虛擬仿真技術(shù)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)影響的探究

張 林

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

虛擬仿真技術(shù)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)影響的探究

張 林

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

從我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，分析了傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式存在的缺點(diǎn)與不足。討論了在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中補(bǔ)充一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于豐富教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)方式和客觀評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的影響。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷普及和提高，使用計(jì)算機(jī)仿真軟件，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程教學(xué)在全國(guó)各高校得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)代化教學(xué)，具有物理圖像清晰，實(shí)驗(yàn)操作逼真、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等［1-2］優(yōu)點(diǎn)，可以作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充，目前全國(guó)很多高校都在開(kāi)展這方面的教學(xué)實(shí)踐和研究，并取得一些經(jīng)驗(yàn)和成果［3-8］。

本文主要介紹近年來(lái)我們?cè)诖髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)于豐富教學(xué)內(nèi)容、改善教學(xué)手段和提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面做的一些嘗試性的教學(xué)工作。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的不足

在引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)之前，為了提高物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，我們通過(guò)問(wèn)卷、座談以及征求建議等方式對(duì)廣大師生做了大量的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式雖然也能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，但也存在以下的缺點(diǎn)和不足:

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性不強(qiáng)

首先，我們發(fā)現(xiàn)很多師生覺(jué)得做物理實(shí)驗(yàn)比較枯燥乏味，缺乏挑戰(zhàn)性和成就感。一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)教材的編寫是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、艱巨的工程，既要反映教學(xué)的連續(xù)性，也要反映

教學(xué)的創(chuàng)新性，因此在短期內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不可能得到及時(shí)的更新，這樣就會(huì)使得很多教師年復(fù)一年從事相同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，造成工作上的疲勞，另外有很多物理實(shí)驗(yàn)與中學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是重疊，學(xué)生沒(méi)有做實(shí)驗(yàn)就可以預(yù)知實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，這也造成了學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)缺乏興趣；另一方面主要?dú)w因于我校的大多數(shù)物理實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏可設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒襟E，連基本的實(shí)驗(yàn)器材，線路的數(shù)量都是預(yù)先規(guī)定和準(zhǔn)備的，這樣就限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，因?yàn)閷W(xué)生不可能按照自己的想法去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，完成實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，此外如果學(xué)生不按照預(yù)定的實(shí)驗(yàn)步驟操作儀器，也會(huì)造成儀器故障和實(shí)驗(yàn)安全問(wèn)題，這樣也極大地限制了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的進(jìn)一步嘗試性操作和認(rèn)知。

1.2 單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

其次，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏吸引力還表現(xiàn)在教學(xué)環(huán)節(jié)的單一性，和大學(xué)物理理論課教學(xué)一樣，教師要求學(xué)生課前認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉實(shí)驗(yàn)步驟；課堂上教師通過(guò)講解和演示，學(xué)生按部就班，依葫蘆畫瓢地完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏獨(dú)立思考的機(jī)會(huì)，課后部分學(xué)生為了完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，竟然篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者抄襲其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在多年的教學(xué)過(guò)程中，我們也嘗試了讓學(xué)生來(lái)充當(dāng)教師的角色，負(fù)責(zé)講解實(shí)驗(yàn)的原理和步驟，來(lái)加深學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡恼J(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的分析和理解能力，雖然初期也取得一些成效，但是由于學(xué)生缺乏完成新實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，這樣也會(huì)極大延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)間，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理上帶來(lái)了極大的不便。

1.3 實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定不能客觀反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

物理實(shí)驗(yàn)課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定是根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的情況給予評(píng)定的，通常是教師根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的表現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理來(lái)評(píng)定的，因此具有很大的主觀性，不能完全客觀地反映學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟町?，這也是部分學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)不感興趣的主要原因之一。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)與不足

