王素紅

(信息工程大學，河南 鄭州 450001)

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大學物理虛擬仿真實驗的應用研究

王素紅

(信息工程大學，河南 鄭州 450001)

通過仿真實驗和傳統(tǒng)實驗比較，分析了仿真實驗的優(yōu)點，給出了虛擬仿真實驗室的組成，結(jié)合我校使用的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，介紹了在物理實驗教學過程中仿真實驗的具體應用。

虛擬實驗室；預習系統(tǒng)；仿真軟件

實驗教學是培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，有效的實驗教學是從理論走向?qū)嵺`的一種卓有成效的教育模式，深化實驗教學改革、加強實踐教學環(huán)節(jié)是國家實施“素質(zhì)教育”和高等教育“質(zhì)量工程”、全面提高教育質(zhì)量的重要內(nèi)容[1]。

物理學是一門實驗科學。在目前的物理實驗教學中，由于實驗儀器復雜、精密與昂貴，往往不能允許學生自行設(shè)計實驗參數(shù)、反復調(diào)整儀器，這對學生自行設(shè)計實驗參數(shù)、反復調(diào)整儀器、剖析儀器性能和結(jié)構(gòu)、理解實驗的設(shè)計思想和方法是很不利的。物理仿真實驗可在相當程度上彌補實驗教學上這方面的缺陷[2-3]。

1 虛擬仿真實驗的概念

虛擬仿真實驗是以現(xiàn)代教育理論為指導，以計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)為依托而建立的一種新型實驗教學系統(tǒng)。它利用計算機模擬真實的實驗環(huán)境，通過信息網(wǎng)絡操作實驗設(shè)備，為實驗教學提供了一種全新的教學模式。

虛擬實驗利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)各種虛擬實驗環(huán)境，實驗者以交互的方式進行實驗操作,可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目,最大限度地模擬真實實驗的場景,并提供與實際實驗的操作方法相類似的實踐體驗[4-5]。

虛擬實驗教學通過依托日益普及的微機和網(wǎng)絡環(huán)境，既能再現(xiàn)真實實驗的全過程，又能克服傳統(tǒng)實驗的各種制約和弊端，可以有效地解決目前實驗教學中存在的諸多問題，達到優(yōu)化教育資源、有效提高教學質(zhì)量的目的。

2 虛擬仿真實驗的優(yōu)點

虛擬實驗與傳統(tǒng)的硬件實驗相比，主要有如下優(yōu)點：

(1)通過對實驗環(huán)境的模擬，使未做過實驗的學生通過仿真軟件對實驗的整體環(huán)境、所用儀器的整體結(jié)構(gòu)能建立起直觀的認識。儀器的關(guān)鍵部位可拆卸，可解剖進行調(diào)整并實時觀察儀器的各種指標和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動作，增強了熟悉儀器功能和使用方法的訓練。

(2)在實驗中儀器實現(xiàn)了模塊化，學生可對提供的儀器進行選擇和組合，用不同的方法完成同一實驗目標，培養(yǎng)學生的設(shè)計思考能力和對不同實驗方法的優(yōu)劣、誤差大小的比較、判斷能力。

(3)通過深入解剖教學過程，設(shè)計上充分體現(xiàn)教學思想的指導，使學生必須在理解的基礎(chǔ)上認真思考才能正確操作，克服了實際實驗中出現(xiàn)的盲目操作和實驗"走過場"現(xiàn)象的缺點，使學生切實受益。

(4)對實驗的相關(guān)理論進行了演示和講解，對實驗的歷史背景和意義，現(xiàn)代應用等方面都作了介紹，使仿真實驗成為連接理論教學與實驗教學，培養(yǎng)學生理論與實踐相結(jié)合思維的一種嶄新教學模式，可使實驗教學的內(nèi)涵在時間和空間上得到延伸。

(5)實驗中待測的物理量可以隨機產(chǎn)生，以適應同時實驗的不同學生和同一學生的不同次操作。對實驗誤差也進行了模擬，以評價實驗質(zhì)量的優(yōu)劣。

(6)具有多媒體配音解說和操作指導，易于使用。

(7)資金投入少、損耗小、投入產(chǎn)出高、能夠有效地降低教育成本。

(8)軟件升級容易、易于擴展、生命周期長。

3 虛擬仿真實驗室的組成

虛擬仿真實驗是一種運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬真實實驗的計算機教學軟件。開放式網(wǎng)上虛擬實驗室又分為課程實驗仿真系統(tǒng)和虛擬實驗教學管理系統(tǒng)兩個部分，在此基礎(chǔ)上可建立虛擬仿真實驗室。

