摘要：物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要形式，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)踐操作和觀察來(lái)掌握各種各樣的物理現(xiàn)象、知識(shí)、技術(shù)，從而便于學(xué)生更好地理解物理問(wèn)題，提高物理教學(xué)效率。虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用改變了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的格局，通過(guò)現(xiàn)代媒體技術(shù)能夠模擬各類實(shí)驗(yàn)環(huán)境、避免硬件條件限制導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)可操作性問(wèn)題，也為學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究提供了一個(gè)更加安全的平臺(tái)，從而有助于提升物理教學(xué)效率。本文結(jié)合課題研究經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用意義進(jìn)行總結(jié)，以明確虛擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代物理教學(xué)中的積極作用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；積極作用

隨著課程改革和計(jì)算機(jī)信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、人工智能與計(jì)算機(jī)在實(shí)際生活的應(yīng)用，“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室”作為信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用也受到了越來(lái)越多高校的關(guān)注[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一種可以在電腦上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，以達(dá)到教育和實(shí)踐目的的一種虛擬實(shí)驗(yàn)方法。相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)勢(shì)：一是節(jié)省成本：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要大量的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等資源，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只需要一臺(tái)電腦或平板電腦，節(jié)省了成本[2]。二是提高安全性：一些物理實(shí)驗(yàn)存在著一定的危險(xiǎn)性，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以消除這些危險(xiǎn)，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性。三是提供更多實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、時(shí)間等限制，很難為每個(gè)學(xué)生提供充足的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以為每個(gè)學(xué)生提供足夠的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，并且可以反復(fù)練習(xí)。四是增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以模擬很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法模擬的物理現(xiàn)象，增加了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的多樣性和靈活性[3]。五是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)生動(dòng)形象，將物理理論與實(shí)際操作結(jié)合起來(lái)，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)習(xí)效果。綜上所述，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的意義，它能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)課程的質(zhì)量，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

一、虛擬仿真技術(shù)的概念及優(yōu)勢(shì)

虛擬仿真技術(shù)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而誕生的一種虛擬技術(shù)，其本質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)設(shè)備、現(xiàn)代媒體設(shè)備構(gòu)建一個(gè)仿真的虛擬環(huán)境來(lái)代替現(xiàn)實(shí)環(huán)境，使人在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)無(wú)異的體驗(yàn)感、參與感。

虛擬仿真技術(shù)誕生于上世紀(jì)90年代，早期的虛擬仿真技術(shù)是通過(guò)直接投影的方式來(lái)改變視覺(jué)效果，達(dá)到基礎(chǔ)層次的虛擬仿真。隨著信息技術(shù)以及媒體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，感應(yīng)技術(shù)、體感操作技術(shù)等現(xiàn)代媒體技術(shù)與傳統(tǒng)虛擬仿真技術(shù)結(jié)合后，產(chǎn)生了更具體驗(yàn)感、參與感的沉浸式虛擬仿真效果，有效提升了虛擬仿真的真實(shí)感，使得虛擬仿真技術(shù)有了更廣闊的應(yīng)用空間。

虛擬仿真技術(shù)和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合是新時(shí)期物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新的重要方向，虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)。一是，虛擬仿真技術(shù)下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生能夠獲得更加廣闊的觀察視角，學(xué)生不僅能夠從外部觀察物理現(xiàn)象，還能夠從內(nèi)部直接觀察物理變化，從而有利于學(xué)生更加深刻地認(rèn)識(shí)和理解物理現(xiàn)象與物理規(guī)律，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果；二是，虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)⒁恍┈F(xiàn)實(shí)中難以操作和實(shí)現(xiàn)的物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)出來(lái)，降低了現(xiàn)實(shí)條件對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的制約，許多有危險(xiǎn)性的、難以實(shí)現(xiàn)的物理實(shí)驗(yàn)也可納入常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)范疇，有效提升了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，有助于物理專業(yè)人才的培養(yǎng)。

總的來(lái)說(shuō)，虛擬仿真技術(shù)為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的可能，是新時(shí)期物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法創(chuàng)新和內(nèi)容優(yōu)化的技術(shù)支撐，對(duì)我國(guó)物理人才培養(yǎng)具有重要意義。

二、虛擬仿真技術(shù)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

（一）傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)困難

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)受限于實(shí)驗(yàn)空間、儀器設(shè)備的限制，很難將與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)的要素轉(zhuǎn)移至理論課堂，這就導(dǎo)致在進(jìn)行正式的物理實(shí)驗(yàn)前教師很難在課堂中為學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)的具體操作，學(xué)生只能夠通過(guò)相應(yīng)的視頻或者圖文資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，教師在正式實(shí)驗(yàn)前能夠傳授給學(xué)生的只有與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的理論以及教師個(gè)人的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)際操作前對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知是模糊的，對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容印象不深、實(shí)驗(yàn)規(guī)程理解不到位，極容易在正式的實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)意外，導(dǎo)致資源浪費(fèi)或發(fā)生危險(xiǎn)。

