淺談大學物理實驗教學設計中虛擬仿真實驗的應用

韓永平

伴隨著現代教育事業不斷發展，老師開展教育教學活動也十分注重對先進科學技術的運用，現代信息技術的使用可以使學生的學習過程變得更加自主、高效。而虛擬仿真實驗作為一種實驗形式，在大學物理實驗教學中占據著舉足輕重的地位，對虛擬仿真實驗進行有效運用可以彌補傳統物理實驗存在的諸多不足，使學生學習的自由度和靈活性得到提高，最終形成全空間和全過程的閉環教學模式，物理實驗教學效果也會得到極大提升[1]。本文結合傳統大學物理實驗教學存在不足，從真實預習、虛實對照、隨時回溯等方面著手，探討虛擬仿真實驗在大學物理實驗教學設計中的應用，以供參考。

1 傳統大學物理實驗教學存在不足分析

采用傳統教學模式開展大學物理實驗教學，主要流程為學生進行自主預習，老師在課堂上對實驗背景、原理等進行介紹，并指導學生完成實驗和提交報告。整個教學過程中，容易受到課程設置時間、教學資源、學生學習空間等因素影響，致使物理實驗教學存在以下不足：

（1）預習過程無法控制，雖然現代教育十分提倡學生進行課前預習，但是實際上很多學生無法完成預習工作，并且老師也無法對學生預習過程和效果進行監控，即便是學生提交了預習報告，但是也會受到無法接觸實驗儀器影響，致使學生只能對實驗需要運用理論知識進行預習，無法起到提高實驗教學效率和質量的作用。

（2）實驗過程演示較為困難，老師在開展物理實驗教學時，通常會對實驗原理、實驗思路設計、實驗手段等進行講解，而對整個實驗過程進行演示會受到課程設置時間的影響，只能夠快速完成操作，不利于學生精準把握實驗步驟，與能力提升，尤其是學生缺乏對整個實驗過程和結果準確性的科學判斷，以致于學習存在諸多疑問，學生實驗素質、實踐能力、創新能力也無法得到有效培養。

（3）對照總結較為欠缺，在完成實驗教學以后，學生需要對物理實驗報告進行撰寫，然而操作中學生無法對物理教學過程進行回溯，導致相應物理結果缺乏數據支撐，不利于學生就物理實驗結果進行深入理解、分析和討論，久而久之學生也會遺忘所需物理實驗知識[2]。

2 大學物理實驗教學設計中虛擬仿真實驗的應用

2.1 真實預習，為學生學習提供相同實驗環境

虛擬仿真實驗主要是利用現代計算機、互聯網等信息技術，對各種虛擬實驗環境進行創設，學生可以以交互的方式展開操作，并且操作時間和次數不受制約，為學生物理實驗預習提供極大便利。并且在虛擬仿真實驗中，所展現出的實驗儀器與真實環境相同，學生可以在虛擬仿真環境中，對這些物理實驗儀器進行觸碰和操作，整個過程中學生可以對物理實驗過程、具體操作步驟、試驗結果反饋等進行完整操作，既能夠對所要學習物理實驗有一個全面、系統的了解，又能夠對預習過程中出現的問題及時記錄，以便于在實際課堂教學中向老師請教，也為物理實驗教學高效率和高質量完成奠定良好基礎。

2.2 虛實對照，將預習和講授結合起來

學生在完成課前物理實驗預習后，對實際課堂教學物理實驗項目內容已經有一個較為系統的了解，老師在開展課堂實驗講授時，學生也能緊跟老師教學思路，對物理實驗項目背景、操作目的、實施步驟等進行準確理解和掌握，針對預習過程中遇到的難點問題，也可以在課堂上及時指出來，與老師、同學交換意見和溝通討論，這些學習問題也能得到快速和準確解決，學生知識掌握也會更加牢靠[3]。此外，老師在課堂教學中還可以將真實實驗過程與虛擬實驗過程有效聯系起來，引導學生在相互對照中進行學習和思考，不僅可以幫助學生有效掌握整個實驗，還能夠在腦海中構建整個物理實驗結構體系，學生實驗操作、思考探究等能力也會得到鍛煉和提升，大學物理實驗教學也會變得更加事半功倍。