開放式虛擬仿真實驗管理平臺包括虛擬實驗中心門戶網(wǎng)站(見圖1)、仿真系統(tǒng)軟件(見圖2-4)、實驗成績統(tǒng)計查詢、資源庫系統(tǒng)管理、師生互動交流等子系統(tǒng)。

圖1 虛擬實驗中心門戶網(wǎng)站

圖2 仿真系統(tǒng)軟件主界面

圖3 仿真系統(tǒng)軟件登錄界面

圖4 仿真實驗界面

4 虛擬仿真實驗的應用

(1)預習系統(tǒng)

如圖5所示，教師可通過預習系統(tǒng)給出與實驗相關(guān)的基礎(chǔ)知識題及仿真實驗操作題；學生可通過仿真實驗的指導信息學習儀器的運行機理、操作實驗儀器，在網(wǎng)上完成預習題、提交操作儀器的測試數(shù)據(jù)和答案；系統(tǒng)在網(wǎng)上自動評判、并指出操作和答案的具體錯誤。

圖5 仿真系統(tǒng)軟件預習系統(tǒng)

圖6 仿真系統(tǒng)軟件考試系統(tǒng)

“物理實驗自主預習和自主評判系統(tǒng)”，為學生在預習環(huán)節(jié)提供了自主學習的環(huán)境，為學生自主學習實驗、設(shè)計方案奠定了基礎(chǔ)。

(2)仿真實驗系統(tǒng)

計算機仿真實驗為學生提供了自主設(shè)計的環(huán)境。學生可在網(wǎng)上自行設(shè)計實驗方案、運行實驗方案、動態(tài)展示實驗結(jié)果如圖7所示。計算機對其實驗方案實現(xiàn)自動評判；教師可通過網(wǎng)絡實時了解學生設(shè)計方案的情況，針對學生設(shè)計中的問題給予具體指導。在不增加師資力量、設(shè)備和教學課時的情況下，實現(xiàn)了面向大面積學生開設(shè)設(shè)計性、研究性實驗的模式，激發(fā)了學生的學習興趣，滿足了不同層次學生的創(chuàng)新欲望，提高了實驗教學的水平和教學質(zhì)量。

圖7 仿真實驗系統(tǒng)

(3)仿真考試系統(tǒng)

實驗課程的考核是實驗教學的重要環(huán)節(jié)，同樣受教學設(shè)備、師資力量、教學資源的限制，成為困擾教學的難題。如圖6所示，基于仿真實驗創(chuàng)建的考試與自動評判系統(tǒng)很好地解決了對學生實驗操作與實驗結(jié)果的自動評判問題，實質(zhì)性地實施了面向大面積學生實踐能力的考試與自動評判。

5 結(jié) 語

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，作為傳統(tǒng)實驗教學的一種有效的補充，虛擬實驗教學已經(jīng)成為加強實踐教學、提高教學質(zhì)量的重要手段，它不僅可以在一定程度上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗教學，而且可以克服傳統(tǒng)實驗的各種制約和弊端，從而有效地解決目前實驗教學中存在的諸多問題。將虛擬實驗教學融入現(xiàn)有教學體系，能夠節(jié)約實驗成本，提高學生素質(zhì)。既解決了學校實驗教學的實際問題，又順應國家嚴抓教學質(zhì)量、注重創(chuàng)新人才培養(yǎng)的精神，開辦交互式的網(wǎng)上虛擬實驗室將成為我校實驗室建設(shè)的亮點。

[1] 王素紅，武文遠.院校轉(zhuǎn)型中的物理教學與信息化建設(shè)[J].國防工業(yè)出版社，2011(12):88-91.

[2] 高等工程教育研究，2009(2):76-79．

[3] 王素紅.大學物理實驗學習指導書[J].2014(3):4-11.

[4] 郭文閣，陳海霞，王瑋，等.仿真實驗在大學物理實驗教學應用探討[J].大學物理實驗，2015(3)：124-127.

[5] 劉維慧，孟麗華，于陽，等.工科物理擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)[J].大學物理實驗，2016，29(2)：14-18.

Research on the Application of Virtual Simulation Experiment of College Physics

WANG Su-hong

(Information Engineering University,Henan Zhengzhou 450001)

It compares the simulation experiment with the traditional experiment,analyzes the advantages of simulation experiment,given the composition of virtual simulation laboratory,combined with my school use of virtual simulation experiment teaching system,and introduces the specific application of simulation experiment in physics experiment teaching.

virtual laboratory；preview system；simulation software

2016-04-18

1007-2934(2016)05-0110-04

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.028