徐桂媚，李 鋒，沈洪濤，王力虎，潘福東，胡君輝，梁維剛

( 廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004)

教育改革形勢下高校物理實驗虛擬仿真教學發(fā)展趨勢研究*

徐桂媚，李 鋒，沈洪濤?，王力虎，潘福東，胡君輝，梁維剛

( 廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004)

在教育改革不斷信息化發(fā)展的形勢下，結(jié)合當前高校物理實驗教學特點、國內(nèi)外高校物理虛擬仿真實驗教學中心建設現(xiàn)狀及高校物理虛擬仿真實驗教學理念與原則，以廣西師范大學物理虛擬仿真實驗教學中心體系建設為例，進行了高校物理實驗虛擬仿真教學發(fā)展趨勢研究。在此基礎上，提出了三點實現(xiàn)物理實驗虛擬仿真教學可持續(xù)發(fā)展的建議。

教育改革；虛擬仿真；實驗教學；物理

1 引言

2015年4月24日至28日，由中國高等教育學會實驗室管理工作分會舉行的高校虛擬仿真實驗教學中心建設與發(fā)展研討會在南寧召開，會議重點討論了“國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與實驗教學資源開放共享”、“虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐”等內(nèi)容。此外，部分與會教師分析了高校物理實驗室建設的儀器設備具有硬件設備價格昂貴、占用大量實驗室空間、不易維護、而且一旦設計成型，很難進行修改和模塊的擴充、不利于升級換代等特點，虛擬仿真實驗被搬上了物理實驗課程教學平臺。近年來，國內(nèi)以中國科學技術大學、中國石油大學、北京師范大學、西南大學、廣西師范大學等許多高校都根據(jù)自身科研和教學的需求建立了物理虛擬仿真實驗室，其中，中國科學技術大學是我國首批100個國家級虛擬仿真實驗教學中心之一。物理虛擬仿真實驗室的建設還存在一些有待改進的問題，廣西師范大學物理虛擬仿真實驗教學中心建設現(xiàn)狀可以側(cè)面反映出目前高校物理虛擬仿真實驗教學中心建設存在幾個典型問題。第一，虛擬仿真實驗室的發(fā)展在一定程度上受到傳統(tǒng)實驗教學模式的局限，未能充分發(fā)揮效益，具體表現(xiàn)為物理實驗虛擬仿真教學中心體系構建僅僅存在大的構架，體系不完善且缺乏信息更新，體系中的某些環(huán)節(jié)甚至無法正常運行；第二，物理虛擬仿真實驗教學中心資源開發(fā)投入不夠，目前的應用實例中A類實驗和B類實驗體系相對完整，但近代物理實驗資源開發(fā)還有很大的空間；第三，已有的虛擬仿真實驗大多數(shù)都是運用Flash 動畫軟件制作模擬實驗等，盡管在一定程度上實現(xiàn)了資源共享和學生自主學習等教學環(huán)節(jié)，交互性依然不夠強且不能實時地反饋信息，無法完成鍛煉學生能力的要求。因此，如何保證物理虛擬仿真實驗教學中心體系構建可持續(xù)發(fā)展是我們面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，開展高校物理實驗虛擬仿真教學發(fā)展趨勢研究是迎接挑戰(zhàn)的必經(jīng)之路。

2 教育改革形勢下物理實驗虛擬仿真教學發(fā)展趨勢研究

2.1 廣西師范大學物理實驗虛擬仿真教學資源概況

教育改革形勢下物理實驗虛擬仿真教學中心建設遵循的理念是以學生為本，以能力培養(yǎng)為核心，以創(chuàng)新教育為目標，并充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則。虛擬仿真實驗教學中心建設一般要求有虛擬仿真實驗教學資源、虛擬仿真實驗教學的管理和共享平臺、虛擬仿真實驗教學和管理隊伍和虛擬仿真實驗教學中心的管理體系等結(jié)構。[1]廣西師范大學物理實驗虛擬仿真教學中心堅持“以人為本、分類建設、多元參與、循環(huán)促進”的方針，重視先進教育理念和科學引導實驗教學建設的方向，建設了“三層一輔助”的分層式實驗教學體系。三層次教學體系根據(jù)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)規(guī)律，從知識結(jié)構、實踐能力、創(chuàng)新教育等特點出發(fā)，突破實驗教學依附于理論教學的傳統(tǒng)觀念，將四年本科教學中各門物理實驗課作為一個整體考慮，以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為主線，打破傳統(tǒng)大學物理實驗中力學、熱學、電學和光學四部分的界限，打通傳統(tǒng)“本系科實驗”和“外系科實驗”體系隔核，打破普物實驗與近物實驗的界限以及近代物理實驗與專業(yè)實驗的界限，將各門課程進行重組與融合；建立由基礎到前沿、由接受知識型到培養(yǎng)綜合能力型的逐步提高的“基礎型——綜合型——綜合設計型” 三大層次物理實驗教學新體系，基礎教學、專業(yè)訓練和科學前沿每個模塊都開發(fā)了部分虛擬仿真教學資源。

