的實驗教學模式，使學生處于被動的地位，即使完成了實驗也是不知其所以然，更別提對實驗更深層次的思考、探索和創新了。課后，處理數據和撰寫實驗報告，學生更是敷衍了事，甚至相互抄襲，其數據處理的計算過程和結果經不起實踐的檢驗。

1.2 學生消極對待物理實驗

在教學中發現，學生對于基礎課程的重視程度明顯低于專業課程。一堂完整的實驗課通常是3個學時，在這短暫的3個學時中，教師要講解實驗的操作并演示，學生要熟悉儀器和完成實驗操作，學生很難再有時間去分析和獨立思考，更談不上去設計實驗，這無疑使教學效果大打折扣。不少學生在實驗課上就是走一個過場，實驗課上并不認真聽講，實驗中胡亂操作，得到的實驗結論與理論值相差較大，甚至造成儀器損壞。在實際的教學中，我們也探索選擇每個班級較為優秀的學生來充當教師的角色，先給這部分學生詳細講解實驗的原理和操作，再由他們用課余時間給班級的其他學生講解，學生之間相互交流溝通較為便利，這樣的教學模式也取得了一定的效果，但是由于學生相互講解時沒有實驗儀器作為參照，同樣也很難調動學生們的積極性。

1.3 實驗成績評定難以把握

傳統的實驗教學，教師評定成績的時候通常依照學生的實驗預習、實驗操作、數據處理的綜合情況來考量，每部分各占一定的分值。但是在實際的執行過程中，由于學生人數多、師資力量有限、教師教學任務繁重等諸多原因，教師對學生實驗成績的判定主要憑借實驗報告和學生表現，主觀性強，并不能客觀充分地反映出不同學生實驗能力的差異。②

1.4 理論滯后實驗

大學物理實驗課與大學物理課程同步開設，但是上課時間受到實驗室場地、實驗儀器、實驗教師安排、學生安排等多種因素的影響，時常會導致實驗所涉及的理論知識學生在課前并未接觸，而實驗教師又不能利用有限的實驗課時去深入講解理論支撐。③

1.5 教學狀態封閉

目前，部分學校的實驗課都是由學校教務部門按照教學計劃統一安排，受實驗人員有限，實驗儀器需要前期準備和后期維護等因素的影響，學生很難在課前預習實驗和課程結束后進入實驗室自主學習。

2 大學物理虛擬仿真實驗的優勢與不足

虛擬現實技術（Virtual Reality technology）④⑤是運用計算機仿真技術，在使用者眼前營造一個虛擬環境，并且可以真實反映操作對象的變化。

2.1 虛擬仿真實驗教學是教育信息化的新模式

虛擬仿真實驗教學，是信息時代高等教育變革的必然產物，為學生開展探究性學習、進行創新實踐訓練提供了先進手段和優質平臺。⑥

物理虛擬仿真實驗并不復雜，也不高深。就是把現有的實驗原理、過程及相關儀器設備性能進行整合，形成文字、圖像、音像資料掛在網上，供學生預習、學習、復習，使他們對實驗總體情況有個客觀把握。或對某個具體細節（包括具體操作步驟、現象）進行學習、理解，為實際操作打下一個良好基礎。虛擬仿真實驗可實現遠程網絡教學，⑦學生在任何一臺計算機上通過互聯網便可訪問安裝在學校服務器上的虛擬仿真實驗系統，完成虛擬實驗操作過程，不受時間和空間的影響。

2.2 虛擬仿真技術有助于轉變單一的實驗教學模式

將虛擬仿真技術與傳統實驗教學方式相融合，有利于轉變現有的以教師為主導的單一實驗教學模式。學生親自動手用真實的儀器完成實驗，是物理實驗教學不可或缺的一個流程。然而，虛擬仿真實驗在學生的實驗預習環節大有作為。高校校園網的全覆蓋已成為普遍現象，開放式的預習環境可以使學生在任何地方通過計算機在沒有教師指導的情況下完成實驗的虛擬仿真預習，完全不受時間和實驗室開放的限制。實驗的操作是計算機虛擬完成的，因此實驗操作具有較強的重復性，無需考慮實驗的消耗，也不會出現操作錯誤所導致的儀器損壞，同時減輕了實驗教師批改預習報告的繁重工作量。虛擬仿真實驗系統，能夠讓學生在課前對整個實驗有一個全面充分的了解，能夠豐富教學內容和教學手段，有助于提高課堂教學質量和效率，同時更能激發學生的學習興趣和求知欲望。

2.3 虛擬仿真實驗有助于客觀評定學生的實驗能力

虛擬仿真實驗系統以互聯網為平臺，通過計算機輔助將儀器設備、實驗內容、教師指導、學生操作、實驗數據處理有機融為一體，打造成一本可操作的實驗教科書。⑧虛擬仿真系統中的實驗儀器以模塊化構成，可進行任意選擇和自由組合，可以達到用不同的操作方法完成同一實驗任務的目的。系統中隨機產生待測物理量，可以對實驗誤差進行模擬，也可適應同時進行實驗操作的不同學生和同一學生的不同次操作。在實驗過程中，計算機會自動記錄學生的操作過程和數據內容，并對此進行評判，有助于客觀評定學生的綜合實驗能力。同時，還可以借助實驗報告自動評判系統定制實驗報告模板，對學生完成的實驗數據處理進行計算機自動評判，更加客觀、公正。

2.4 虛擬仿真實驗存在的不足

目前，市面上的虛擬仿真實驗系統主要是針對部分高校所使用的物理實驗儀器研制的。然而，物理實驗儀器生產廠家眾多，不同廠家生產的儀器在面板結構、操作方法上都是有區別的，每所高校選用的實驗儀器也是不同的。因此，購買的虛擬仿真實驗系統肯定不會與本校的每一個實驗項目的實驗儀器都匹配，導致教師和學生在使用過程中達不到預期的理想教學效果，如果專門定制適合本校的系統則會大大增加投入。

3 結論

根據大學物理實驗課程特點和教學需求，構建真實實驗與虛擬仿真實驗相結合的實驗教學體系，充分發揮真實實驗與虛擬仿真實驗的各自優勢，實現虛實結合、相互補充，重點培養學生的掌握知識能力、動手操作能力、獨立思考能力、綜合設計能力、創新思維能力，將素質能力培養貫穿于實驗教學的全過程，勢必會在大學物理實驗教學改革中取得顯著效果，進一步推動高等學校教學信息化向前發展。

基金項目：遼寧省社會科學規劃基金項目（L14CGL042）

注釋

① 郭文閣.仿真實驗在大學物理實驗教學應用探討[J].大學物理實驗，2015.28（3）：124-127.

② 張林.虛擬仿真技術對大學物理實驗教學影響的探究[J].大學物理實驗，2015.28（1）：116-118.

③ 王艷華.虛擬仿真實驗——大學物理實驗教學多元化的平臺[J].課程教育研究，2015：188-189.

④ 楊宏偉.虛擬仿真技術在物理實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2005.24（9）：38-39.

⑤ 譚守標.計算機虛擬技術在大學物理仿真實驗教學系統中的應用[J].中國科學技術大學學報，2005.35（3）：429-433.

⑥ 王衛國.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索，2015.34（5）：214-219.

⑦ 秦景良.虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用[J].廣西民族大學學報（自然科學版），2011.17（3）：97-100.

⑧ 周燕.虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用[J].合肥工業大學學報（社會科學版），2008.22（5）：106-109.