虚拟仿真技术对大学物理实验教学的影响

郭晓春

摘 要 大学物理实验课程是高校理工科学生的一门通识必修基础课程，是学生实践能力和创新能力培养的必需环节。随着信息化教育改革的推进，虚拟仿真技术与传统大学物理实验教学方式相融合，构建立体化教学新模式，势必会在教学中取得显著效果，对大学物理实验的教学改革产生深远影响。

关键词 虚拟仿真 大学物理实验 教学改革

中图分类号：TP391.9 文献标识码：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

大學物理实验课一般在一、二年级学生中开设，着力培养学生的理论分析能力、动手实践能力和创新能力，是学生系统接受实验方法和实验技能训练的开端，为学生之后的专业实验课打基础，因此作用和地位极其重要。然而在实验教学过程中，由于教学条件和一些客观原因的限制，实验教学效果并不理想，致使传统物理实验教学方式的弊端逐渐突显。教育信息化是高等学校促进教学改革和提升教学质量的重要举措，虚拟仿真技术为代表的教育信息化手段迅速发展，为大学物理实验教学开辟了一条新的路径。将虚拟仿真技术应用于物理实验教学，必将极大地改善教学效果、提高教学质量和教学效率。①

1 传统物理实验教学的现状及困难

1.1 实验教学模式单一

传统的物理实验教学方式，学生完成一个实验题目的学习任务都要经历实验预习、课上操作、数据处理、撰写报告这一流程。课前，教师要求学生认真预习并撰写预习报告。实验预习是整个实验环节的起点，也是重中之重。然而实际中，在课前预习时没有实验仪器作为参照，面对教材中抽象、枯燥的原理讲述，大部分学生出现了畏难情绪，直接体现就是实验预习敷衍了事，在预习报告中机械性地照搬照抄教材，充当“复印机”的角色，并没有去深刻地了解、探究实验的原理和过程，导致在实验的一开始就留有隐患。课上，教师讲解和演示实验的操作，学生只是复制教师的操作过程完成实验任务。这种传统的实验教学模式，使学生处于被动的地位，即使完成了实验也是不知其所以然，更别提对实验更深层次的思考、探索和创新了。课后，处理数据和撰写实验报告，学生更是敷衍了事，甚至相互抄袭，其数据处理的计算过程和结果经不起实践的检验。

1.2 学生消极对待物理实验

在教学中发现，学生对于基础课程的重视程度明显低于专业课程。一堂完整的实验课通常是3个学时，在这短暂的3个学时中，教师要讲解实验的操作并演示，学生要熟悉仪器和完成实验操作，学生很难再有时间去分析和独立思考，更谈不上去设计实验，这无疑使教学效果大打折扣。不少学生在实验课上就是走一个过场，实验课上并不认真听讲，实验中胡乱操作，得到的实验结论与理论值相差较大，甚至造成仪器损坏。在实际的教学中，我们也探索选择每个班级较为优秀的学生来充当教师的角色，先给这部分学生详细讲解实验的原理和操作，再由他们用课余时间给班级的其他学生讲解，学生之间相互交流沟通较为便利，这样的教学模式也取得了一定的效果，但是由于学生相互讲解时没有实验仪器作为参照，同样也很难调动学生们的积极性。

1.3 实验成绩评定难以把握

传统的实验教学，教师评定成绩的时候通常依照学生的实验预习、实验操作、数据处理的综合情况来考量，每部分各占一定的分值。但是在实际的执行过程中，由于学生人数多、师资力量有限、教师教学任务繁重等诸多原因，教师对学生实验成绩的判定主要凭借实验报告和学生表现，主观性强，并不能客观充分地反映出不同学生实验能力的差异。②

1.4 理论滞后实验

大学物理实验课与大学物理课程同步开设，但是上课时间受到实验室场地、实验仪器、实验教师安排、学生安排等多种因素的影响，时常会导致实验所涉及的理论知识学生在课前并未接触，而实验教师又不能利用有限的实验课时去深入讲解理论支撑。③

1.5 教学状态封闭

目前，部分学校的实验课都是由学校教务部门按照教学计划统一安排，受实验人员有限，实验仪器需要前期准备和后期维护等因素的影响，学生很难在课前预习实验和课程结束后进入实验室自主学习。