圖1 教學體系

圖2 虛擬仿真實驗教學體系

2.2 廣西師范大學物理實驗虛擬仿真教學中心教學資源應用實例

2.2.1加速離子源實驗

帶電粒子在外力的作用下會加速并且提高能量，利用電場推動帶電粒子使之得以加速并提高能量的裝置稱為粒子加速器，其實物結(jié)構一般包括用以提供所需加速粒子的系統(tǒng)、加速系統(tǒng)、導引和聚焦系統(tǒng)等3個主要部分。[2]廣西師范大學物理實驗虛擬仿真教學中心建設了3D虛擬仿真實驗環(huán)境，加速器質(zhì)譜儀虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用先進的虛擬現(xiàn)實技術，對儀器的構造、運行原理進行剖析，建立逼真形象的三維模型，可以從各個角度展示加速器譜儀的各個部件和內(nèi)部結(jié)構，質(zhì)譜儀的測量原理則可以通過動畫形式展現(xiàn)，讓學生熟悉加速器質(zhì)譜儀的基本結(jié)構、各部件工作原理，并能對重要部件進行拆卸、組裝和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)還配合有相應的語音文字說明，全方位的讓學生掌握加速器質(zhì)譜儀的組成、工作原理和基本應用。該虛擬仿真系統(tǒng)既可以通過三維大屏幕在中心機房3D顯示，配合手套傳感器可以對系統(tǒng)中的關鍵部件進行調(diào)節(jié)，也可以通過計算機終端進行自主學習。利于學生重復實驗，提升了學生對前沿實驗技術的認知水平并培養(yǎng)了學生科研創(chuàng)新的能力。

圖3 加速器質(zhì)譜儀實驗系統(tǒng)

2.2.2電感耦合等離子體(ICP)質(zhì)譜儀虛擬仿真實驗系統(tǒng)

ICP質(zhì)譜儀虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用先進的虛擬現(xiàn)實技術，對儀器的構造、運行原理進行剖析，建立逼真形象的三維模型，可以從各個角度展示加速器譜儀的各個部件和內(nèi)部結(jié)構，質(zhì)譜儀的測量原理則可以通過動畫形式展現(xiàn)，讓學生熟悉加速器質(zhì)譜儀的基本結(jié)構、各部件工作原理，并能對重要部件進行拆卸、組裝和調(diào)節(jié)。系統(tǒng)還配合有相應的語音文字說明，通過中心資源平臺共享給學生學習機會，全方位的讓學生掌握電感耦合等離子體(ICP)質(zhì)譜儀的組成、工作原理和基本應用。

圖4 ICP譜儀虛擬仿真實驗系統(tǒng)

2.2.3天體物理仿真

恒星、行星、衛(wèi)星的形成,太陽系的起源和演化,銀河系的旋臂結(jié)構以及河外星系、星系團的形成和演變等一系列過程,都是天文學中的重大研究課題，[3]仿真模擬這些過程對學生的了解、學習星系的形成就顯得格外重要。模擬能量轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的宇宙大爆炸過程，太陽系、恒星、行星的形成和演化過程，質(zhì)子、氫原子的形成及其通過核聚變產(chǎn)生其它質(zhì)量數(shù)大的原子等過程。下面圖片展示的是彗星碰撞地球后，炸裂為碎粒（注：圖5右邊橢圓圈內(nèi)為彗星碎粒），然后在引力作用下慢慢聚合形成繞地球公轉(zhuǎn)的月球。

