張 林

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實驗教學(xué)影響的探究

張 林

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

從我校大學(xué)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，分析了傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)方式存在的缺點與不足。討論了在物理實驗教學(xué)中補充一些虛擬仿真實驗對于豐富教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)方式和客觀評價學(xué)生實驗成績的影響。

虛擬仿真實驗；物理實驗教學(xué)

隨著計算機技術(shù)的不斷普及和提高，使用計算機仿真軟件，進(jìn)行虛擬實驗和遠(yuǎn)程教學(xué)在全國各高校得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。使用虛擬仿真實驗進(jìn)行現(xiàn)代化教學(xué)，具有物理圖像清晰，實驗操作逼真、可設(shè)計性強等［1-2］優(yōu)點，可以作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的重要補充，目前全國很多高校都在開展這方面的教學(xué)實踐和研究，并取得一些經(jīng)驗和成果［3-8］。

本文主要介紹近年來我們在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，引入虛擬仿真實驗，對于豐富教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)手段和提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面做的一些嘗試性的教學(xué)工作。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的不足

在引入虛擬仿真實驗之前，為了提高物理實驗的教學(xué)質(zhì)量，我們通過問卷、座談以及征求建議等方式對廣大師生做了大量的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)方式雖然也能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維，但也存在以下的缺點和不足:

1.1 實驗內(nèi)容的可設(shè)計性和創(chuàng)新性不強

首先，我們發(fā)現(xiàn)很多師生覺得做物理實驗比較枯燥乏味，缺乏挑戰(zhàn)性和成就感。一方面是因為實驗教材的編寫是一項長期的、艱巨的工程，既要反映教學(xué)的連續(xù)性，也要反映

教學(xué)的創(chuàng)新性，因此在短期內(nèi)實驗內(nèi)容不可能得到及時的更新，這樣就會使得很多教師年復(fù)一年從事相同的實驗教學(xué)內(nèi)容，造成工作上的疲勞，另外有很多物理實驗與中學(xué)的實驗內(nèi)容是重疊，學(xué)生沒有做實驗就可以預(yù)知實驗的結(jié)論，這也造成了學(xué)生對物理實驗缺乏興趣；另一方面主要歸因于我校的大多數(shù)物理實驗都是驗證性實驗，缺乏可設(shè)計性和創(chuàng)新性。每個實驗都有明確的實驗?zāi)康暮筒襟E，連基本的實驗器材，線路的數(shù)量都是預(yù)先規(guī)定和準(zhǔn)備的，這樣就限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，因為學(xué)生不可能按照自己的想法去設(shè)計實驗步驟，完成實驗，驗證自己的實驗結(jié)論，此外如果學(xué)生不按照預(yù)定的實驗步驟操作儀器，也會造成儀器故障和實驗安全問題，這樣也極大地限制了學(xué)生對實驗儀器的進(jìn)一步嘗試性操作和認(rèn)知。

1.2 單一的實驗教學(xué)方式

其次，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)缺乏吸引力還表現(xiàn)在教學(xué)環(huán)節(jié)的單一性，和大學(xué)物理理論課教學(xué)一樣，教師要求學(xué)生課前認(rèn)真預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，熟悉實驗步驟；課堂上教師通過講解和演示，學(xué)生按部就班，依葫蘆畫瓢地完成實驗，學(xué)生缺乏獨立思考的機會，課后部分學(xué)生為了完成實驗報告，得到正確的實驗結(jié)論，竟然篡改實驗數(shù)據(jù)或者抄襲其他同學(xué)的實驗數(shù)據(jù)。在多年的教學(xué)過程中，我們也嘗試了讓學(xué)生來充當(dāng)教師的角色，負(fù)責(zé)講解實驗的原理和步驟，來加深學(xué)生對物理實驗?zāi)康牡恼J(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生對實驗內(nèi)容的分析和理解能力，雖然初期也取得一些成效，但是由于學(xué)生缺乏完成新實驗的經(jīng)驗，這樣也會極大延長實驗的教學(xué)時間，給實驗教學(xué)和管理上帶來了極大的不便。

1.3 實驗成績評定不能客觀反映學(xué)生的實驗?zāi)芰?/p>

物理實驗課程是一門實踐性很強的基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的實驗成績評定是根據(jù)學(xué)生完成實驗的情況給予評定的，通常是教師根據(jù)學(xué)生實驗課的表現(xiàn)與實驗數(shù)據(jù)的處理來評定的，因此具有很大的主觀性，不能完全客觀地反映學(xué)生實驗?zāi)芰Φ牟町?，這也是部分學(xué)生對物理實驗不感興趣的主要原因之一。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)的優(yōu)勢與不足