2.3 隨時追溯，實現全空間、全過程閉環學習

在完成物理實驗教學以后，學生需要對實驗報告進行撰寫，實際執行過程中無法避免的會出現缺少實驗步驟、忘記重要實驗數據等情況，究其原因在于學生物理實驗把握不夠牢靠，這時候就可以充分利用虛擬仿真實驗對整個實驗過程進行回顧，針對實驗步驟、實驗結果也能進行再次復習，針對存在疑問的地方也可以與老師以及其他同學進行深入研究和探討，最終在撰寫實驗報告過程中完成實驗學習總結，學生也可以在物理實驗追溯過程中發現自身學習存在的不足之處，并在不斷彌補和加強中掌握更多大學物理實驗學習方法，使物理教學效果進一步提升[4]。

3 虛擬仿真大學物理實驗教學設計——以牛頓環實驗為例

通過將虛擬仿真實驗與在線教學管理系統有效結合起來，使之構成虛擬仿真實驗教學系統，將之運用到大學物理實驗教學中，不僅可以進行虛擬仿真實驗，還能夠對學生實驗學習過程實施在線管理，甚至老師還可以將開展物理實驗涉及的理論難點、數據處理方法等信息資料融入系統當中，以引導學生更加有效開展物理實驗學習和操作，整個學習過程中學生與老師、學生與學生還能夠進行在線互動和交流，可以有效克服傳統教學模式下存在的時間空間不足、溝通交流缺乏等問題，并為學生大學物理實驗學習建立起全新的全時間、全過程和全閉環教學模式。

大學開展牛頓環物理實驗本質目的在于用牛頓環測曲率半徑，并通過實驗教學讓學生觀察等厚干涉現象和了解等厚干涉原理，進而掌握測定凸透鏡曲率半徑的方法，對讀數顯微鏡用法也能準確掌握。為了確保牛頓環實驗教學效果，老師就可以將虛擬仿真實驗應用到實際教學中，整個教學過程為：

（1）預習階段，學生通過虛擬仿真教學管理系統，對牛頓環實驗進行預習，老師也可以設置理論和實際操作試題，讓學生在完成實驗預習以后做題，老師通過學生預習試題完成情況，可以對學生實驗預習整體情況有一個大致了解，在實際教學中就可以對學生預習普遍存在問題進行詳細講解，以確保最終實驗教學質量。

（2）教師授課，老師通過學生預習試題完成情況，可以對學生牛頓環理論和實驗操作具體情況加以把握，針對學生存在的半反半透鏡使用不熟練、實驗設計原理掌握不足等問題，在課堂上進行側重講授，讓學生光路調節和實驗數據處理更加科學和規范，在實驗原理部分則可以通過詳細介紹牛頓環原理設計一些應用，如：增透膜、增反膜功能設計思路等，在實驗演示部分則要進一步強調學生顯微鏡、牛頓環操作注意事項，以達到彌補缺漏和強化學生實驗掌握目的。

（3）課后總結，在完成教學以后，老師可以通過虛擬仿真實驗系統與學生展開密切溝通和交流，并及時指出學生學習存在的問題，引導學生利用虛擬仿真實驗進行復習，針對想不通的問題及時聯系老師和同學進行請教和討論，不僅可以及時解決學習遇到難題，還能夠增強學生學習積極性和自信心，使物理實驗教學效率和質量得到顯著提高[5]。

4 結語

本文是基于對大學物理實驗教學設計中虛擬仿真實驗應用的分析，對虛擬仿真實驗加以運用，可以打破傳統物理實驗教學時間和空間桎梏，讓學生學習更加自由和靈活，相應物理實驗教學效率和質量也會得到極大提高。實踐應用中老師也要結合學生學習實際，積極引入虛擬仿真實驗，引導學生在真實實驗環境中進行預習，并在實際教學中將真實實驗過程與虛擬仿真實驗過程進行比較分析，幫助學生對整個實驗過程進行全面掌握，在有效解決重難點問題基礎上，提高學生實驗操作、思考探究等能力，最后通過虛擬仿真實驗回顧，可以引導學生對所學習物理實驗進行回顧和復習，進一步增強大學物理實驗教學有效性。