圖5 月球形成過程

3 教育改革形勢下物理實驗虛擬仿真教學可持續(xù)發(fā)展建議

首先，物理實驗虛擬仿真教學資源開發(fā)方面，要敢于突破傳統(tǒng)的實驗教學模式，根據(jù)自己所在高校物理實驗教學特點和生源素質(zhì)，構建出預備實驗、基礎實驗、綜合實驗、創(chuàng)新實驗四個層次的物理虛擬仿真實驗教學體系以及開放式教學模式，積極采取有計劃的培訓措施、開發(fā)新的虛擬仿真實驗教學資源。具體措施有：（1）教師和實驗技術人員要把教學、科研成果轉(zhuǎn)化為教學實驗，研發(fā)出一批有特色的物理虛擬仿真實驗；（2）形成一支專業(yè)水平高、學歷層次高、教學經(jīng)驗豐富、結(jié)構合理、相對穩(wěn)定的師資隊伍，為中心的可持續(xù)發(fā)展提供可靠的人力資源；（3）各高校物理虛擬仿真實驗資源開發(fā)管理的主要負責人可以把虛擬仿真實驗作為學生學習的研究性項目，讓學有余力且對虛擬仿真實驗資源開發(fā)有興趣的學生建立興趣小組，自主學習Flash、3DS MAX或者3DS MAX—Flash組合動畫等軟件，并實行小組招新制度，讓高年級學生帶領低年級學生學習，避免出現(xiàn)個人因素導致虛擬仿真實驗資源開發(fā)出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，此方式既能豐富虛擬仿真實驗開發(fā)的人力資源又可以鍛煉學生的對現(xiàn)代教育技術的應用和科研能力；（4）適當采取校企合作形式，學習企業(yè)完備的虛擬仿真技術，另外，此方式不僅可以為學生提供實訓和競賽機會，也為校企人才錄用協(xié)議奠定基礎。

其次，物理實驗虛擬仿真教學管理與共享平臺方面，高校應建立并及時更新物理虛擬仿真實驗網(wǎng)絡教學平臺，拓寬物理虛擬仿真實驗教學空間和教學手段。將演示型、綜合性、設計型和研究型虛擬仿真實驗，特別是近代物理實驗中涉及高放射等危險性和破環(huán)性的實驗拓展到網(wǎng)絡平臺上，此網(wǎng)絡平臺具有用戶訪問、注冊及權限管理，實驗模塊設置、增加（或刪減）管理，實驗器材庫管理，實驗數(shù)據(jù)庫管理，實驗過程管理，實驗結(jié)果考核和分析評價等功能，給實驗者提供一個包含虛擬仿真實驗器材、虛擬仿真實驗場景、實驗反饋評價、實驗數(shù)據(jù)與資源管理的逼真環(huán)境。實驗者通過鍵盤和鼠標來操作虛擬仿真化的實驗器材，進行相關實驗，實驗結(jié)果、相關數(shù)據(jù)及改變相關參數(shù)之后的相應現(xiàn)象將通過多媒體技術反饋給實驗者。在物理虛擬仿真實驗網(wǎng)絡教學平臺建設相對完善的提前下，通過自由選課，并對學生的學習效果做階段性檢測，當全校各專業(yè)的學生都有機會共享中心實驗課程之后，確立進一步目標——支持遠程訪問，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)高校和省內(nèi)高校的在線資源共享，從而拓展收益面。

最后，關注國家教育改革形勢動態(tài)，堅持“能實不虛，虛實結(jié)合”的原則組建物理實驗虛擬仿真中心，對于傳統(tǒng)常規(guī)實驗，應該以現(xiàn)實實驗為主；對于高危，高成本，不可逆性實驗，可采用虛擬仿真實驗模式。由此，把高校物理實驗虛擬仿真教學發(fā)展趨勢研究成果上升為國家教育改革戰(zhàn)略。隨著物理虛擬仿真實驗教學中心的不斷完善和發(fā)展，逐步擴大受益人群和受益范圍，高?？梢钥紤]將部分實驗資源從“無償使用”轉(zhuǎn)化為“有償服務”，為系統(tǒng)的維護升級、可持續(xù)發(fā)展提供更多的資金保障。國家也應該進一步增大實驗室專職教師的培養(yǎng)力度，為實驗室專職教師提供更多、更好的培訓機會。

[1] 李平. 國家級虛擬仿真實驗教學中心建設與實驗教學資源開放共享：高校虛擬仿真實驗教學中心建設與發(fā)展研討會文集[C]. 2015年4月24日-28日·南寧

[2] 百度百科[EB/OL]（2016-01-11）[2016-01-11] http://baike.so.com/doc/5335128-5570566.html

[3] 周洪楠. 天體物理中的數(shù)值模擬[J]. 自然雜志, 1981,12(4):912-916.

TP391.9

：A

：1003-7551(2016)02-0025-04

2016-01-11

國家自然科學基金項目(11265005，11565008)；廣西自然科學基金項目(2014GXNSFCA118018)；廣西自治區(qū)高教教學改革工程項目(2013JGB117)；廣西高等學校重點科研項目（KY2015ZD015）；廣西高校中青年教師基礎能力提升項目(KY2016YB060)；教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目

? 通訊作者：shenht@gxnu.edu.cn