張春光 皮艷梅 牟艷男

(黑河學院)

一、什么是虛擬仿真實驗

（1）虛擬仿真實驗就是通過在計算機或者網絡上將各種虛擬的各類物理和其他基本教學儀器，按大學物理實驗教學要求以及進行實驗的步驟來組裝成一個相對完整的物理實驗教學系統(tǒng)，然后在這個物理實驗系統(tǒng)上來進行整個實驗過程。整個過程包括物理實驗原材料的添加、物理實驗相關條件改變以及各類變量和參數改變、相關過程實驗數據的采集、物理實驗結果的直觀演示和相關數據分析。虛擬實驗是一種模擬實驗，但隨著技術的進步它在逼真性和普遍性，實現實驗者的實驗效果和主觀感受方面，是早期計算機仿真模擬實驗不能相比的。

（2）虛擬仿真實驗不存在普通意義上進行實驗的必備真實器材和硬件，而是通過在計算機上利用虛擬仿真軟件來模擬現實中的實驗效果,利用仿真軟件模擬多種實驗條件是現在可行性很高的技術路線。目前已經有大量仿真實驗軟件開發(fā)成功，在全國各地大學、一些重點高中以及一些具備條件的初中大量普及和應用。虛擬仿真實驗軟件一般是通過計算機圖形化界面來聯系物理實驗的理論條件和具體物理實驗全過程，然后通過相關的計算機內部編程運算來達到模擬現實生活儀器的各種實驗效果。類型主要包括大學物理實驗虛擬仿真實驗、專業(yè)課仿真實驗和實訓仿真實驗三種。

（3）虛擬仿真實驗是利用相關計算機技術編程開發(fā)的富有真實感的一種實驗方法，可直接在計算機上現場模擬實驗操作。通過學生自主操作實驗步驟，可以反復進行多次實驗，從而掌握物理相關知識以及原理，記憶并理解定理、物理定律、物理公式等，從而達到快速并有效的提高大學生學習效率的目的。

（4）虛擬仿真實驗云平臺，是通過大量設計多種虛擬儀器，然后來建立虛擬的物理實驗環(huán)境。大學生使用者可以在這個實驗環(huán)境中擬定實驗參數、優(yōu)化設計實驗方案、操作虛擬儀器，模擬物理學真實的各種實驗過程，能夠營造自主學習的實驗環(huán)境。學生數量多的需要大面積開設設計性、研究性以及開放性的物理實驗，在教學中能夠發(fā)揮極其重要的學習作用。沒有做過真實物理實驗的學生可以利用物理實驗仿真軟件對物理實驗所用儀器的相關原理以及物理實驗整體環(huán)境、物理實驗步驟等建立起非常直觀的感性認識。一般來說，虛擬仿真儀器可以拆解儀器的各種關鍵部位，調整物理儀器的過程中可以實時觀察各種儀器的內部結構、各種性能指標和機械結構動作的變化，使學生大大提高對儀器內部原理的深入理解，對各種儀器功能和使用儀器方法進行可多次重復的基礎訓練。在虛擬仿真物理實驗中多種儀器都實現了實驗教學的模塊化。學生們可以對虛擬仿真物理實驗提供的各種不同儀器進行優(yōu)化選擇和多種布置組合，利用不同的實驗方法來完成基本相同的物理實驗目標，這樣就可以培養(yǎng)學生的獨立創(chuàng)新思維方式以及物理實驗設計能力。然后通過對各種不同實驗方法優(yōu)缺點的具體比較和誤差大小的橫向比較，來提高學生的實驗技術水平和思維判斷能力。

（5）虛擬仿真軟件能夠通過深入剖析實驗教學過程，在實驗設計上能夠充分體現實驗教學思想的宏觀指導，大部分學生必須在深入理解實驗原理的基礎上，通過廣泛思考才能進行正確實驗操作，這樣就能夠克服在真實實驗中經常出現的盲目操作和不認真實驗現象，極大提高了大學物理實驗教學的教學水平和實驗質量。物理虛擬仿真實驗對大學物理實驗相關的各種理論都進行了必要直觀演示和教學步驟講解。對大學物理實驗的時代背景和重要意義、在生活中的具體應用等各方面都做了較為詳細明確的介紹和講解，使物理虛擬仿真實驗成為了連接生動形象的大學物理實驗教學與比較枯燥大學物理理論教學的橋梁。物理虛擬仿真實驗也成為了培養(yǎng)學生物理實踐與物理理論相結合、廣泛提高學生多種創(chuàng)新思維的一種嶄新的教學模式。虛擬仿真實驗為大面積開設研究性、設計性實驗提供了優(yōu)秀的教學環(huán)境及教學平臺。虛擬仿真實驗一般具有操作指南和相關教學錄像、示例等手段，使用者可以對實驗結果進行多次研究測試，達到熟練掌握的目的。

