張春光 皮艷梅 牟艷男

(黑河學(xué)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(wǎng)絡(luò)上將各種虛擬的各類物理和其他基本教學(xué)儀器，按大學(xué)物理實驗教學(xué)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(xué)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(guān)條件改變以及各類變量和參數(shù)改變、相關(guān)過程實驗數(shù)據(jù)的采集、物理實驗結(jié)果的直觀演示和相關(guān)數(shù)據(jù)分析。虛擬實驗是一種模擬實驗，但隨著技術(shù)的進步它在逼真性和普遍性，實現(xiàn)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(xiàn)實中的實驗效果,利用仿真軟件模擬多種實驗條件是現(xiàn)在可行性很高的技術(shù)路線。目前已經(jīng)有大量仿真實驗軟件開發(fā)成功，在全國各地大學(xué)、一些重點高中以及一些具備條件的初中大量普及和應(yīng)用。虛擬仿真實驗軟件一般是通過計算機圖形化界面來聯(lián)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(guān)的計算機內(nèi)部編程運算來達到模擬現(xiàn)實生活儀器的各種實驗效果。類型主要包括大學(xué)物理實驗虛擬仿真實驗、專業(yè)課仿真實驗和實訓(xùn)仿真實驗三種。

（3）虛擬仿真實驗是利用相關(guān)計算機技術(shù)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(xiàn)場模擬實驗操作。通過學(xué)生自主操作實驗步驟，可以反復(fù)進行多次實驗，從而掌握物理相關(guān)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(xué)生學(xué)習(xí)效率的目的。

（4）虛擬仿真實驗云平臺，是通過大量設(shè)計多種虛擬儀器，然后來建立虛擬的物理實驗環(huán)境。大學(xué)生使用者可以在這個實驗環(huán)境中擬定實驗參數(shù)、優(yōu)化設(shè)計實驗方案、操作虛擬儀器，模擬物理學(xué)真實的各種實驗過程，能夠營造自主學(xué)習(xí)的實驗環(huán)境。學(xué)生數(shù)量多的需要大面積開設(shè)設(shè)計性、研究性以及開放性的物理實驗，在教學(xué)中能夠發(fā)揮極其重要的學(xué)習(xí)作用。沒有做過真實物理實驗的學(xué)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(guān)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(guān)鍵部位，調(diào)整物理儀器的過程中可以實時觀察各種儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、各種性能指標(biāo)和機械結(jié)構(gòu)動作的變化，使學(xué)生大大提高對儀器內(nèi)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(fù)的基礎(chǔ)訓(xùn)練。在虛擬仿真物理實驗中多種儀器都實現(xiàn)了實驗教學(xué)的模塊化。學(xué)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?zāi)繕?biāo)，這樣就可以培養(yǎng)學(xué)生的獨立創(chuàng)新思維方式以及物理實驗設(shè)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(xué)生的實驗技術(shù)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(xué)過程，在實驗設(shè)計上能夠充分體現(xiàn)實驗教學(xué)思想的宏觀指導(dǎo)，大部分學(xué)生必須在深入理解實驗原理的基礎(chǔ)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(jīng)常出現(xiàn)的盲目操作和不認真實驗現(xiàn)象，極大提高了大學(xué)物理實驗教學(xué)的教學(xué)水平和實驗質(zhì)量。物理虛擬仿真實驗對大學(xué)物理實驗相關(guān)的各種理論都進行了必要直觀演示和教學(xué)步驟講解。對大學(xué)物理實驗的時代背景和重要意義、在生活中的具體應(yīng)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(xué)物理實驗教學(xué)與比較枯燥大學(xué)物理理論教學(xué)的橋梁。物理虛擬仿真實驗也成為了培養(yǎng)學(xué)生物理實踐與物理理論相結(jié)合、廣泛提高學(xué)生多種創(chuàng)新思維的一種嶄新的教學(xué)模式。虛擬仿真實驗為大面積開設(shè)研究性、設(shè)計性實驗提供了優(yōu)秀的教學(xué)環(huán)境及教學(xué)平臺。虛擬仿真實驗一般具有操作指南和相關(guān)教學(xué)錄像、示例等手段，使用者可以對實驗結(jié)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(xué)物理實驗操作困難、微觀現(xiàn)象不易觀察，有些具有危險性不可能在現(xiàn)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(xué)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(fù)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(xiàn)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(nèi)呈現(xiàn)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?？匆曨l不具有交互性，使用者不能深入?yún)⑴c，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(xué)物理實驗教學(xué)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(jù)自己的物理實驗具體情況來進行有針對性的相關(guān)的大學(xué)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(xué)內(nèi)容的深刻理解。

