虛擬仿真技術在近代物理實驗教學中的探討

摘要：本文分析了在近代物理實驗教學中引入虛擬仿真技術的意義，探索了仿真實驗輔助近代物理實驗的教學路線，形成了電子教案理論指導—虛擬仿真軟件預習操作—物理實驗測量檢驗的物理實驗教學新模式，歸納總結了教改實施的效果。

關鍵詞：近代物理實驗；虛擬仿真；教學模式；實施效果

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）06-0213-02

一、引言

虛擬仿真技術對高等教育發展影響廣泛，它改變了以往傳統的教學模式，為高等教育教學的開展提供了先進的手段。教育部在《大學物理實驗課程教學基本要求》中明確提出，在教學模式和方法上要“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，營造多元化的教學模式”等基本要求。將虛擬仿真技術引入實驗教學，對于促進《近代物理實驗》教學方法的改革具有現實意義。在培養學生實驗基本技能方面，實際動手進行操作是必要的步驟，但對在復雜的物理實驗中，由于設備、材料費用等，虛擬仿真實驗在軟件設計的引導下完成實驗的每一步，變得更為直觀，并且容易做到[1]。對開放性、創新性實驗，虛擬仿真實驗的教學模式更為有效，特別是對實驗數據的整理、實驗結果的分析，以及撰寫實驗報告等環節，都可由仿真軟件進行處理并得出正確結論，在計算機上無紙化完成。如果普通物理實驗在于打好實驗基礎，近代物理實驗則注重分析、解決物理問題能力的培養，那么在較復雜、難理解的近代物理實驗項目中，應用虛擬仿真技術進行模擬實驗更為簡便易行，適合學生獨立操作完成，優勢明顯。為此，應用虛擬仿真實驗系統教學，建立近代物理實驗教學新模式，保持與教育部的基本要求相一致，適合當今教育發展需求，緊跟時代發展步伐。

二、探索仿真實驗輔助近代物理實驗的教學模式

近代物理實驗作為高等院校的專業課程實驗，教學內容復雜，任務量大，受實驗儀器、實驗材料等制約因素較多，這是實驗教學所面臨的突出問題。合理有效地利用好有限的設備、材料和師資資源，在一定的時間、空間獲得較好的教學效果，是我們研究探討的重要課題。為了解決這一矛盾，有必要在實驗教學中引入模擬仿真實驗教學手段，探索仿真實驗輔助教學新模式。

開發制作近代物理實驗電子教案，實現實驗的輔助講解，可調動學生參與實驗的積極性，激發學生的學習興趣；應用交互式仿真實驗軟件，指導學生進行預習、復習，打破傳統實驗教學一貫的單一模式，為實驗教學提供更為方便靈活、寬松自主的教學方法；在實驗上，仿真實驗拓展了有限的課堂教學時間，為學生展示實驗原理，驗證實驗數據；利用仿真實驗對實驗相關理論進行分析，對實驗的歷史背景和意義進行講解，對實驗現象進行演示，使仿真實驗成為連接理論教學與實驗教學的紐帶，形成電子教案理論指導—模擬仿真軟件預習操作—物理實驗測量檢驗的仿真實驗輔助教學、理論與實踐相結合的一種嶄新教學模式。虛擬教學課件的設計由簡單到復雜，操作由簡到繁，內容由少到多，使教學內容循序漸進，不斷深入。學生實驗也從打好實驗基礎起步，到實驗技能的養成，進而到實驗技能的提高。對教學內容進行層次性劃分，使學生實驗能力的提高分層進行。隨著實驗層次的不斷提高，學生的實驗能力不斷提高，課堂實驗的學習狀態也發生了改變，由過去等教師講解、演示，有問題依賴教師解決，變為自己獨立研討解決。隨著教學改革的不斷深入，逐漸實現從以教師為中心向以學生為中心、教師輔助指導的教學模式轉變，以灌輸式教學向邊學邊做的研究性教學模式轉變，提高學生的實驗操作技能，提升實踐綜合素質。