二、虛擬實驗室的優(yōu)勢

（1）虛擬仿真實驗有利于擴大觀察實驗的范圍。很多大學物理實驗操作困難、微觀現象不易觀察，有些具有危險性不可能在現實中進行。而利用虛擬仿真實驗就可以進行大部分常規(guī)環(huán)境中無法進行的大學物理實驗，能夠比較徹底的打破時間上和空間上的一些具體限制。小到各種微觀粒子如電子原子，大到各種宇宙中的天體，例如太陽、月亮，使用者均可以進行多次重復的“觀察”。那些需要幾十年或者上百年才有可能觀察到的一些現象變化的過程，在虛擬仿真實驗過程中能夠在比較短的時間內呈現給使用者。過去那些危及人身安全的實驗或者對于人體健康有危害的試驗，一般都采用觀看視頻錄像等方式來進行。看視頻不具有交互性，使用者不能深入參與，效果不是特別好。

（2）虛擬仿真實驗便于使用者自主進行實驗探索和研究：比如傳統(tǒng)的大學物理實驗教學模式，一般受地點和時間上的各種限制，有很強的局限性。而對于虛擬仿真實驗來說，使用者可以在任意有計算機的環(huán)境中，根據自己的物理實驗具體情況來進行有針對性的相關的大學物理實驗研究，獲得最接近真實的物理實驗體會，從而能豐富使用者的直觀感性認識，加深使用者對實驗教學內容的深刻理解。

（3）利用虛擬仿真實驗可彌補現有實驗教學條件的不足：目前許多規(guī)模不大的學校缺乏物理實驗器材，對學生物理實驗的進行造成影響，對物理實驗教學制約嚴重。虛擬仿真實驗室可以讓大學生不受真實實驗課堂的限制，可以自主地進行模擬仿真物理實驗，達到促進物理教學目標的達成，而且能減少物理實驗儀器的購置以及維護費用。

（4）虛擬仿真實驗能夠激發(fā)大學生的物理實驗興趣和物理學習熱情：虛擬仿真實驗一般具有很強的交互性和直觀性，并且實驗操作便捷，富有趣味性。所以能夠激發(fā)大學生的物理實驗興趣和物理學習熱情。大學生不參與物理實驗，那么就無法獲得直觀感性的認識。進行虛擬仿真物理實驗，就可以彌補這個問題。大學生在虛擬仿真物理實驗環(huán)境中，可以重復地去做各種實驗，而不用擔心損壞儀器。

（5）虛擬仿真實驗能夠培養(yǎng)大學生的現代信息處理能力：虛擬仿真物理實驗能夠記錄整個實驗過程每個時刻的實驗數據，而且能夠利用軟件系統(tǒng)內部的數據處理系統(tǒng)或其它實用的軟件來進行數據處理，并且能夠根據數據處理需要繪制波形圖或者時序圖，大大提高學生的現代信息處理能力和分析能力。

（6）虛擬仿真實驗能夠發(fā)揮學生的創(chuàng)造性與想象力：虛擬仿真物理實驗與一般的多媒體演示實驗不同，一般可以高度仿真，能做到與真實實驗一致。同時虛擬仿真儀器還具有數量不受限制、不會損壞等真實實驗沒有的獨特優(yōu)點，大學生可以反復觀察，進行多次重復實驗，具有較強的可重復性和靈活性。通過優(yōu)化設計多種不同的物理實驗方案進行比較實驗，能夠全方位鍛煉大學生的動手操作能力和獨立思考能力，全面發(fā)揮學生的創(chuàng)造性、想象力和創(chuàng)新能力。

