虛擬仿真技術在大學物理教學中的應用分析

陳建勇

桂林航天工業學院理學部

【摘要】虛擬仿真實驗可以克服傳統儀器規格和數量不足、儀器易損壞的困難，提高實驗安全性和儀器使用率，充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用。采用虛擬仿真技術，可構成開放性的教學環境，實現教材、方法、時間和空間等方面的開放性，實現學生個性化學習并全面提高學生科學實驗素質。

【關鍵詞】大學物理實驗；虛擬仿真技術；應用

【基金項目】本文由桂林航天工業學院校級教學改革研究項目“基于LabVIEW的大學物理仿真實驗建設”[2016JB07]資助。

一、引言

高等教育信息化是促進高等教育改革創新和提高質量的有效途徑，是教育信息化發展的創新前沿。它以培養高校學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，持續推進實驗教學信息化建設和實驗教學資源開放共享，推動高等學校實驗教學改革與創新。教育部物理基礎課程教學指導委員會發布的《理工科大學物理實驗課程教學基本要求》明確提出：要創造條件，充分利用包括網絡技術、多媒體教學軟件等在內的現代教育技術豐富教學資源，拓寬教學的時間和空間，提供學生自主學習的平臺和師生交流的平臺，加強現代化教育信息管理，以滿足學生個性化和全面提高學生科學實驗素質的需要。因此，推動虛擬仿真實驗教學的實現，建立物理實驗教學新模式將有深遠的意義和必要性。

二、目前大學物理實驗中存在的問題分析

（一）實驗內容枯燥乏味，缺乏創新性

傳統的物理實驗教學方式雖然也能很好地培養學生的實踐能力和創新思維，但存在以下缺點。首先，很多師生覺得物理實驗比較枯燥乏味，缺乏挑戰性和成就感，一方面是因為實驗教材在短期內得不到及時更新，不能反映最新科技進展，另一方面是因為大多數物理實驗都是驗證性實驗，缺乏可設計性和創新性。其次，教學環節單一，課堂上教師進行講解和演示，學生按部就班地完成實驗，整個實驗過程中，學生探索和研究的機會不足。

（二）經費、儀器數量不足，實驗室開放時間有限

教育改革的不斷深入及高校招生規模的逐步擴大，對實驗室建設提出了更高的要求，但投入到物理實驗室的經費仍顯不足；另外，由于學生的時間有限，物理實驗的學時數有限，仍然不能開展典型的物理實驗。如何在經費有限、學時有限的情況下使大學物理實驗室的建設滿足教育規模不斷擴大的需求，是擺在我們面前的一個必須要解決的課題。

（三）傳統儀器功能單一，利用率低

花大量資金購買的儀器，可能我們只需要其中的一部分功能，而有些功能要求該儀器卻滿足不了。傳統儀器大多只能完成一項具體的實驗項目，設備利用率低。如要改變實驗條件和內容，則必須更新儀器，重新搭建實驗系統。購置新儀器不僅要花費許多時間和錢財，而且設備存儲維護又需不小的開支。

三、虛擬仿真實驗應用及優勢分析

虛擬儀器是在以計算機為核心的硬件平臺上，利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，通過接口電路配合計算機完成對數據的采集、處理、傳送、存儲、顯示和打印， 由軟件取代傳統儀器的硬件來完成儀器的功能。目前在這一領域內，使用較為廣泛的是LabVIEW （ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ）軟件，其編程界面圖形化，是一個面向最終用戶的高效工具。

使用LabVIEW制作的牛頓環仿真實驗實現了牛頓環儀的移動方向和視野中圖像的移動方向相反，符合顯微鏡成像的規律。通過設置圖像算法，程序能夠對所有操作進行反饋，實現目鏡中圖像的綜合實時變化，具有高度的仿真性。在進行數據測量，當轉動速率為x1時，單擊一下，圖像移動千分之一毫米，保持了與真實儀器相同的精度，缺點是移動太慢。為了提高實驗效率，我們設置了X100的速率選擇按鈕，即單擊一下移動十分之一毫米。虛擬仿真技術課不僅實現了主尺、鼓輪、圖像三者的同步聯動，而且通過設置速率選擇做到了精度和效率的協調統一。另外，這還可以使學生擺脫煩瑣的計算。例如：將10環到19環的左右側讀數填入表格，單擊“確定輸入完畢”按鈕，則獨立編寫的數據處理程序可自動將暗環直徑和曲率半徑平均值算出。

虛擬仿真實驗可以克服實驗室儀器品種、規格和數量不足、儀器易損壞的困難，可提高實驗安全性和儀器使用率。傳統儀器的維護、維修與性能升級，不僅要花費大量的費用， 而且要投入許多寶貴的時間。在目前各高校實驗經費有限、實驗教師緊缺的情況下，采用虛擬儀器可解決這一難題。虛擬仿真物理實驗教學提高了實驗過程的可重復性。虛擬儀器系統可由用戶自己定義，自己設計儀器， 可滿足不同的要求。一臺虛擬儀器可以完成數臺甚至成套儀器才能完成的功能，節約了費用，減少了使用空間。惠斯通電橋實驗要求在操作過程中瞬間接通電源以防止電流過大而損壞儀器，由于是要儀器旋鈕多，學生剛開始常常會忽略和忘記這一點，導致故障頻發，若采用虛擬仿真實驗則可以避免對儀器的損傷。

將虛擬仿真實驗運用于物理實驗教學，將改變以教師為中心的傳授式教學模式。通過教師指導性的虛擬實驗設計和學生自主學習活動的設計，可充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用。虛擬仿真技術加強了學生在學習活動中的思考和創新。虛擬仿真技術提供的優良交互性使實驗教學系統能夠為學生提供必要的反饋，學生可以通過屏幕提示逐步思考、選擇，探索物理現象的本質，大大提高了理解力和掌握能力。對于一些復雜的、較危險的實驗，虛擬仿真實驗更是不可替代的。運用虛擬現實技術，刺激學生的視、聽覺神經， 調動學生的學習積極性和主動性，提高教學效果，也有利于對學生實驗成績客觀評價，形成個體差異，增強學生學習物理實驗的興趣和成就感，從而提高物理實驗課的教學質量。

虛擬仿真實驗有利于提高實驗效率與效果。一些真實實驗儀器類似黑匣子，學生看不到儀器的內部結構，學生對實驗原理和儀器原理的理解遇到障礙。而仿真實驗可以給學生展示實驗儀器的內部結構，使學生了解儀器的內部運行過程，加深了對實驗儀器和原理的理解，提高了真實實驗教學的效果。

應用虛擬仿真實驗，可以豐富教學內容，突破時空限制，便于資源共享。采用虛擬仿真技術，可構成開放性的教學環境，實現教材、方法、時間和空間等方面的開放性。仿真實驗可以在實驗室里完成，也可以在課后獨立完成，使學生可以自行設計和選擇實驗方式，給學生充分發揮想象力的空間，培養學生分析、應用和探究創新的能力。還有利于學生進行擴散思維，有利于已有知識向新知識學習遷移。虛擬仿真實驗可以制作成網絡實驗室形式，學生在任何地方只要可以上網就可以使用。

【參考文獻】

[1]劉君華.基于LabV IEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社，2003.

[2]李斌，譚鵬，陳國杰，等.LavVIEW在物理設計性實驗中應用的探討[J].大學物理實驗，2012，25（03）：85-87.

[3]方利廣.大學物理實驗[M].上海：同濟大學出版社，2006：66-70.