（二）降低物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本

科學(xué)的創(chuàng)新與發(fā)展離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)，任何科學(xué)理論、技術(shù)的驗(yàn)證均需要實(shí)驗(yàn)的反復(fù)驗(yàn)證，每一次實(shí)驗(yàn)均需要消耗特定的能源、材料等資源，這意味著科學(xué)的創(chuàng)新、進(jìn)步與發(fā)展一定是建立在大量的資源損耗之上[7]。在模擬仿真技術(shù)應(yīng)用之前，學(xué)生想要進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，必須要在特定的實(shí)驗(yàn)空間（通常是物理實(shí)驗(yàn)室），通過(guò)特定的儀器設(shè)備、損耗特定的材料、遵循特定的實(shí)驗(yàn)規(guī)程才能夠完成一次實(shí)驗(yàn)，如果需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本就會(huì)倍增。同時(shí)，對(duì)于高校來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)空間、器械的維護(hù)也是一筆不小的支出。

（三）提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)安全

物理實(shí)驗(yàn)并非絕對(duì)安全，實(shí)驗(yàn)本身的不穩(wěn)定性、學(xué)生操作失誤或者其他意外情況均可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生，如諾貝爾就是多次實(shí)驗(yàn)中被炸成殘疾、奧本海默就是因核物理實(shí)驗(yàn)受到輻射而身患重病，由此可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)本身就存在著安全風(fēng)險(xiǎn)，沒(méi)有人能夠保證實(shí)驗(yàn)的絕對(duì)安全[8]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法被排除，一旦學(xué)生不按照規(guī)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至可能面臨生命危險(xiǎn)。

（四）提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率

雖然從形式上來(lái)看，大學(xué)的教學(xué)模式和中學(xué)階段有著明顯的差異，但本科階段本質(zhì)上仍是采用“大班教學(xué)”的邏輯，一名任課教師要面對(duì)幾十名學(xué)生，甚至在部分理工類院校一名任課教師需要同時(shí)面對(duì)一個(gè)院系的數(shù)百名學(xué)生，因此教師在教學(xué)時(shí)難以顧及所有學(xué)生，不具備一對(duì)一指導(dǎo)的可能性。反映在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要有兩點(diǎn)，一是教師利用課堂展示實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)，由于班容量較大，處于教室后排的學(xué)生可能無(wú)法仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程，教師的實(shí)驗(yàn)展示效果較差；二是，在正式的實(shí)驗(yàn)操作中，學(xué)生個(gè)人或?qū)W生小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，教師雖然能夠通過(guò)巡視的方式觀察學(xué)生的整體實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，但沒(méi)有精力實(shí)施一對(duì)一指導(dǎo)，學(xué)生是否按照規(guī)程操作、學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中是否準(zhǔn)確驗(yàn)證了物理理論就不得而知，即使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，教師也無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并指正，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際效果相對(duì)有限。

三、虛擬仿真在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及，現(xiàn)代媒體技術(shù)、信息技術(shù)已在科學(xué)研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，這些技術(shù)改變了科學(xué)研究的格局，為實(shí)驗(yàn)研究、科學(xué)計(jì)算提供了新的技術(shù)支撐與研究方法，有效提升了科學(xué)研究的效率與研究的安全性。模擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用不僅改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，還降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本、安全隱患，有效激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，對(duì)學(xué)生物理知識(shí)的學(xué)習(xí)、物理技能的鍛煉以及科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)有著廣泛而深刻的意義。

（一）以虛擬仿真替代真正實(shí)驗(yàn)器材

在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是很多高校頭疼的問(wèn)題。一方面是物理實(shí)驗(yàn)需要建設(shè)專門化實(shí)驗(yàn)研究室，但并非所有高校均具備這樣的資金與技術(shù)，甚至很多高校至今仍沒(méi)有專門化的物理實(shí)驗(yàn)室，另一方面則是物理實(shí)驗(yàn)的整體成本較高，尤其是在大型物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，損耗的能源、材料、儀器設(shè)備、試劑等，為學(xué)生提供這樣的實(shí)驗(yàn)條件，高校需要承擔(dān)巨大的財(cái)務(wù)壓力。這也就導(dǎo)致很多高校并未開(kāi)設(shè)專門的物理實(shí)驗(yàn)學(xué)科，涉及物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大多采用視頻展示或純理論講解來(lái)代替實(shí)際操作，導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可操作性較低的問(wèn)題。