在引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以后，我們開(kāi)始嘗試使用新的虛擬實(shí)驗(yàn)室，選取了部分學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生和老師共同參與虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和研究。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，我們?nèi)〉昧艘恍┏醪降慕?jīng)驗(yàn)和結(jié)論。

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容

作為傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重要補(bǔ)充，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也是學(xué)生認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象，掌握物理知識(shí)的，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊粋€(gè)重要的途徑。我們通過(guò)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，既可以完成一些傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也能開(kāi)發(fā)成為具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，特別是對(duì)于一些物理原理較復(fù)雜的、實(shí)驗(yàn)圖像較明顯的力學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)，使用虛擬仿真教學(xué)，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲望。因此，恰當(dāng)?shù)厥褂锰摂M仿真的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅可以豐富傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，也可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于轉(zhuǎn)變單一的教學(xué)方式

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)還在于可以轉(zhuǎn)變單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件，進(jìn)入交互式的，友好的仿真界面，可以在無(wú)教師指導(dǎo)的情況下，自主地完成一些較為簡(jiǎn)單的仿真實(shí)驗(yàn)，得到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。因?yàn)樗械膶?shí)驗(yàn)儀器都是虛擬的，因此學(xué)生可以進(jìn)行多次嘗試，也不會(huì)造成儀器的損壞，特別是對(duì)于一些復(fù)雜地，較危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更是不可替代的。另外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以打破時(shí)間和空間的限制，仿真實(shí)驗(yàn)可以不用在實(shí)驗(yàn)室里完成，也可以在課后獨(dú)立完成，這對(duì)于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和探索物理實(shí)驗(yàn)是非常重要，也可以極大鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

2.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有助于客觀地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平

除了讓學(xué)生獨(dú)立地完成普通的虛擬實(shí)驗(yàn)，我們還進(jìn)一步鼓勵(lì)學(xué)生參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，讓他們學(xué)習(xí)一些虛擬仿真軟件（例如LABVIEW，MATLAB/SIMULINK）的基本知識(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的深入理解，抽象出物理模型，利用虛擬仿真環(huán)境，構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器，最后調(diào)試儀器，得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這樣既能客觀地反映學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)圖像和實(shí)驗(yàn)結(jié)論認(rèn)知的全過(guò)程，也能全面反映學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的真實(shí)水平，也有利于對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)客觀評(píng)價(jià)，形成個(gè)體差異，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣和成就感，從而提高物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。

2.4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)和管理上的不足

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不能完全取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，它只是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的重要的補(bǔ)充。在教學(xué)中我們也發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)需要學(xué)生預(yù)先學(xué)習(xí)和掌握一些基本的計(jì)算機(jī)知識(shí)，需要學(xué)生對(duì)物理原理和物理模型有較深入的理解，另外學(xué)生參與虛擬仿真的信心和經(jīng)驗(yàn)也是制約虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)成敗的主要原因。

此外，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的管理上也存在一些困難，特別是對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)上更需要一些專業(yè)的管理人員，這也對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的管理上提出了更高的要求。

3 結(jié) 論

通過(guò)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中補(bǔ)充虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，我們發(fā)現(xiàn)這樣做不僅能豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；還有助于轉(zhuǎn)變單一的教學(xué)方式，另外學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)、參與物理實(shí)驗(yàn)研究的興趣也有了明顯的提高，更有助于對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目陀^評(píng)價(jià)。

此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)和管理上也存在著一些缺點(diǎn)和不足。

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Research of the Influence on the College Physics Experiment Teaching by Virtual Simulation Technology

ZHANG Lin
（Nanjing Forestry University，Jiangsu Nanjing 210037）

From the present situation of our college physics experiment teaching，we analyze the deficiency of the traditional physics experiment teaching methods，and discuss the influence of the introduced virtual simulation experiments on enrich the experiment contents，improve the teaching methods and objective evaluation of the students'experiment scores.

virtual simulation experiment；physics experiment teaching

O4-39

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.038

1007-2934（2015）01-0116-03