（3）利用虛擬仿真實驗可彌補現(xiàn)有實驗教學(xué)條件的不足：目前許多規(guī)模不大的學(xué)校缺乏物理實驗器材，對學(xué)生物理實驗的進行造成影響，對物理實驗教學(xué)制約嚴重。虛擬仿真實驗室可以讓大學(xué)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(xué)目標(biāo)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?zāi)軌蚣ぐl(fā)大學(xué)生的物理實驗興趣和物理學(xué)習(xí)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(xué)生的物理實驗興趣和物理學(xué)習(xí)熱情。大學(xué)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(xué)生在虛擬仿真物理實驗環(huán)境中，可以重復(fù)地去做各種實驗，而不用擔(dān)心損壞儀器。

（5）虛擬仿真實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)大學(xué)生的現(xiàn)代信息處理能力：虛擬仿真物理實驗?zāi)軌蛴涗浾麄€實驗過程每個時刻的實驗數(shù)據(jù)，而且能夠利用軟件系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或其它實用的軟件來進行數(shù)據(jù)處理，并且能夠根據(jù)數(shù)據(jù)處理需要繪制波形圖或者時序圖，大大提高學(xué)生的現(xiàn)代信息處理能力和分析能力。

（6）虛擬仿真實驗?zāi)軌虬l(fā)揮學(xué)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(shù)量不受限制、不會損壞等真實實驗沒有的獨特優(yōu)點，大學(xué)生可以反復(fù)觀察，進行多次重復(fù)實驗，具有較強的可重復(fù)性和靈活性。通過優(yōu)化設(shè)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(xué)生的動手操作能力和獨立思考能力，全面發(fā)揮學(xué)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(xiàn)及教學(xué)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(xué)實驗和預(yù)習(xí)實驗。提前將具有虛擬仿真物理實驗功能的相關(guān)計算機軟件安裝到實驗室的計算機中，大學(xué)生就擁有了相關(guān)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(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)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(xué)生建立相關(guān)物理模型，這樣可以進一步加深學(xué)生對大學(xué)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(lián)網(wǎng)的虛擬仿真實驗室：目前有許多高校已經(jīng)成功建立校園網(wǎng)，并與外部網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，資金雄厚的一些高校和相關(guān)教育教學(xué)網(wǎng)站還搭建和開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬仿真實驗室平臺。利用基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室，大學(xué)生就可以模擬仿真進行許多大學(xué)物理實驗。這樣的優(yōu)勢減輕了實驗教師的工作負擔(dān)，網(wǎng)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(xué)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(xué)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(xué)生只會紙上談兵。

四、虛擬仿真實驗在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用的重點難點

（1）首先，要完善物理實驗教學(xué)的管理與共享物理實驗平臺：虛擬仿真物理實驗教學(xué)系統(tǒng)一般是依托于高校校園網(wǎng)的公共物理實驗教學(xué)平臺，我們要保證物理虛擬仿真實驗各類物理實驗教學(xué)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(xué)規(guī)劃、突出重點、提高效益”的物理實驗教學(xué)指導(dǎo)思想，然后結(jié)合高校物理教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)和物理辦學(xué)理念的物理學(xué)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(yīng)現(xiàn)代物理教育新發(fā)展的物理實驗虛擬仿真教學(xué)平臺。最終建成包含物理實驗室資產(chǎn)、物理課程體系管理、物理設(shè)備維護、物理實驗室日常管理等多項內(nèi)容的現(xiàn)代信息化物理實驗管理平臺，達到構(gòu)筑現(xiàn)代教育網(wǎng)絡(luò)信息化大學(xué)物理實驗體系的目標(biāo)。

（2）其次，憑借大學(xué)物理虛擬仿真實驗信息化管理平臺，建立大學(xué)物理虛擬仿真實驗室優(yōu)質(zhì)物理教學(xué)資源共享系統(tǒng)，可以通過多種激勵機制，廣泛調(diào)動高校的各級不同單位共同參與大學(xué)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(nèi)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)信息化水平與大學(xué)物理實驗教學(xué)水平建設(shè):為了保障大學(xué)物理實驗室的物理實驗教學(xué)質(zhì)量，在每個不同物理實驗室的負責(zé)人要求大學(xué)物理實驗教學(xué)水平與網(wǎng)絡(luò)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(shù)隊伍的現(xiàn)代化建設(shè)做為大學(xué)物理實驗室的工作重點，來帶動大學(xué)物理實驗室技術(shù)隊伍現(xiàn)代綜合網(wǎng)絡(luò)素質(zhì)和大學(xué)物理實驗技能的整體全面提高。然后選拔物理實驗教學(xué)骨干優(yōu)秀教師充實物理實驗教學(xué)和物理實驗管理隊伍。根據(jù)大學(xué)物理實驗工作實際需要和大學(xué)物理實驗相關(guān)崗位的規(guī)劃，來吸引多種不同能力、各種學(xué)歷、各種不同技術(shù)特點的大學(xué)物理相關(guān)人才應(yīng)聘不同大學(xué)物理實驗崗位，來進一步優(yōu)化大學(xué)物理實驗教學(xué)中心的相關(guān)人員組成結(jié)構(gòu)。然后建立合理科學(xué)的大學(xué)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(xué)物理虛擬仿真實驗室長期并有序的建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展，而不是搞形式主義，一陣風(fēng)上馬各種項目，然后沒有實際的應(yīng)用。

