虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)的影響

1、    虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)的影響    郭曉春摘 要 大學(xué)物理實(shí)驗課程是高校理工科學(xué)生的一門通識必修基礎(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)驗教學(xué)方式相融合，構(gòu)建立體化教學(xué)新模式，勢必會在教學(xué)中取得顯著效果，對大學(xué)物理實(shí)驗的教學(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 教學(xué)改革中圖分類號：tp391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)驗課一般在一、二年級學(xué)生中開設(shè)，著力培養(yǎng)學(xué)生的理論分析能力、動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，是學(xué)生系統(tǒng)接受實(shí)驗方法和實(shí)驗技能訓(xùn)練的開端，為學(xué)生之后的專業(yè)實(shí)驗課打基礎(chǔ)，因此作用和地位極其重要。然而在實(shí)驗

5、教學(xué)過程中，由于教學(xué)條件和一些客觀原因的限制，實(shí)驗教學(xué)效果并不理想，致使傳統(tǒng)物理實(shí)驗教學(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)驗教學(xué)開辟了一條新的路徑。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)驗教學(xué)的現(xiàn)狀及困難1.1 實(shí)驗教學(xué)模式單一傳統(tǒng)的物理實(shí)驗教學(xué)方式，學(xué)生完成一個實(shí)驗題目的學(xué)習(xí)任務(wù)都要經(jīng)歷實(shí)驗預(yù)習(xí)、課上操作、數(shù)據(jù)處理、撰寫報告這一流程。課前，教師要求學(xué)生認(rèn)真預(yù)習(xí)并撰寫預(yù)習(xí)報告。實(shí)驗預(yù)習(xí)是整個實(shí)驗環(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)時沒有實(shí)驗儀器作為參照，面對教材中抽象、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)驗預(yù)習(xí)敷衍了事，在預(yù)習(xí)報告中機(jī)械性地照搬照抄教材，充當(dāng)“復(fù)印機(jī)”的角色，并沒有去深刻地了解、探究實(shí)驗的原理和過程，導(dǎo)致在實(shí)驗的一開始就留有隱患。課上，教師講解和演示實(shí)驗的操作，學(xué)生只是復(fù)制教師的操作過程完成實(shí)驗任務(wù)。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)模式，使學(xué)生處于被動的地位，即使完成了實(shí)驗也是不知其所以然，更別提對實(shí)驗更深層次的思考、探索和創(chuàng)新了。課后，處理數(shù)據(jù)和撰寫實(shí)驗報告，學(xué)生更是敷衍了事，甚至相互抄襲，其數(shù)據(jù)處理的計算過程和結(jié)果經(jīng)不起實(shí)踐的檢驗。1.2 學(xué)生消極對待物理實(shí)驗在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于基礎(chǔ)課程

7、的重視程度明顯低于專業(yè)課程。一堂完整的實(shí)驗課通常是3個學(xué)時，在這短暫的3個學(xué)時中，教師要講解實(shí)驗的操作并演示，學(xué)生要熟悉儀器和完成實(shí)驗操作，學(xué)生很難再有時間去分析和獨(dú)立思考，更談不上去設(shè)計實(shí)驗，這無疑使教學(xué)效果大打折扣。不少學(xué)生在實(shí)驗課上就是走一個過場，實(shí)驗課上并不認(rèn)真聽講，實(shí)驗中胡亂操作，得到的實(shí)驗結(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班級較為優(yōu)秀的學(xué)生來充當(dāng)教師的角色，先給這部分學(xué)生詳細(xì)講解實(shí)驗的原理和操作，再由他們用課余時間給班級的其他學(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)生相互講解時沒有實(shí)驗儀器作為參照，

8、同樣也很難調(diào)動學(xué)生們的積極性。1.3 實(shí)驗成績評定難以把握傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)，教師評定成績的時候通常依照學(xué)生的實(shí)驗預(yù)習(xí)、實(shí)驗操作、數(shù)據(jù)處理的綜合情況來考量，每部分各占一定的分值。但是在實(shí)際的執(zhí)行過程中，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，教師對學(xué)生實(shí)驗成績的判定主要憑借實(shí)驗報告和學(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?zāi)芰Φ牟町悺?.4 理論滯后實(shí)驗大學(xué)物理實(shí)驗課與大學(xué)物理課程同步開設(shè)，但是上課時間受到實(shí)驗室場地、實(shí)驗儀器、實(shí)驗教師安排、學(xué)生安排等多種因素的影響，時常會導(dǎo)致實(shí)驗所涉及的理論知識學(xué)生在課前并未接觸，而實(shí)驗教師又不能利用有限的實(shí)驗課時去深入講解理論支

9、撐。 1.5 教學(xué)狀態(tài)封閉目前，部分學(xué)校的實(shí)驗課都是由學(xué)校教務(wù)部門按照教學(xué)計劃統(tǒng)一安排，受實(shí)驗人員有限，實(shí)驗儀器需要前期準(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)驗和課程結(jié)束后進(jìn)入實(shí)驗室自主學(xué)習(xí)。2 大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗的優(yōu)勢與不足虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality technology）是運(yùn)用計算機(jī)仿真技術(shù)，在使用者眼前營造一個虛擬環(huán)境，并且可以真實(shí)反映操作對象的變化。2.1 虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)是教育信息化的新模式虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)，是信息時代高等教育變革的必然產(chǎn)物，為學(xué)生開展探究性學(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。物理虛擬仿真實(shí)驗并不復(fù)雜，也不高深。就是把現(xiàn)有的實(shí)

