物理实验教学示范中心虚拟仿真实验平台的建设

黄金栋

摘要：从大学物理实验教学开放共享的特点出发，根据物理实验教学示范中心的发展需要，以促进自主学习和提升教学效果为目标，将虚拟仿真技术与网络技术相结合，构建了一个物理虚拟仿真实验教学平台。提出了平台建设的基本原则和体系架构，并以光栅单色仪虚拟仿真实驗为例，详细介绍了虚拟仿真实验在线学习和教学互动的全过程。虚拟仿真实验平台的建成，完善了物理实验的教学体系，丰富了物理实验的教学手段，实质性地推动了以学生为主体、教师为主导的教学模式的开展，使物理实验教学的教学效果得到了显著提升。

关键词：物理实验教学;虚拟仿真技术;在线教学;自主学习

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）30-0261-04

实验教学是教学进程中不可或缺的重要组成部分，是学生加深理论知识理解的一个重要环节，也是学生提高创造性思维和实践能力的一个有效手段。在当前的物理实验教学中，受实验种类繁多、仪器结构复杂和价格不菲等因素的制约，再加上大学物理实验教学特有的普适性和开放性的特点，往往不能满足每位学生自主安排实验课程、自行设计实验参数、反复多次调试实验仪器的需要。这对于学生对物理实验学习的积极性、自主性和创造性造成了一定的困难。

随着现代信息技术，特别是虚拟仿真技术的不断发展，物理实验教学的网络化和虚拟化，在很大程度上弥补了传统大学物理实验教学实践中在人力、物力、时间和空间上的不足。近年来，高等教育领域的一个新动向是“促使学生从以往课程内容单一的消费者向创造者和设计者转变”嘲。目的在于使实验者能根据自己对课程内容的理解自主地设计和开展实验的学习，培养学生的创新能力和自主学习能力。因此，虚拟仿真实验逐渐成为在理论教学和实验教学之后的又一种新型的教学模式。它是以计算机硬件为依托，以虚拟仿真技术、多媒体技术和网络技术为基础，使学生借助互联网以人机交互的方式在虚拟的实验设备和场景中模拟现实情况来进行的实验。

教育部2013年发布的《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》中明确指出，虚拟仿真实验教学中心建设应充分体现“虚实结合，相互补充，能实不虚”的原则。

我校物理实验中心作为天津市级优秀实验教学示范中心建设单位，一直在着力探索真实物理实验和虚拟仿真物理实验相结合的道路，特别是针对大学物理实验的开放性和虚拟化。为此，我中心在现有物理实验网络教学平台的基础上，进一步建设了一个大学物理虚拟仿真实验平台。

1虚拟仿真实验平台的设计原则

1.1以开放共享为基础

虚拟仿真实验平台是物理实验教学示范中心的重要组成部分，它是以物理实验网络教学平台为依托的。我中心的物理实验网络教学平台，面向全校27个本科专业、3300多名学生，是全校覆盖专业最广、学生受益面最大的实验教学平台，负责大学物理实验课程的教学运行和管理。来自不同专业的学生对声、光、力、热、电、磁等方面物理知识的需求不同，实验教学平台可为不同层次和需求的学生提供实验内容和实验方式上的个性化选择;此外，实验教学平台全天候24小时开放，学生可以自己安排实时在线的实验预约、实验预习、实验复习和实验考核。实验平台的开放共享是在教学过程中真正实施以学生为主体、教师为主导的具体体现，并能充分用发挥现有的软硬件教学资源。

开放共享的实验教学平台，也为不同学科、不同院校、不同企业以及不同地区的教学科研工作提供资源的互通和协同发展。

虚拟仿真实验平台的建立，在实验预习、实验复习、实验考核、真实实验的有益补充以及科教资源共享等方面，成为物理实验中心网络教学平台的重要支撑。

1.2以自主学习为重点

长期以来由于教学资源不足和教学时间有限，实验教学往往是以教师拟定好实验步骤，学生遵循教师给出的方案来操作的模式开展。这种教学模式抑制了学生主动学习的热情，将学生的创造性思维限制在极小的范围内㈣。多年的教学实践证明，实施以学生为主体，教师为主导的教学是激发学生兴趣、实现教学目标、确保教学质量的重要举措。因此，物理虚拟仿真实验，应该根据学生的需要，为学生自主选择实验仪器、自主设计实验方案来完成实验的自主学习方式创造条件。

