虛擬仿真與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合

余建平　付佳

摘 要：由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)在人才培養(yǎng)中具有特殊意義，所以高等教育的發(fā)展迫切要求高校加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代的教育模式和方法，新興的虛擬仿真是以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為理論基礎(chǔ)的，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完善、補(bǔ)充和擴(kuò)展。本文介紹了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬仿真的優(yōu)缺點(diǎn)和教學(xué)模式的比較，得出結(jié)論，只有將兩者結(jié)合起來(lái)才能發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的最大作用，更大程度的培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué) 虛擬仿真 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

眾所周知，目前教育改革的主要目標(biāo)是加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。與此相應(yīng)，如果要加強(qiáng)學(xué)校的素質(zhì)教育，就必須首先重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。然而，當(dāng)我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中的人才培養(yǎng)的角色來(lái)審查和反思傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的培養(yǎng)目標(biāo)，而虛擬仿真恰恰彌補(bǔ)了這方面的缺陷[1]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的主要是過(guò)于強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的各種實(shí)驗(yàn)技能，這顯然不能滿足知識(shí)經(jīng)濟(jì)人才培養(yǎng)的要求。但是虛擬仿真與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真實(shí)性和藝術(shù)性是無(wú)法相比的，而真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也缺乏仿真的靈活性、安全性。真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)相互補(bǔ)充，缺一不可。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是使用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)際操作的實(shí)踐活動(dòng)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生新的知識(shí)和理論，這一點(diǎn)也是驗(yàn)證真理的最基本的和最有效的方法。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法在自然科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中，發(fā)揮了巨大的作用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法也充分發(fā)揮教育的功能，為人才的培養(yǎng)和成長(zhǎng)做出很大貢獻(xiàn)[2]。

（一）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

（1）真實(shí)試驗(yàn)?zāi)芙o學(xué)生“真實(shí)感”，消除學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)驗(yàn)中“不踏實(shí)”的感覺(jué)，大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也只能通過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)才能得到。實(shí)驗(yàn)可增強(qiáng)學(xué)生的直觀感，深化抽象理解，從而喚起學(xué)生的積極思維。

（2）實(shí)驗(yàn)中學(xué)生動(dòng)手操作，可能會(huì)出現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的一些代表性問(wèn)題，可以采取相應(yīng)措施并解決。在虛擬仿真中可能不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題，在以后實(shí)際中遇到問(wèn)題并不知道該如何解決。

（3）在教學(xué)中目標(biāo)明確，易清晰傳授教學(xué)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)前教師準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)器材、調(diào)試好儀器設(shè)備，一般還要對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)講解，甚至操作示范。實(shí)驗(yàn)教材也將實(shí)驗(yàn)原理、步驟甚至某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等寫得一清二楚，使學(xué)生清楚明白的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[3]。

（4）有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程主要是通過(guò)手腦并用來(lái)完成的，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，同學(xué)們能夠通過(guò)有意識(shí)地思考來(lái)完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這樣學(xué)生不僅在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會(huì)了獲取知識(shí)的本領(lǐng)，而且還增強(qiáng)了操作能力，更培養(yǎng)了實(shí)踐能力。這對(duì)以后的工作有很大幫助，學(xué)生在接觸公司室溫設(shè)備時(shí)就不會(huì)感到陌生。

（二）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容存在時(shí)代滯后性、漠視主體性

由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室不向公眾開(kāi)放，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不能及時(shí)更新的限制等等，新的實(shí)驗(yàn)方法、新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、學(xué)科發(fā)展的新成果不能及時(shí)的被實(shí)驗(yàn)教學(xué)中吸收到來(lái)。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容非常緩慢的更新，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于時(shí)代發(fā)展的速度。

學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒(méi)有選擇權(quán)和發(fā)言權(quán)。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由老師統(tǒng)一決定，所有學(xué)生都做著相同的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)室將關(guān)閉，所以實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)的學(xué)生也沒(méi)有機(jī)會(huì)做一些深入的探索性的實(shí)驗(yàn)，有特殊興趣的學(xué)生也不能做一些自己感興趣但學(xué)校規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不涉及的實(shí)驗(yàn)。這樣學(xué)生自然調(diào)動(dòng)不起來(lái)做實(shí)驗(yàn)的積極性。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法僵化

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教材中將實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等寫得一清二楚。老師代替了這些本應(yīng)由學(xué)生完成的任務(wù)，學(xué)生只需“照葫蘆畫瓢”，按要求一步一步、按部就班地完成任務(wù)。這樣就使學(xué)生失去了獨(dú)立思考的能力和進(jìn)一步探索的空間。這種教學(xué)方式無(wú)疑束縛了學(xué)生的想象力和思維，扼殺了學(xué)生的創(chuàng)造力。

（3）實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的利用率偏低，資源浪費(fèi)很大

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的基本任務(wù)，是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理的起點(diǎn)和終點(diǎn)。然而，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，這些花費(fèi)巨大的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備學(xué)生僅能在固定的實(shí)驗(yàn)課中使用。這樣，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備閑置并且利用率不高，無(wú)形中造成了隱性的資源浪費(fèi)。

二、虛擬仿真

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依靠現(xiàn)代計(jì)算機(jī)教學(xué)手段，通過(guò)動(dòng)畫與計(jì)算機(jī)模擬建立高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停箤W(xué)生在網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，滿足教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)根據(jù)專業(yè)教學(xué)大綱進(jìn)行設(shè)計(jì)，教師應(yīng)發(fā)揮專業(yè)的主觀能動(dòng)性，進(jìn)行設(shè)計(jì)和編譯虛擬實(shí)驗(yàn)[4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)是一個(gè)涉及計(jì)算機(jī)編程、專業(yè)教學(xué)、工程仿真等多方面的學(xué)科合作的項(xiàng)目，需要學(xué)校進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。必要時(shí)可以和專業(yè)軟件公司合作，共同完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)[5]。