模擬仿真技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以避免“實(shí)驗(yàn)成本”的問(wèn)題。高校不必建設(shè)專門的實(shí)驗(yàn)室，也不必購(gòu)買專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)器材，僅需要購(gòu)置計(jì)算機(jī)及其他少量的硬件資源、軟件資源，即可完成虛擬物理實(shí)驗(yàn)室的搭建，實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)。相較于傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室，虛擬仿真技術(shù)搭建的物理實(shí)驗(yàn)室需要投入的資源非常少，而且虛擬仿真技術(shù)能夠提供比傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室更加豐富的選項(xiàng)，甚至能夠完全模擬各種真實(shí)環(huán)境以獲取最接近自然狀態(tài)的物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效提高了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可操作性。

（二）通過(guò)虛擬仿真提升實(shí)驗(yàn)的安全性

科學(xué)實(shí)驗(yàn)通常帶有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，而模擬仿真技術(shù)下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)則能夠保證絕對(duì)安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，即使學(xué)生未能按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行操作，也不會(huì)發(fā)生意外事故，從而使得學(xué)生能夠在絕對(duì)安全的前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

首先，模擬仿真技術(shù)能夠提供與真實(shí)條件一模一樣的實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模擬仿真的實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)過(guò)程與真實(shí)情況完全一致，因此能夠保證模擬仿真實(shí)驗(yàn)的有效性。但模擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不會(huì)直接接觸具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)試劑等，因此即使操作失誤也不會(huì)發(fā)生真正的意外，從而確保實(shí)驗(yàn)的安全性。

其次，模擬仿真技術(shù)下的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼钶d其他軟件輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，比如在實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真軟件中內(nèi)嵌動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，就能夠動(dòng)態(tài)記錄學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作路徑，教師可以通過(guò)通訊反饋機(jī)制及時(shí)了解每一位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，從而做出指導(dǎo)與幫助，使學(xué)生能夠嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行操作，避免實(shí)驗(yàn)中意外的發(fā)生，使學(xué)生能夠更好地掌握實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程、養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，從而避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)操中發(fā)生同樣的錯(cuò)誤，從而避免實(shí)驗(yàn)意外的發(fā)生。此外，內(nèi)嵌軟件中可以通過(guò)編程設(shè)定實(shí)驗(yàn)警報(bào)，當(dāng)學(xué)生出現(xiàn)錯(cuò)誤操作時(shí)模擬仿真系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)和提示，這樣即使沒(méi)有教師指導(dǎo)的情況下學(xué)生也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作失誤，便于學(xué)生改正，也有助提升實(shí)驗(yàn)科學(xué)性和安全性。

最后，模擬仿真技術(shù)下的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺懦獠坎豢煽匾蛩貙?duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，一定程度上避免了實(shí)驗(yàn)中意外的發(fā)生，對(duì)學(xué)生掌握真正的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、物理理論也有積極作用。

（三）以虛擬仿真技術(shù)搭建物理實(shí)驗(yàn)室

物理實(shí)驗(yàn)需要耗用大量的資源，不僅僅是儀器設(shè)備、試劑等。以大學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常涉及復(fù)雜的電氣條件，創(chuàng)造這些電氣條件往往需要使用大量的電力資源。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)則可以避免大量的能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，對(duì)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)有著積極意義。

其次，相較于龐大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，計(jì)算機(jī)本身的購(gòu)置成本也較低，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，搭建一個(gè)容量40人的標(biāo)準(zhǔn)物理實(shí)驗(yàn)室的成本可以搭建容量在600人以上的模擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并且實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備折舊情況、后期維護(hù)成本也遠(yuǎn)低于常規(guī)實(shí)驗(yàn)室。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，模擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)種類越來(lái)越多，構(gòu)建的物理實(shí)驗(yàn)條件也越來(lái)越多樣，至少?gòu)墓δ苄院徒虒W(xué)效果上來(lái)說(shuō)，模擬仿真實(shí)驗(yàn)室和傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室并無(wú)明顯差別，但建設(shè)成本大大降低。

（四）通過(guò)虛擬仿真優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件

仿真實(shí)驗(yàn)是一種全新的實(shí)驗(yàn)方式，通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)備能夠?qū)x器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作、教師指導(dǎo)等有機(jī)結(jié)合，學(xué)生在模擬仿真中雖然無(wú)法直接接觸到實(shí)驗(yàn)用的儀器設(shè)備，但這并不影響學(xué)生近距離觀察各類儀器設(shè)備的細(xì)節(jié)參數(shù)，也不影響學(xué)生近距離觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，因此模擬仿真實(shí)驗(yàn)的效果和真實(shí)操作基本一致，可以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。同時(shí)，模擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^(guò)軟件重置實(shí)驗(yàn)條件，當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)異常時(shí)可以進(jìn)行重置，便于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不具備的優(yōu)勢(shì)。這一特點(diǎn)有助于學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)中各類要素變化對(duì)物理現(xiàn)象的影響，從而更好地把握物理規(guī)律，更深刻地理解物理知識(shí)。

作者單位：馮青 寶雞文理學(xué)院物理與光電技術(shù)學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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