虚拟仿真实验可以为学生提供虚拟的实验环境和实验设备，以及包括量具、导线、砝码、灯具等在内的辅助测量工具。此外，为了给学生自学提供辅助，虚拟仿真实验应提供实验所涉及的简介、原理、内容的介绍，以及实验指导书、在线演示视频等学习参考资料。同一个实验，采用同样的实验仪器，在不同的设计方案指引下会产生不同的教学效果㈣。在实验时，学生自由选取实验仪器和辅助测量工具，添加到实验的操作平台，实验平台根据学生的自选操作实时生成仪器与测量工具间的关系，形成不同的实验方案，实验程序调用对应的实验算法进行处理，将不同实验方案的结果通过虚拟实验界面以图像、动画、文字等形式呈现出来。学生可以根据不同的实验反馈，进一步分析自己的实验操作，完善实验方案，这样就渐进式地培养了学生学习的自主性和创新性。

1.3以虚实结合为特色

虚实结合的实验教学模式是真实实验和虚拟仿真实验的有机结合，使其互为补充，充分发挥二者各自的优势，丰富教学内容，提高教学效率。

真实实验和虚拟仿真实验具备各自的优点，真实实验可以为学生提供真实的实验环境、实验设备和真实的实验体验，尤其是在物理实验现象的感知体验方面，是虚拟仿真实验不可比拟的。但虚拟仿真实验在涉及高危和极端环境，不可逆、不可及、高消耗、高成本以及短时间内需要多次重复的情况时，又具备了可靠、安全、经济等方面的优势。

因此，在设计虚拟仿真实验项目时，需要充分考虑两种实验教学方式的结合开展。对那些较为安全可靠，可多次重复，对耗材的消耗和仪器的磨损不是很大的实验，尽量采用真实实验进行教学，同时辅以虚拟仿真实验作为该实验的课前预习、课后复习和在线考核。而对于一些高压、高热，且实验现象和数据难于短时间内重复得到的实验，多采取虚拟仿真实验的教学方式，可通过多媒体教室面授和网上在线辅导相结合的方式开展。

2虚拟仿真实验平台的建设内容

2.1虚拟仿真实验平台的设计结构

根据平台的设计原则，我中心在物理实验网络教学平台之下，在原有实验选排课子系统、成绩管理子系统和在线考试子系统的基础上，增设了虚拟仿真实验平台，如图1所示。根据实验的不同性质，虚拟仿真實验平台下设四种实验类别，分别为力学实验、光学实验、电学实验和热学实验。每个实验类别里面，安排了该类别所涉及的物理仿真实验，每个实验都为学生提供了实验简介、实验原理、实验仪器、实验指导、在线演示、实验开始、在线讨论和教学评价等主要功能，如图2所示。

2.2光栅单色仪虚拟仿真实验的建设内容

光栅单色仪实验虽然不是高危和极端环境的物理实验，但由于该实验所涉及的实验仪器和辅助测量工具较多，若一个学生独立完成实验，即费时费力又容易出差错，在真实实验教学中往往安排2-3人合组进行，但这又在一定程度上影响了学生实验的获得感。因此，可在教学实践中采取“虚实结合”的教学方式，即建议学生先在网上进行该实验的虚拟仿真实验，达到实验预习目的后，再根据实验预约情况来实验室进行真实实验，课后学生还可在线完成该实验的复习、在线讨论与教学评价。

学生通过个人身份认证进入“虚拟仿真实验平台”，选择“光学实验”类别，找到“光栅单色仪实验”的链接，进人该实验的界面，如图3所示。接下来，学生可以选择左侧的导航按钮，进行实验的内容学习、仿真操作和教学互动。

2.2.1实验的内容学习

实验的内容学习主要针对学生的实验预习环节，包括实验简介、实验原理、实验内容、实验指导、在线演示和实验指导书下载。其中“实验仪器”部分，会将真实实验和仿真实验的仪器做对比，让学生从虚实两个角度熟悉实验仪器，为后续实验操作做好准备，如图4所示;其中“在线演示”部分，会以仿真视频的形式呈现实验的主要操作步骤和注意事项，如图5所示。

2.2.2实验的仿真操作

虚拟仿真实验的核心就是实验的仿真操作。学生在熟悉了实验仪器和实验内容后，可以选择“开始实验”按钮，进入“光栅单色仪”的仿真实验环境。在这里，学生可以通过鼠标的点选、拖拽、双击等方式，实现对实验仪器和辅助测量工具的移动、连接、开关设备等基础操作，还可以现实对数据的采集、填写、计算和上传等实验数据的操作。图6所示为通过光栅光谱仪采集钠光灯在不同波段强度值的实验操作界面。