10、驗原理、過程及相關(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)，使他們對實(shí)驗總體情況有個客觀把握?；?qū)δ硞€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)際操作打下一個良好基礎(chǔ)。虛擬仿真實(shí)驗可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，學(xué)生在任何一臺計算機(jī)上通過互聯(lián)網(wǎng)便可訪問安裝在學(xué)校服務(wù)器上的虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)，完成虛擬實(shí)驗操作過程，不受時間和空間的影響。2.2 虛擬仿真技術(shù)有助于轉(zhuǎn)變單一的實(shí)驗教學(xué)模式將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗教學(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)驗教學(xué)模式。學(xué)生親自動手用真實(shí)的儀器完成實(shí)驗，是物理實(shí)驗教學(xué)不可或缺的一個流程。然而，虛擬仿真實(shí)驗在學(xué)生

11、的實(shí)驗預(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，開放式的預(yù)習(xí)環(huán)境可以使學(xué)生在任何地方通過計算機(jī)在沒有教師指導(dǎo)的情況下完成實(shí)驗的虛擬仿真預(yù)習(xí)，完全不受時間和實(shí)驗室開放的限制。實(shí)驗的操作是計算機(jī)虛擬完成的，因此實(shí)驗操作具有較強(qiáng)的重復(fù)性，無需考慮實(shí)驗的消耗，也不會出現(xiàn)操作錯誤所導(dǎo)致的儀器損壞，同時減輕了實(shí)驗教師批改預(yù)習(xí)報告的繁重工作量。虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)，能夠讓學(xué)生在課前對整個實(shí)驗有一個全面充分的了解，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)驗有助于客觀評定學(xué)生的實(shí)驗?zāi)芰μ摂M仿真實(shí)驗系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)為平臺，通過計算機(jī)輔助將

12、儀器設(shè)備、實(shí)驗內(nèi)容、教師指導(dǎo)、學(xué)生操作、實(shí)驗數(shù)據(jù)處理有機(jī)融為一體，打造成一本可操作的實(shí)驗教科書。虛擬仿真系統(tǒng)中的實(shí)驗儀器以模塊化構(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)驗任務(wù)的目的。系統(tǒng)中隨機(jī)產(chǎn)生待測物理量，可以對實(shí)驗誤差進(jìn)行模擬，也可適應(yīng)同時進(jìn)行實(shí)驗操作的不同學(xué)生和同一學(xué)生的不同次操作。在實(shí)驗過程中，計算機(jī)會自動記錄學(xué)生的操作過程和數(shù)據(jù)內(nèi)容，并對此進(jìn)行評判，有助于客觀評定學(xué)生的綜合實(shí)驗?zāi)芰ΑＭ瑫r，還可以借助實(shí)驗報告自動評判系統(tǒng)定制實(shí)驗報告模板，對學(xué)生完成的實(shí)驗數(shù)據(jù)處理進(jìn)行計算機(jī)自動評判，更加客觀、公正。2.4 虛擬仿真實(shí)驗存在的不足目前，市面上的虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)主要

13、是針對部分高校所使用的物理實(shí)驗儀器研制的。然而，物理實(shí)驗儀器生產(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)驗儀器也是不同的。因此，購買的虛擬仿真實(shí)驗系統(tǒng)肯定不會與本校的每一個實(shí)驗項目的實(shí)驗儀器都匹配，導(dǎo)致教師和學(xué)生在使用過程中達(dá)不到預(yù)期的理想教學(xué)效果，如果專門定制適合本校的系統(tǒng)則會大大增加投入。3 結(jié)論根據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗課程特點(diǎn)和教學(xué)需求，構(gòu)建真實(shí)實(shí)驗與虛擬仿真實(shí)驗相結(jié)合的實(shí)驗教學(xué)體系，充分發(fā)揮真實(shí)實(shí)驗與虛擬仿真實(shí)驗的各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的掌握知識能力、動手操作能力、獨(dú)立思考能力、綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新思維能力，將素質(zhì)能力培養(yǎng)貫穿于實(shí)驗

14、教學(xué)的全過程，勢必會在大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)改革中取得顯著效果，進(jìn)一步推動高等學(xué)校教學(xué)信息化向前發(fā)展。基金項目：遼寧省社會科學(xué)規(guī)劃基金項目（l14cgl042）注釋 郭文閣.仿真實(shí)驗在大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)應(yīng)用探討j.大學(xué)物理實(shí)驗，2015.28（3）：124-127. 張林.虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)影響的探究j.大學(xué)物理實(shí)驗，2015.28（1）：116-118. 王艷華.虛擬仿真實(shí)驗大學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)多元化的平臺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)驗中的應(yīng)用j.實(shí)驗室研究與探索，2005.24（9）：38-39. 譚守標(biāo).計算機(jī)虛擬技術(shù)在大學(xué)物理仿真實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)