在引入虛擬仿真實驗教學(xué)平臺以后，我們開始嘗試使用新的虛擬實驗室，選取了部分學(xué)生參與虛擬實驗的教學(xué)過程，讓學(xué)生和老師共同參與虛擬實驗的設(shè)計、調(diào)試和研究。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐，我們?nèi)〉昧艘恍┏醪降慕?jīng)驗和結(jié)論。

2.1 虛擬仿真實驗可以豐富實驗教學(xué)的內(nèi)容

作為傳統(tǒng)物理實驗內(nèi)容的重要補充，虛擬仿真實驗也是學(xué)生認(rèn)識物理現(xiàn)象，掌握物理知識的，培養(yǎng)實驗?zāi)芰Φ囊粋€重要的途徑。我們通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真實驗具有很強的可設(shè)計性，既可以完成一些傳統(tǒng)的驗證性實驗，也能開發(fā)成為具有創(chuàng)新性的設(shè)計性實驗和綜合性實驗，特別是對于一些物理原理較復(fù)雜的、實驗圖像較明顯的力學(xué)和光學(xué)實驗，使用虛擬仿真教學(xué)，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗的興趣，增強學(xué)生的求知欲望。因此，恰當(dāng)?shù)厥褂锰摂M仿真的實驗內(nèi)容不僅可以豐富傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容，也可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗的興趣。

2.2 虛擬仿真實驗有助于轉(zhuǎn)變單一的教學(xué)方式

虛擬仿真實驗的優(yōu)勢還在于可以轉(zhuǎn)變單一的實驗教學(xué)方式，學(xué)生通過計算機仿真軟件，進(jìn)入交互式的，友好的仿真界面，可以在無教師指導(dǎo)的情況下，自主地完成一些較為簡單的仿真實驗，得到相關(guān)的實驗結(jié)論。因為所有的實驗儀器都是虛擬的，因此學(xué)生可以進(jìn)行多次嘗試，也不會造成儀器的損壞，特別是對于一些復(fù)雜地，較危險的實驗，虛擬仿真實驗更是不可替代的。另外虛擬仿真實驗還可以打破時間和空間的限制，仿真實驗可以不用在實驗室里完成，也可以在課后獨立完成，這對于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和探索物理實驗是非常重要，也可以極大鍛煉學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。

2.3 虛擬仿真實驗有助于客觀地反映學(xué)生的實驗水平

除了讓學(xué)生獨立地完成普通的虛擬實驗，我們還進(jìn)一步鼓勵學(xué)生參與虛擬仿真實驗的設(shè)計和開發(fā)，讓他們學(xué)習(xí)一些虛擬仿真軟件（例如LABVIEW，MATLAB/SIMULINK）的基本知識，通過對實驗原理的深入理解，抽象出物理模型，利用虛擬仿真環(huán)境，構(gòu)建虛擬的實驗儀器，最后調(diào)試儀器，得到正確的實驗結(jié)論。這樣既能客觀地反映學(xué)生對實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟、實驗圖像和實驗結(jié)論認(rèn)知的全過程，也能全面反映學(xué)生完成實驗的真實水平，也有利于對學(xué)生實驗成績客觀評價，形成個體差異，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗的興趣和成就感，從而提高物理實驗課的教學(xué)質(zhì)量。

2.4 虛擬仿真實驗在教學(xué)和管理上的不足

虛擬仿真實驗不能完全取代傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式，它只是傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式的重要的補充。在教學(xué)中我們也發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實驗的開設(shè)需要學(xué)生預(yù)先學(xué)習(xí)和掌握一些基本的計算機知識，需要學(xué)生對物理原理和物理模型有較深入的理解，另外學(xué)生參與虛擬仿真的信心和經(jīng)驗也是制約虛擬仿真實驗教學(xué)成敗的主要原因。

此外，在虛擬仿真實驗室的管理上也存在一些困難，特別是對虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)上更需要一些專業(yè)的管理人員，這也對實驗室設(shè)備的管理上提出了更高的要求。

3 結(jié) 論

通過在大學(xué)物理實驗教學(xué)中補充虛擬仿真實驗內(nèi)容，我們發(fā)現(xiàn)這樣做不僅能豐富實驗內(nèi)容；還有助于轉(zhuǎn)變單一的教學(xué)方式，另外學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗、參與物理實驗研究的興趣也有了明顯的提高，更有助于對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ目陀^評價。

此外，虛擬仿真實驗在教學(xué)和管理上也存在著一些缺點和不足。

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Research of the Influence on the College Physics Experiment Teaching by Virtual Simulation Technology

ZHANG Lin
（Nanjing Forestry University，Jiangsu Nanjing 210037）

From the present situation of our college physics experiment teaching，we analyze the deficiency of the traditional physics experiment teaching methods，and discuss the influence of the introduced virtual simulation experiments on enrich the experiment contents，improve the teaching methods and objective evaluation of the students'experiment scores.

virtual simulation experiment；physics experiment teaching

O4-39

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.038

1007-2934（2015）01-0116-03