需要特别指出的是，虚拟仿真实验的交互体验主要是通过匹配算法实现的。当导线连接错误、实验仪器摆放位置不当、实验设备开关不当或者顺序有误时，系统都会通过匹配算法找出问题，并提示实验者。这样的反馈机制，会帮助学生通过修正自己的操作，不断完善自己的实验方案。

2.2.3实验的教学互动

实验的教学互动历来都是教学的必要环节之一，虚拟仿真实验平台提供“在线讨论”和“教学评价”功能。

“在线讨论”用于学生在自主学习中发现问题时，可实时地与其他正在进行该虚拟实验的人实现交流。作为一个在线共享的平台，师生都可以通过个人身份认证进入“在线讨论”区，解答别人提出的疑问。图7所示为师生的“在线讨论”界面。

“教学评价”用于学生在自主学习后，对虚拟仿真实验和教师的线上线下辅导，给予自己的客观评价，如图8所示。这种机制有利于教学相长，帮助教师不断完善实验教学进程，提高教学效果。

3虚拟仿真实验平台的运行成效

虚拟仿真实验平台于2017年底基本建成，2018年初并人物理实验网络教学平台。近两年来，广泛应用于物理实验教学的在线预习、在线实验、在线复习和教学互动等各环节，运行成效显著。

3.1缓解了选排课子系统的压力

大学物理实验课程面向全校27个专业、3300多名本科生，实验教学平台实行在线选课机制，选排课子系统针对每个实验的派位是有限的，每周的选课数量也是有限制的，导致每到选课开始的阶段，选排课系统处于满负荷运转状况，即便这样还会有很多学生无法按照自己预想的时间选上自己心仪的实验。

虚拟仿真实验平台的建成和运行，有效缓解了实验选排课子系统在选课阶段的运行压力。一部分没有选到合适时间的心仪实验的学生，可以先去做没有任何选课限制的虚拟仿真实验，待到选课压力不大的时间再去选那个心仪的实验去做。

3.2促进了实验的课前预习

长期以来，物理实验教学中的课前预习环节，对于相当一部分学生来说形同虚设。学生课前没有进行充分的预习，不仅实验进程容易陷入很多误区，而且对教师的教学进程也带来很大影响。

虚拟仿真实验，采用动画的形式和实时交互的手段，让学生不受时间和空间的约束，得到身临其境的实验体验，在很大程度地上调动了学生主动进行课前预习的积极性。有了对实验原理、实验内容和实验仪器的充分认知，后续开展的仿真实验和真实实验，都会有的放矢、效率倍增。问卷调查显示，物理虚拟仿真实验平台运行以来，学生的课前预习率，已经由过去的不足50%，提升到现在的95.8%。

3.3推动了学生自主创新学习

虚拟仿真实验平台的建成，极大地激发了学生对物理实验学习的主动性和创造性。以前对物理学习毫无兴趣甚至产生恐惧的学生，通过虚拟仿真实验，逐渐对物理学产生了浓厚兴趣;以前动手能力差的学生，通过虚拟仿真实验，加入了物理实验中心的创新实验社团“天工开物”;大学物理实验课程近两年连续入选学校评选的“我最喜爱的十大开放共享课程”。物理虚拟仿真实验平台也成为营造开放性、创新性实验教学环境的有力助推。

3.4完善了教学相长的机制

教学是教与学的交往互动，师生双方相互交流、相互沟通、相互启发、相互补充，在这个过程中教师与学生进行交流，从而达到共识、共享、共进，实现教学相长与共同发展㈣。

虚拟仿真实验平台，不仅为学生提供了一个实时的在线的交流空间，帮助学生答疑解惑，而且也为完善实验教师队伍建设提供有力保障。教师可以通过学生给出的教学评价，找到自己教学中的忽视或遗漏的问题，改善自己的教学方法，最终受益的除了教师自身，也包括作为教学主体的学生。

4结束语

物理虚拟仿真实验平台的建立，充分挖掘了信息化技术在教学实践中的潜能，它将实验仪器、实验内容、实验方案、学生的思考和教师的指导有机地融为一体，这将是未来实验教学发展的方向旧。物理虚拟仿真实验平台的建立，实质性地推动了以学生为主体、教师为主导的教学模式的开展，有效提高了物理实验的教学效率和教学效果。

今后，我中心还将在此基础上，从丰富仿真实验数量和提高仿真实验与真实实验相结合的效果这两方面，不断改进和提高;在建设虚拟仿真实验软硬件的同时，积极培养一支素质过硬、技术精湛、结构合理的实验教学和管理队伍，为建成国家级虚拟仿真实验教学中心而不断努力。