三、虛擬仿真實驗的實現及教學方式

（1）基于實驗室計算機的虛擬實驗室：利用本地計算機可以進行大部分的物理課堂教學實驗和預習實驗。提前將具有虛擬仿真物理實驗功能的相關計算機軟件安裝到實驗室的計算機中，大學生就擁有了相關虛擬仿真實驗的環(huán)境和平臺。這種虛擬仿真軟件的獨特特點是不受現有互聯網的限制，操作容易，安裝簡單。通過虛擬仿真軟件的實驗操作，能夠幫助大學生建立相關物理模型，這樣可以進一步加深學生對大學物理實驗項目以及物理原理的深刻理解和研究運用。

（2）基于互聯網的虛擬仿真實驗室：目前有許多高校已經成功建立校園網，并與外部網絡相聯，資金雄厚的一些高校和相關教育教學網站還搭建和開發(fā)了基于網絡的虛擬仿真實驗室平臺。利用基于網絡的虛擬實驗室，大學生就可以模擬仿真進行許多大學物理實驗。這樣的優(yōu)勢減輕了實驗教師的工作負擔，網站有專門人員維護，能夠及時更新。

但是不管虛擬仿真實驗優(yōu)勢多么明顯，怎樣接近真實實驗，都不能完全取代真實的物理實驗。因為在真實物理實驗過程中，通過對儀器故障的分析和排除等來培養(yǎng)大學生的實際操作能力，在虛擬仿真實驗中是不能完全做到的。虛擬仿真實驗僅是一種比較新的實驗教學輔助手段。認識到虛擬仿真實驗的這一特點，才能夠更合理更好地利用這種手段，不能讓學生只會紙上談兵。

四、虛擬仿真實驗在大學物理教學中應用的重點難點

（1）首先，要完善物理實驗教學的管理與共享物理實驗平臺：虛擬仿真物理實驗教學系統(tǒng)一般是依托于高校校園網的公共物理實驗教學平臺，我們要保證物理虛擬仿真實驗各類物理實驗教學資源的充分使用和開放共享。堅持“持續(xù)發(fā)展、共享資源、科學規(guī)劃、突出重點、提高效益”的物理實驗教學指導思想，然后結合高校物理教學培養(yǎng)目標和物理辦學理念的物理學科特點，采用自制物理虛擬仿真實驗或引進物理虛擬仿真實驗項目方式，打造適應現代物理教育新發(fā)展的物理實驗虛擬仿真教學平臺。最終建成包含物理實驗室資產、物理課程體系管理、物理設備維護、物理實驗室日常管理等多項內容的現代信息化物理實驗管理平臺，達到構筑現代教育網絡信息化大學物理實驗體系的目標。

（2）其次，憑借大學物理虛擬仿真實驗信息化管理平臺，建立大學物理虛擬仿真實驗室優(yōu)質物理教學資源共享系統(tǒng)，可以通過多種激勵機制，廣泛調動高校的各級不同單位共同參與大學物理虛擬仿真實驗共享的積極性。一方面要推進不同區(qū)域內高校之間的虛擬仿真物理實驗資源共享，同時要整合高校內各部門多種實驗資源，以促進各院系間多種實驗資源的共享。

（3）最后，要加強物理實驗教師網絡信息化水平與大學物理實驗教學水平建設:為了保障大學物理實驗室的物理實驗教學質量，在每個不同物理實驗室的負責人要求大學物理實驗教學水平與網絡信息化科研水平和一定的軟件開發(fā)能力兼?zhèn)洹Ｒ梦锢韺嶒灪诵募夹g隊伍的現代化建設做為大學物理實驗室的工作重點，來帶動大學物理實驗室技術隊伍現代綜合網絡素質和大學物理實驗技能的整體全面提高。然后選拔物理實驗教學骨干優(yōu)秀教師充實物理實驗教學和物理實驗管理隊伍。根據大學物理實驗工作實際需要和大學物理實驗相關崗位的規(guī)劃，來吸引多種不同能力、各種學歷、各種不同技術特點的大學物理相關人才應聘不同大學物理實驗崗位，來進一步優(yōu)化大學物理實驗教學中心的相關人員組成結構。然后建立合理科學的大學物理青年教師培養(yǎng)計劃，高度發(fā)揚老教師帶新教師的優(yōu)良傳統(tǒng)，確保大學物理虛擬仿真實驗室長期并有序的建設和可持續(xù)發(fā)展，而不是搞形式主義，一陣風上馬各種項目，然后沒有實際的應用。

