虛擬仿真技術(shù)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響

1、    虛擬仿真技術(shù)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響    郭曉春摘 要 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是高校理工科學(xué)生的一門(mén)通識(shí)必修基礎(chǔ)課程，是學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的必需環(huán)節(jié)。隨著信息化教育改革的推進(jìn)，虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式相融合，構(gòu)建立體化教學(xué)新模式，勢(shì)必會(huì)在教學(xué)中取得顯著效果，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。關(guān)鍵詞 虛擬仿真 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革中圖分類(lèi)號(hào)：tp391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a doi：10.16400/ki.kjdkz.2017.01.055influence of virtual simulation technology o

2、n the teaching ofcollege physics experimentguo 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 studen

3、ts' 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 wil

4、l 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 reform0 引言大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課一般在一、二年級(jí)學(xué)生中開(kāi)設(shè)，著力培養(yǎng)學(xué)生的理論分析能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，是學(xué)生系統(tǒng)接受實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端，為學(xué)生之后的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課打基礎(chǔ)，因此作用和地位極其重要。然而在實(shí)驗(yàn)

5、教學(xué)過(guò)程中，由于教學(xué)條件和一些客觀原因的限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果并不理想，致使傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的弊端逐漸突顯。教育信息化是高等學(xué)校促進(jìn)教學(xué)改革和提升教學(xué)質(zhì)量的重要舉措，虛擬仿真技術(shù)為代表的教育信息化手段迅速發(fā)展，為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)辟了一條新的路徑。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，必將極大地改善教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。1 傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及困難1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，學(xué)生完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)題目的學(xué)習(xí)任務(wù)都要經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、課上操作、數(shù)據(jù)處理、撰寫(xiě)報(bào)告這一流程。課前，教師要求學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)并撰寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的起點(diǎn)，也是重中之重。然而實(shí)際中，在課前

6、預(yù)習(xí)時(shí)沒(méi)有實(shí)驗(yàn)儀器作為參照，面對(duì)教材中抽象、枯燥的原理講述，大部分學(xué)生出現(xiàn)了畏難情緒，直接體現(xiàn)就是實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)敷衍了事，在預(yù)習(xí)報(bào)告中機(jī)械性地照搬照抄教材，充當(dāng)“復(fù)印機(jī)”的角色，并沒(méi)有去深刻地了解、探究實(shí)驗(yàn)的原理和過(guò)程，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)的一開(kāi)始就留有隱患。課上，教師講解和演示實(shí)驗(yàn)的操作，學(xué)生只是復(fù)制教師的操作過(guò)程完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生處于被動(dòng)的地位，即使完成了實(shí)驗(yàn)也是不知其所以然，更別提對(duì)實(shí)驗(yàn)更深層次的思考、探索和創(chuàng)新了。課后，處理數(shù)據(jù)和撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生更是敷衍了事，甚至相互抄襲，其數(shù)據(jù)處理的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果經(jīng)不起實(shí)踐的檢驗(yàn)。1.2 學(xué)生消極對(duì)待物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)課程

7、的重視程度明顯低于專(zhuān)業(yè)課程。一堂完整的實(shí)驗(yàn)課通常是3個(gè)學(xué)時(shí)，在這短暫的3個(gè)學(xué)時(shí)中，教師要講解實(shí)驗(yàn)的操作并演示，學(xué)生要熟悉儀器和完成實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生很難再有時(shí)間去分析和獨(dú)立思考，更談不上去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，這無(wú)疑使教學(xué)效果大打折扣。不少學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上就是走一個(gè)過(guò)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)課上并不認(rèn)真聽(tīng)講，實(shí)驗(yàn)中胡亂操作，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與理論值相差較大，甚至造成儀器損壞。在實(shí)際的教學(xué)中，我們也探索選擇每個(gè)班級(jí)較為優(yōu)秀的學(xué)生來(lái)充當(dāng)教師的角色，先給這部分學(xué)生詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)的原理和操作，再由他們用課余時(shí)間給班級(jí)的其他學(xué)生講解，學(xué)生之間相互交流溝通較為便利，這樣的教學(xué)模式也取得了一定的效果，但是由于學(xué)生相互講解時(shí)沒(méi)有實(shí)驗(yàn)儀器作為參照，

8、同樣也很難調(diào)動(dòng)學(xué)生們的積極性。1.3 實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定難以把握傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師評(píng)定成績(jī)的時(shí)候通常依照學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理的綜合情況來(lái)考量，每部分各占一定的分值。但是在實(shí)際的執(zhí)行過(guò)程中，由于學(xué)生人數(shù)多、師資力量有限、教師教學(xué)任務(wù)繁重等諸多原因，教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的判定主要憑借實(shí)驗(yàn)報(bào)告和學(xué)生表現(xiàn)，主觀性強(qiáng)，并不能客觀充分地反映出不同學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟町悺?.4 理論滯后實(shí)驗(yàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課與大學(xué)物理課程同步開(kāi)設(shè)，但是上課時(shí)間受到實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)教師安排、學(xué)生安排等多種因素的影響，時(shí)常會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)所涉及的理論知識(shí)學(xué)生在課前并未接觸，而實(shí)驗(yàn)教師又不能利用有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)去深入講解理論支