2 大学物理虚拟仿真实验的优势与不足

虚拟现实技术（Virtual Reality technology）④⑤是运用计算机仿真技术，在使用者眼前营造一个虚拟环境，并且可以真实反映操作对象的变化。

2.1 虚拟仿真实验教学是教育信息化的新模式

虚拟仿真实验教学，是信息时代高等教育变革的必然产物，为学生开展探究性学习、进行创新实践训练提供了先进手段和优质平台。⑥

物理虚拟仿真实验并不复杂，也不高深。就是把现有的实验原理、过程及相关仪器设备性能进行整合，形成文字、图像、音像资料挂在网上，供学生预习、学习、复习，使他们对实验总体情况有个客观把握。或对某个具体细节（包括具体操作步骤、现象）进行学习、理解，为实际操作打下一个良好基础。虚拟仿真实验可实现远程网络教学，⑦学生在任何一台计算机上通过互联网便可访问安装在学校服务器上的虛拟仿真实验系统，完成虚拟实验操作过程，不受时间和空间的影响。

2.2 虚拟仿真技术有助于转变单一的实验教学模式

将虚拟仿真技术与传统实验教学方式相融合，有利于转变现有的以教师为主导的单一实验教学模式。学生亲自动手用真实的仪器完成实验，是物理实验教学不可或缺的一个流程。然而，虚拟仿真实验在学生的实验预习环节大有作为。高校校园网的全覆盖已成为普遍现象，开放式的预习环境可以使学生在任何地方通过计算机在没有教师指导的情况下完成实验的虚拟仿真预习，完全不受时间和实验室开放的限制。实验的操作是计算机虚拟完成的，因此实验操作具有较强的重复性，无需考虑实验的消耗，也不会出现操作错误所导致的仪器损坏，同时减轻了实验教师批改预习报告的繁重工作量。虚拟仿真实验系统，能够让学生在课前对整个实验有一个全面充分的了解，能够丰富教学内容和教学手段，有助于提高课堂教学质量和效率，同时更能激发学生的学习兴趣和求知欲望。

2.3 虚拟仿真实验有助于客观评定学生的实验能力

虚拟仿真实验系统以互联网为平台，通过计算机辅助将仪器设备、实验内容、教师指导、学生操作、实验数据处理有机融为一体，打造成一本可操作的实验教科书。⑧虚拟仿真系统中的实验仪器以模块化构成，可进行任意选择和自由组合，可以达到用不同的操作方法完成同一实验任务的目的。系统中随机产生待测物理量，可以对实验误差进行模拟，也可适应同时进行实验操作的不同学生和同一学生的不同次操作。在实验过程中，计算机会自动记录学生的操作过程和数据内容，并对此进行评判，有助于客观评定学生的综合实验能力。同时，还可以借助实验报告自动评判系统定制实验报告模板，对学生完成的实验数据处理进行计算机自动评判，更加客观、公正。

2.4 虚拟仿真实验存在的不足

目前，市面上的虚拟仿真实验系统主要是针对部分高校所使用的物理实验仪器研制的。然而，物理实验仪器生产厂家众多，不同厂家生产的仪器在面板结构、操作方法上都是有区别的，每所高校选用的实验仪器也是不同的。因此，购买的虚拟仿真实验系统肯定不会与本校的每一个实验项目的实验仪器都匹配，导致教师和学生在使用过程中达不到预期的理想教学效果，如果专门定制适合本校的系统则会大大增加投入。

3 结论

根据大学物理实验课程特点和教学需求，构建真实实验与虚拟仿真实验相结合的实验教学体系，充分发挥真实实验与虚拟仿真实验的各自优势，实现虚实结合、相互补充，重点培养学生的掌握知识能力、动手操作能力、独立思考能力、综合设计能力、创新思维能力，将素质能力培养贯穿于实验教学的全过程，势必会在大学物理实验教学改革中取得显著效果，进一步推动高等学校教学信息化向前发展。

基金项目：辽宁省社会科学规划基金项目（L14CGL042）

注释

① 郭文阁.仿真实验在大学物理实验教学应用探讨[J].大学物理实验，2015.28（3）：124-127.

② 张林.虚拟仿真技术对大学物理实验教学影响的探究[J].大学物理实验，2015.28（1）：116-118.

③ 王艳华.虚拟仿真实验——大学物理实验教学多元化的平台[J].课程教育研究，2015：188-189.

④ 杨宏伟.虚拟仿真技术在物理实验中的应用[J].实验室研究与探索，2005.24（9）：38-39.

⑤ 谭守标.计算机虚拟技术在大学物理仿真实验教学系统中的应用[J].中国科学技术大学学报，2005.35（3）：429-433.

⑥ 王卫国.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015.34（5）：214-219.

⑦ 秦景良.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].广西民族大学学报（自然科学版），2011.17（3）：97-100.

⑧ 周燕.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2008.22（5）：106-109.