五、虛擬仿真實驗的主要教學目標

（1）虛擬仿真實驗教學充分發(fā)揮高校物理學科專業(yè)優(yōu)勢開展教學：大學物理虛擬仿真實驗一般是為本科物理教學設計和實現的。大學物理虛擬仿真實驗教學依托計算機與人交互、現代多媒體技術、網絡通訊技術、數據庫等多種技術，來構建高度仿真的物理虛擬實驗環(huán)境和多種物理實驗儀器。大學生在大學物理虛擬仿真環(huán)境中開展相關物理實驗，以達到物理教學大綱所要求的物理實驗教學效果。結合物理特色專業(yè)和開設相關大學物理實驗課程發(fā)揮學校的各種學科專業(yè)優(yōu)勢，然后積極有效的利用相關虛擬仿真企業(yè)的仿真軟件開發(fā)實力和其他網絡支持服務能力，以達到充分整合高校信息化大學物理實驗各種教學資源的目的。以培養(yǎng)大學生物理創(chuàng)新能力、物理實驗綜合設計能力以及物理創(chuàng)新思維為出發(fā)點，創(chuàng)造性地應用與建設更高水平儀器來共享虛擬物理實驗、軟件共享虛擬仿真物理實驗、遠程控制的物理虛擬實驗等多種實驗教學資源。拓展物理實踐領域、降低各種成本和實驗風險、豐富大學物理實驗教學內容、提高物理實驗教學能力、開展多種安全有效的大學物理實驗教學。在虛擬仿真物理實驗教學中心，其建設任務是實現真實實驗難以完成或不具備的大學物理實驗教學功能。在涉及比較極端或高度危險的實驗環(huán)境，比如高溫或低溫真空等、不可逆實驗或者不可及，比如極細的管道海底等的操作，高消耗實驗、高成本實驗，比如使用貴重樣本的各種實驗、綜合或大型訓練項目器材不足等情況時，提供高度可靠、經濟實用和安全穩(wěn)定的多種物理綜合實驗項目。大學物理虛擬仿真實驗教學中心的建設應充分體現虛擬與現實相互補充、虛擬與現實相結合、盡量優(yōu)先現實實驗的原則。

（2）虛擬仿真實驗助力院校教學科研：建設技術人員、教學科研、實驗團隊結構合理的大學物理虛擬仿真實驗教學團隊，最終目的是形成一支物理學術水平高、現代教育理念先進、物理教學和科研能力強、掌握網絡知識和具有軟件開發(fā)能力，同時勇于進行教學創(chuàng)新的實踐經驗豐富的大學物理虛擬仿真實驗管理隊伍和大學物理教學團隊。大學物理虛擬仿真實驗教學是現代高等教育大學物理實驗教學示范中心建設和物理教學信息化建設的重要內容，是現代信息技術與物理學科專業(yè)深度融合的產物。大學物理虛擬仿真實驗教學建設工作堅持“突出實驗重點、持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展、精心科學規(guī)劃、提高實驗效益、共享實驗資源”的指導思想，以全面提高高校大學生物理實踐能力和物理創(chuàng)新精神為宗旨，以共享優(yōu)質的大學物理實驗教學資源為核心，以建設現代信息化大學物理實驗教學資源為重點，按年度來建設一批具有引領示范作用的虛擬仿真實驗室，持續(xù)推進高校實驗室教學信息化建設，推動高等學校物理實驗教學改革與創(chuàng)新。

六、結論

大學物理虛擬仿真實驗在大學物理實驗教學中的應用能夠反映網絡時代特點，廣泛結合現代互聯網，注重大學生自主性物理學習培養(yǎng)的研究、對大學生物理學習能力的培養(yǎng)，具有很多新的物理實驗內容，在大學物理虛擬仿真實驗教學中培養(yǎng)大學生的多種觀察能力、物理實驗能力、物理實踐能力、創(chuàng)新能力。每個大學物理實驗的規(guī)范操作和虛擬仿真，都充分應用現代多媒體直觀豐富的多角度表達方式，將模擬仿真、動畫以及實驗錄像相關操作說明等教學手段有機結合起來。既體現實驗細節(jié)，也體現儀器整體，便于大學生對物理實驗操作和相關知識的充分掌握與理解，對將來進一步開展線下線上實驗相結合、現實與虛擬結合起到充分的輔助作用。