9、撐。 1.5 教學(xué)狀態(tài)封閉目前，部分學(xué)校的實(shí)驗(yàn)課都是由學(xué)校教務(wù)部門(mén)按照教學(xué)計(jì)劃統(tǒng)一安排，受實(shí)驗(yàn)人員有限，實(shí)驗(yàn)儀器需要前期準(zhǔn)備和后期維護(hù)等因素的影響，學(xué)生很難在課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)和課程結(jié)束后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室自主學(xué)習(xí)。2 大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)與不足虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality technology）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在使用者眼前營(yíng)造一個(gè)虛擬環(huán)境，并且可以真實(shí)反映操作對(duì)象的變化。2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化的新模式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是信息時(shí)代高等教育變革的必然產(chǎn)物，為學(xué)生開(kāi)展探究性學(xué)習(xí)、進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練提供了先進(jìn)手段和優(yōu)質(zhì)平臺(tái)。物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)并不復(fù)雜，也不高深。就是把現(xiàn)有的實(shí)

10、驗(yàn)原理、過(guò)程及相關(guān)儀器設(shè)備性能進(jìn)行整合，形成文字、圖像、音像資料掛在網(wǎng)上，供學(xué)生預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)，使他們對(duì)實(shí)驗(yàn)總體情況有個(gè)客觀把握。或?qū)δ硞€(gè)具體細(xì)節(jié)（包括具體操作步驟、現(xiàn)象）進(jìn)行學(xué)習(xí)、理解，為實(shí)際操作打下一個(gè)良好基礎(chǔ)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，學(xué)生在任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)上通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)便可訪問(wèn)安裝在學(xué)校服務(wù)器上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成虛擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，不受時(shí)間和空間的影響。2.2 虛擬仿真技術(shù)有助于轉(zhuǎn)變單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式相融合，有利于轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的以教師為主導(dǎo)的單一實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。學(xué)生親自動(dòng)手用真實(shí)的儀器完成實(shí)驗(yàn)，是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可或缺的一個(gè)流程。然而，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在學(xué)生

11、的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)大有作為。高校校園網(wǎng)的全覆蓋已成為普遍現(xiàn)象，開(kāi)放式的預(yù)習(xí)環(huán)境可以使學(xué)生在任何地方通過(guò)計(jì)算機(jī)在沒(méi)有教師指導(dǎo)的情況下完成實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真預(yù)習(xí)，完全不受時(shí)間和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的限制。實(shí)驗(yàn)的操作是計(jì)算機(jī)虛擬完成的，因此實(shí)驗(yàn)操作具有較強(qiáng)的重復(fù)性，無(wú)需考慮實(shí)驗(yàn)的消耗，也不會(huì)出現(xiàn)操作錯(cuò)誤所導(dǎo)致的儀器損壞，同時(shí)減輕了實(shí)驗(yàn)教師批改預(yù)習(xí)報(bào)告的繁重工作量。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠讓學(xué)生在課前對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)有一個(gè)全面充分的了解，能夠豐富教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，有助于提高課堂教學(xué)質(zhì)量和效率，同時(shí)更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于客觀評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ摂M仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助將

12、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教師指導(dǎo)、學(xué)生操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理有機(jī)融為一體，打造成一本可操作的實(shí)驗(yàn)教科書(shū)。虛擬仿真系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)儀器以模塊化構(gòu)成，可進(jìn)行任意選擇和自由組合，可以達(dá)到用不同的操作方法完成同一實(shí)驗(yàn)任務(wù)的目的。系統(tǒng)中隨機(jī)產(chǎn)生待測(cè)物理量，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行模擬，也可適應(yīng)同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的不同學(xué)生和同一學(xué)生的不同次操作。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)記錄學(xué)生的操作過(guò)程和數(shù)據(jù)內(nèi)容，并對(duì)此進(jìn)行評(píng)判，有助于客觀評(píng)定學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＭ瑫r(shí)，還可以借助實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)評(píng)判系統(tǒng)定制實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，對(duì)學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)評(píng)判，更加客觀、公正。2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)存在的不足目前，市面上的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要

13、是針對(duì)部分高校所使用的物理實(shí)驗(yàn)儀器研制的。然而，物理實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家眾多，不同廠家生產(chǎn)的儀器在面板結(jié)構(gòu)、操作方法上都是有區(qū)別的，每所高校選用的實(shí)驗(yàn)儀器也是不同的。因此，購(gòu)買(mǎi)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)肯定不會(huì)與本校的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)儀器都匹配，導(dǎo)致教師和學(xué)生在使用過(guò)程中達(dá)不到預(yù)期的理想教學(xué)效果，如果專(zhuān)門(mén)定制適合本校的系統(tǒng)則會(huì)大大增加投入。3 結(jié)論根據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)和教學(xué)需求，構(gòu)建真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，充分發(fā)揮真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的各自?xún)?yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的掌握知識(shí)能力、動(dòng)手操作能力、獨(dú)立思考能力、綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新思維能力，將素質(zhì)能力培養(yǎng)貫穿于實(shí)驗(yàn)

14、教學(xué)的全過(guò)程，勢(shì)必會(huì)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中取得顯著效果，進(jìn)一步推動(dòng)高等學(xué)校教學(xué)信息化向前發(fā)展。基金項(xiàng)目：遼寧省社會(huì)科學(xué)規(guī)劃基金項(xiàng)目（l14cgl042）注釋 郭文閣.仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用探討j.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015.28（3）：124-127. 張林.虛擬仿真技術(shù)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)影響的探究j.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015.28（1）：116-118. 王艷華.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多元化的平臺(tái)j.課程教育研究，2015：188-189. 楊宏偉.虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用j.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005.24（9）：38-39. 譚守標(biāo).計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)