虚拟仿真技术在大学物理教学中的应用分析

陈建勇

桂林航天工业学院理学部

【摘要】虚拟仿真实验可以克服传统仪器规格和数量不足、仪器易损坏的困难，提高实验安全性和仪器使用率，充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用。采用虚拟仿真技术，可构成开放性的教学环境，实现教材、方法、时间和空间等方面的开放性，实现学生个性化学习并全面提高学生科学实验素质。

【关键词】大学物理实验；虚拟仿真技术；应用

【基金项目】本文由桂林航天工业学院校级教学改革研究项目“基于LabVIEW的大学物理仿真实验建设”[2016JB07]资助。

一、引言

高等教育信息化是促进高等教育改革创新和提高质量的有效途径，是教育信息化发展的创新前沿。它以培养高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，持续推进实验教学信息化建设和实验教学资源开放共享，推动高等学校实验教学改革与创新。教育部物理基础课程教学指导委员会发布的《理工科大学物理实验课程教学基本要求》明确提出：要创造条件，充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术丰富教学资源，拓宽教学的时间和空间，提供学生自主学习的平台和师生交流的平台，加强现代化教育信息管理，以满足学生个性化和全面提高学生科学实验素质的需要。因此，推动虚拟仿真实验教学的实现，建立物理实验教学新模式将有深远的意义和必要性。

二、目前大学物理实验中存在的问题分析

（一）实验内容枯燥乏味，缺乏创新性

传统的物理实验教学方式虽然也能很好地培养学生的实践能力和创新思维，但存在以下缺点。首先，很多师生觉得物理实验比较枯燥乏味，缺乏挑战性和成就感，一方面是因为实验教材在短期内得不到及时更新，不能反映最新科技进展，另一方面是因为大多数物理实验都是验证性实验，缺乏可设计性和创新性。其次，教学环节单一，课堂上教师进行讲解和演示，学生按部就班地完成实验，整个实验过程中，学生探索和研究的机会不足。

（二）经费、仪器数量不足，实验室开放时间有限

教育改革的不断深入及高校招生规模的逐步扩大，对实验室建设提出了更高的要求，但投入到物理实验室的经费仍显不足；另外，由于学生的时间有限，物理实验的学时数有限，仍然不能开展典型的物理实验。如何在经费有限、学时有限的情况下使大学物理实验室的建设满足教育规模不断扩大的需求，是摆在我们面前的一个必须要解决的课题。

（三）传统仪器功能单一，利用率低

花大量资金购买的仪器，可能我们只需要其中的一部分功能，而有些功能要求该仪器却满足不了。传统仪器大多只能完成一项具体的实验项目，设备利用率低。如要改变实验条件和内容，则必须更新仪器，重新搭建实验系统。购置新仪器不仅要花费许多时间和钱财，而且设备存储维护又需不小的开支。

三、虚拟仿真实验应用及优势分析

虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，通过接口电路配合计算机完成对数据的采集、处理、传送、存储、显示和打印， 由软件取代传统仪器的硬件来完成仪器的功能。目前在这一领域内，使用较为广泛的是LabVIEW （ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench ）软件，其编程界面图形化，是一个面向最终用户的高效工具。

使用LabVIEW制作的牛顿环仿真实验实现了牛顿环仪的移动方向和视野中图像的移动方向相反，符合显微镜成像的规律。通过设置图像算法，程序能够对所有操作进行反馈，实现目镜中图像的综合实时变化，具有高度的仿真性。在进行数据测量，当转动速率为x1时，单击一下，图像移动千分之一毫米，保持了与真实仪器相同的精度，缺点是移动太慢。为了提高实验效率，我们设置了X100的速率选择按钮，即单击一下移动十分之一毫米。虚拟仿真技术课不仅实现了主尺、鼓轮、图像三者的同步联动，而且通过设置速率选择做到了精度和效率的协调统一。另外，这还可以使学生摆脱烦琐的计算。例如：将10环到19环的左右侧读数填入表格，单击“确定输入完毕”按钮，则独立编写的数据处理程序可自动将暗环直径和曲率半径平均值算出。

虚拟仿真实验可以克服实验室仪器品种、规格和数量不足、仪器易损坏的困难，可提高实验安全性和仪器使用率。传统仪器的维护、维修与性能升级，不仅要花费大量的费用， 而且要投入许多宝贵的时间。在目前各高校实验经费有限、实验教师紧缺的情况下，采用虚拟仪器可解决这一难题。虚拟仿真物理实验教学提高了实验过程的可重复性。虚拟仪器系统可由用户自己定义，自己设计仪器， 可满足不同的要求。一台虚拟仪器可以完成数台甚至成套仪器才能完成的功能，节约了费用，减少了使用空间。惠斯通电桥实验要求在操作过程中瞬间接通电源以防止电流过大而损坏仪器，由于是要仪器旋钮多，学生刚开始常常会忽略和忘记这一点，导致故障频发，若采用虚拟仿真实验则可以避免对仪器的损伤。

将虚拟仿真实验运用于物理实验教学，将改变以教师为中心的传授式教学模式。通过教师指导性的虚拟实验设计和学生自主学习活动的设计，可充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用。虚拟仿真技术加强了学生在学习活动中的思考和创新。虚拟仿真技术提供的优良交互性使实验教学系统能够为学生提供必要的反馈，学生可以通过屏幕提示逐步思考、选择，探索物理现象的本质，大大提高了理解力和掌握能力。对于一些复杂的、较危险的实验，虚拟仿真实验更是不可替代的。运用虚拟现实技术，刺激学生的视、听觉神经， 调动学生的学习积极性和主动性，提高教学效果，也有利于对学生实验成绩客观评价，形成个体差异，增强学生学习物理实验的兴趣和成就感，从而提高物理实验课的教学质量。

虚拟仿真实验有利于提高实验效率与效果。一些真实实验仪器类似黑匣子，学生看不到仪器的内部结构，学生对实验原理和仪器原理的理解遇到障碍。而仿真实验可以给学生展示实验仪器的内部結构，使学生了解仪器的内部运行过程，加深了对实验仪器和原理的理解，提高了真实实验教学的效果。

应用虚拟仿真实验，可以丰富教学内容，突破时空限制，便于资源共享。采用虚拟仿真技术，可构成开放性的教学环境，实现教材、方法、时间和空间等方面的开放性。仿真实验可以在实验室里完成，也可以在课后独立完成，使学生可以自行设计和选择实验方式，给学生充分发挥想象力的空间，培养学生分析、应用和探究创新的能力。还有利于学生进行扩散思维，有利于已有知识向新知识学习迁移。虚拟仿真实验可以制作成网络实验室形式，学生在任何地方只要可以上网就可以使用。

【参考文献】

[1]刘君华.基于LabV IEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]李斌，谭鹏，陈国杰，等.LavVIEW在物理设计性实验中应用的探讨[J].大学物理实验，2012，25（03）：85-87.

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