五、虛擬仿真實驗的主要教學(xué)目標(biāo)

（1）虛擬仿真實驗教學(xué)充分發(fā)揮高校物理學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢開展教學(xué)：大學(xué)物理虛擬仿真實驗一般是為本科物理教學(xué)設(shè)計和實現(xiàn)的。大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)依托計算機與人交互、現(xiàn)代多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫等多種技術(shù)，來構(gòu)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(xué)生在大學(xué)物理虛擬仿真環(huán)境中開展相關(guān)物理實驗，以達到物理教學(xué)大綱所要求的物理實驗教學(xué)效果。結(jié)合物理特色專業(yè)和開設(shè)相關(guān)大學(xué)物理實驗課程發(fā)揮學(xué)校的各種學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，然后積極有效的利用相關(guān)虛擬仿真企業(yè)的仿真軟件開發(fā)實力和其他網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)能力，以達到充分整合高校信息化大學(xué)物理實驗各種教學(xué)資源的目的。以培養(yǎng)大學(xué)生物理創(chuàng)新能力、物理實驗綜合設(shè)計能力以及物理創(chuàng)新思維為出發(fā)點，創(chuàng)造性地應(yīng)用與建設(shè)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(xué)資源。拓展物理實踐領(lǐng)域、降低各種成本和實驗風(fēng)險、豐富大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容、提高物理實驗教學(xué)能力、開展多種安全有效的大學(xué)物理實驗教學(xué)。在虛擬仿真物理實驗教學(xué)中心，其建設(shè)任務(wù)是實現(xiàn)真實實驗難以完成或不具備的大學(xué)物理實驗教學(xué)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(xùn)練項目器材不足等情況時，提供高度可靠、經(jīng)濟實用和安全穩(wěn)定的多種物理綜合實驗項目。大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)應(yīng)充分體現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實相互補充、虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合、盡量優(yōu)先現(xiàn)實實驗的原則。

（2）虛擬仿真實驗助力院校教學(xué)科研：建設(shè)技術(shù)人員、教學(xué)科研、實驗團隊結(jié)構(gòu)合理的大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)團隊，最終目的是形成一支物理學(xué)術(shù)水平高、現(xiàn)代教育理念先進、物理教學(xué)和科研能力強、掌握網(wǎng)絡(luò)知識和具有軟件開發(fā)能力，同時勇于進行教學(xué)創(chuàng)新的實踐經(jīng)驗豐富的大學(xué)物理虛擬仿真實驗管理隊伍和大學(xué)物理教學(xué)團隊。大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)是現(xiàn)代高等教育大學(xué)物理實驗教學(xué)示范中心建設(shè)和物理教學(xué)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是現(xiàn)代信息技術(shù)與物理學(xué)科專業(yè)深度融合的產(chǎn)物。大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)工作堅持“突出實驗重點、持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展、精心科學(xué)規(guī)劃、提高實驗效益、共享實驗資源”的指導(dǎo)思想，以全面提高高校大學(xué)生物理實踐能力和物理創(chuàng)新精神為宗旨，以共享優(yōu)質(zhì)的大學(xué)物理實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)現(xiàn)代信息化大學(xué)物理實驗教學(xué)資源為重點，按年度來建設(shè)一批具有引領(lǐng)示范作用的虛擬仿真實驗室，持續(xù)推進高校實驗室教學(xué)信息化建設(shè)，推動高等學(xué)校物理實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新。

六、結(jié)論

大學(xué)物理虛擬仿真實驗在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用能夠反映網(wǎng)絡(luò)時代特點，廣泛結(jié)合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)，注重大學(xué)生自主性物理學(xué)習(xí)培養(yǎng)的研究、對大學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，具有很多新的物理實驗內(nèi)容，在大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生的多種觀察能力、物理實驗?zāi)芰?、物理實踐能力、創(chuàng)新能力。每個大學(xué)物理實驗的規(guī)范操作和虛擬仿真，都充分應(yīng)用現(xiàn)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(guān)操作說明等教學(xué)手段有機結(jié)合起來。既體現(xiàn)實驗細節(jié)，也體現(xiàn)儀器整體，便于大學(xué)生對物理實驗操作和相關(guān)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(jié)合、現(xiàn)實與虛擬結(jié)合起到充分的輔助作用。