（一）虛擬仿真的優(yōu)點(diǎn)

（1）虛擬仿真可形象化抽象的內(nèi)容。多媒體技術(shù)能夠多角度地提供聲、像、圖文等內(nèi)容，豐富其性能和演示技巧，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在虛擬仿真中，編程人員使用計(jì)算機(jī)的可控制性進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，從不同方向，不同角度和不同層次表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)驗(yàn)過(guò)程，這有利于形成學(xué)生的形象化思維[6]。

（2）虛擬仿真功能完整，成本較低。由于虛擬實(shí)驗(yàn)中用一般使用軟件，其功能較全，種類繁多，完全可以達(dá)到傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)所無(wú)法達(dá)到的功能。實(shí)驗(yàn)中由于不使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，大大降低了教學(xué)成本。

（3）虛擬仿真具有高速度和高效率。實(shí)驗(yàn)過(guò)程的程序化和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化，使實(shí)驗(yàn)受環(huán)境影響和人為影響大大降低[7]。實(shí)驗(yàn)的速度由計(jì)算機(jī)的處理速度和程序質(zhì)量決定，因此速度會(huì)比真實(shí)實(shí)驗(yàn)快得多，效率也更高。

（二）虛擬仿真的局限性

由于虛擬仿真是以虛擬儀器或軟件為主要工具，其模擬的元器件、儀器和系統(tǒng)功能與物理硬件系統(tǒng)中存在著不可避免的差異，所以它不能完全取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)存在著一些局限性：

（1）缺少“實(shí)物感”。不管是以FLUENT為基礎(chǔ)的流體仿真技術(shù)，還是以EWB為基礎(chǔ)的虛擬電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)，都缺少“實(shí)物感”[8]。如常用的管道、壓力容器、閥門，多種多樣的傳感器等，在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生是見(jiàn)不到的。

（2）虛擬仿真很難仿真真實(shí)實(shí)驗(yàn)中元器件參數(shù)的離散性。真實(shí)實(shí)驗(yàn)中元器件參數(shù)存在的離散性，如標(biāo)稱值與實(shí)際值的誤差、元器件在系統(tǒng)工作中因工作條件不同參數(shù)的差異性、同一類型元器件參數(shù)的不一致性、元器件因老化參數(shù)的離散性等，這些在虛擬實(shí)驗(yàn)中是反映不出來(lái)的。那么學(xué)生就會(huì)缺乏這方面的知識(shí)，這不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題意識(shí)的培養(yǎng)[9]。

（3）在虛擬仿真中，很難控制真實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各性能指標(biāo)的精度。真實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各種參數(shù)的精度控制、各種元器件和系統(tǒng)的各種故障現(xiàn)象和在工程中的測(cè)量誤差及引起誤差的因素等，在虛擬實(shí)驗(yàn)中都很難實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)合

虛擬仿真是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬，真實(shí)實(shí)驗(yàn)是虛擬仿真的基礎(chǔ)。虛擬仿真的局限性恰恰又是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，二者是互補(bǔ)的。發(fā)揮他們各自的優(yōu)勢(shì)，會(huì)受到更好的效果[10]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們要堅(jiān)持以下原則：

（一）能“真”勿“虛”

有一部分簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)，只用到一些簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)裝置，過(guò)程簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作容易。這些在現(xiàn)有條件下能夠用真實(shí)實(shí)驗(yàn)很好地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)并達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果的實(shí)驗(yàn)，我們就用真實(shí)實(shí)驗(yàn)來(lái)完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高動(dòng)手能力，而不使用虛擬仿真。

（二）“虛”“實(shí)”互補(bǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)，有的以理解概念和實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)儀器使用為主，有的以測(cè)量為主，有的以觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為主，有的以驗(yàn)證結(jié)論為主，我們可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，確定采用虛擬仿真或是真實(shí)實(shí)驗(yàn)[11]。

（1）可以采用虛擬仿真進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的實(shí)驗(yàn)。

（2）一般采用虛擬仿真來(lái)完成那些元器件費(fèi)用較高或現(xiàn)代一些先進(jìn)技術(shù)或的實(shí)驗(yàn)。

（3）在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，老師可以先安排一些基礎(chǔ)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生對(duì)要用到的主要儀器、有一個(gè)真實(shí)的感覺(jué)后，再采用虛擬仿真，效果要比一開(kāi)始就采用虛擬仿真好。

（4）在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可選用虛擬仿真，這樣就能減少在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的失誤。

四、總結(jié)

虛擬仿真不能完全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，反之亦然。虛擬仿真是以真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)的，是真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種新型的教學(xué)方法。科學(xué)合理地利用虛擬仿真和真實(shí)實(shí)驗(yàn)，有機(jī)地將虛擬仿真和真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮虛擬仿真和真實(shí)實(shí)驗(yàn)各自的優(yōu)勢(shì)[12]。其目的不僅是要加強(qiáng)學(xué)生的基本技能訓(xùn)練、培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力，也要讓學(xué)生掌握新的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識(shí)和高效的實(shí)驗(yàn)方法。只有這樣，才能培養(yǎng)出既具有豐富的知識(shí)又具有很強(qiáng)的動(dòng)手能力的創(chuàng)新型人才。

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