三、虛擬仿真技術輔助近代物理實驗教學的效果

通過兩年的教學實踐，虛擬仿真技術輔助近代物理實驗教學的模式取得了良好的效果，激發了學生的學習興趣，提高了學習效率，增加了實踐操作能力。

1.改革傳統實驗教學模式。在物理實驗教學中應用虛擬仿真技術，改變傳統教學以教師為主的講授、演示的教學方法，由教師指導學生進行虛擬實驗設計，自主學習，實現經過教師的指導由學生自主完成實驗。學生在實驗中能夠通過觀察提出假設，學會使用仿真交互實驗教學平臺，使之成為提供必要反饋的窗口。通過觀察屏幕提示，逐步進行思考、選擇，由淺入深地探索物理現象的本質，通過反復實驗操作，提高分析能力和創造能力。

2.激發學生學習熱情。應用虛擬仿真技術，可以通過文字、聲音和圖像聲情并茂地展示物理實驗現象，把涉及的理論知識、物理現象、實驗過程形象地展現在學生的面前。通過對書中難于理解、較抽象的內容進行圖形化、形象化處理，使學生耳濡目染，有身臨其境的感覺，以此激發學生學習實驗的熱情。學生在仿真軟件上預習相關實驗內容后，進行模擬操作[3]，可以避免實驗中的操作失誤，提高實驗操作效率。

3.取得較好的學習效果。虛擬仿真技術通過對聲音、文字、圖形、視頻等信息的存儲再現處理，突出了形象性，增強了感染力，填補了傳統實驗教學的不足。學生通過多感官來獲取信息，提高信息獲得效率。虛擬仿真技術打破時空限制，可以恰如其分地演示一些抽象的、復雜的、不便直接觀察遠離人們日常生活經驗的自然過程和現象[2]，多角度、全方位地展示物理科學內涵，豐富實驗教學內容，使學生既能看得見又能聽得到，還能動手操作，通過討論、交流，用自己的分析得出結論。知識的獲得，遠遠好于傳統教學效果。

4.建設輔助教學平臺。虛擬仿真技術教學為師生提供了一個嶄新的學習平臺，學生可以通過閱讀電子教案、學習課件對相關實驗進行預習，回答問題，檢測預習結果，在檢測題答對一定比例后，才能進入虛擬仿真實驗階段。在完成仿真實驗的過程中，學生預習時發現問題可及時向教師提出、發表自己的意見，并同教師進行討論，教師也便于了解學生的實驗操作情況，以保證學生在后續物理實驗中的操作的正確性。虛擬實驗完成后，再進行物理實驗，分析比較仿真實驗和物理實驗的步驟、數據及結果，加深對實驗原理的理解。

5.節約實驗經費。虛擬仿真實驗可以解決實驗室儀器數量不足的問題，避免儀器損壞，并可模擬大型實驗“儀器”操作及復雜的物理現象，節約實驗材料經費。隨著現代物理理論的發展，常規的實驗儀器和實驗方法已遠遠無法滿足實驗要求，如晶體結構研究、核實驗、輻射實驗等。應用虛擬仿真技術，可以將目前新技術測得的大數據通過信息處理，用圖像的方式直接地展現于學生面前，便于他們了解掌握。

四、結語

結合學校實驗設備具體情況，把虛擬仿真技術引入傳統近代物理實驗教學，實現傳統教學方式向現代教學方式的轉化，將硬件實驗驗證方式向多元化實驗方式轉移，讓實驗不再受任何約束、限制，學生可在計算機上進行虛擬仿真實驗，為其創建良好的實驗環境。通過虛擬仿真實驗引入新的概念和規律，把理論教學與實驗教學有機地融為一個整體，改革傳統實驗教學模式，豐富教學內容[4]，師生互動，調動學生學習實驗的積極性和主動性，提高實驗教學質量，節約實驗經費開支，建立具有一定推廣價值的人才培養實踐教學新模式，促進學生研究能力、創新意識和綜合素質的全面提高。

參考文獻：

[1]韓振海.VirtualLab虛擬仿真在物理光學中的應用[J].河西學院學報，2016，32（5）：32-38.

[2]騰香.近代物理虛擬仿真實驗系統的開發研究與實踐[J].渤海大學學報，2015，36（3）：204-207.

[3]李明標.波爾茲曼常數的Multisim仿真實驗測試[J].渤海大學學報，2017，38（3）：200-204 .

[4]李明標，陳維石，孫爽，舒天爽.單擺法測量空氣密度實驗分析[J].渤海大學學報，2016，37（4）：322-325.