虛擬仿真技術(shù)在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探討

摘要：本文分析了在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)的意義，探索了仿真實(shí)驗(yàn)輔助近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)路線，形成了電子教案理論指導(dǎo)—虛擬仿真軟件預(yù)習(xí)操作—物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量檢驗(yàn)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，歸納總結(jié)了教改實(shí)施的效果。

關(guān)鍵詞：近代物理實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真；教學(xué)模式；實(shí)施效果

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）06-0213-02

一、引言

虛擬仿真技術(shù)對(duì)高等教育發(fā)展影響廣泛，它改變了以往傳統(tǒng)的教學(xué)模式，為高等教育教學(xué)的開(kāi)展提供了先進(jìn)的手段。教育部在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》中明確提出，在教學(xué)模式和方法上要“充分利用包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體教學(xué)軟件等在內(nèi)的現(xiàn)代教育技術(shù)，營(yíng)造多元化的教學(xué)模式”等基本要求。將虛擬仿真技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于促進(jìn)《近代物理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)方法的改革具有現(xiàn)實(shí)意義。在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)基本技能方面，實(shí)際動(dòng)手進(jìn)行操作是必要的步驟，但對(duì)在復(fù)雜的物理實(shí)驗(yàn)中，由于設(shè)備、材料費(fèi)用等，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在軟件設(shè)計(jì)的引導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)的每一步，變得更為直觀，并且容易做到[1]。對(duì)開(kāi)放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式更為有效，特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，以及撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)，都可由仿真軟件進(jìn)行處理并得出正確結(jié)論，在計(jì)算機(jī)上無(wú)紙化完成。如果普通物理實(shí)驗(yàn)在于打好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，近代物理實(shí)驗(yàn)則注重分析、解決物理問(wèn)題能力的培養(yǎng)，那么在較復(fù)雜、難理解的近代物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)更為簡(jiǎn)便易行，適合學(xué)生獨(dú)立操作完成，優(yōu)勢(shì)明顯。為此，應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)，建立近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，保持與教育部的基本要求相一致，適合當(dāng)今教育發(fā)展需求，緊跟時(shí)代發(fā)展步伐。

二、探索仿真實(shí)驗(yàn)輔助近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式

近代物理實(shí)驗(yàn)作為高等院校的專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容復(fù)雜，任務(wù)量大，受實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)材料等制約因素較多，這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的突出問(wèn)題。合理有效地利用好有限的設(shè)備、材料和師資資源，在一定的時(shí)間、空間獲得較好的教學(xué)效果，是我們研究探討的重要課題。為了解決這一矛盾，有必要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，探索仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)新模式。

開(kāi)發(fā)制作近代物理實(shí)驗(yàn)電子教案，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的輔助講解，可調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；應(yīng)用交互式仿真實(shí)驗(yàn)軟件，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一貫的單一模式，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更為方便靈活、寬松自主的教學(xué)方法；在實(shí)驗(yàn)上，仿真實(shí)驗(yàn)拓展了有限的課堂教學(xué)時(shí)間，為學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)原理，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；利用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)理論進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)的歷史背景和意義進(jìn)行講解，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行演示，使仿真實(shí)驗(yàn)成為連接理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的紐帶，形成電子教案理論指導(dǎo)—模擬仿真軟件預(yù)習(xí)操作—物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量檢驗(yàn)的仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)、理論與實(shí)踐相結(jié)合的一種嶄新教學(xué)模式。虛擬教學(xué)課件的設(shè)計(jì)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，操作由簡(jiǎn)到繁，內(nèi)容由少到多，使教學(xué)內(nèi)容循序漸進(jìn)，不斷深入。學(xué)生實(shí)驗(yàn)也從打好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)起步，到實(shí)驗(yàn)技能的養(yǎng)成，進(jìn)而到實(shí)驗(yàn)技能的提高。對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行層次性劃分，使學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶岣叻謱舆M(jìn)行。隨著實(shí)驗(yàn)層次的不斷提高，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ粩嗵岣撸n堂實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)狀態(tài)也發(fā)生了改變，由過(guò)去等教師講解、演示，有問(wèn)題依賴(lài)教師解決，變?yōu)樽约邯?dú)立研討解決。隨著教學(xué)改革的不斷深入，逐漸實(shí)現(xiàn)從以教師為中心向以學(xué)生為中心、教師輔助指導(dǎo)的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，以灌輸式教學(xué)向邊學(xué)邊做的研究性教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，提升實(shí)踐綜合素質(zhì)。

三、虛擬仿真技術(shù)輔助近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果

通過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐，虛擬仿真技術(shù)輔助近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式取得了良好的效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率，增加了實(shí)踐操作能力。

1.改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，改變傳統(tǒng)教學(xué)以教師為主的講授、演示的教學(xué)方法，由教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)過(guò)教師的指導(dǎo)由學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能夠通過(guò)觀察提出假設(shè)，學(xué)會(huì)使用仿真交互實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，使之成為提供必要反饋的窗口。通過(guò)觀察屏幕提示，逐步進(jìn)行思考、選擇，由淺入深地探索物理現(xiàn)象的本質(zhì)，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，提高分析能力和創(chuàng)造能力。

2.激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，可以通過(guò)文字、聲音和圖像聲情并茂地展示物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，把涉及的理論知識(shí)、物理現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)過(guò)程形象地展現(xiàn)在學(xué)生的面前。通過(guò)對(duì)書(shū)中難于理解、較抽象的內(nèi)容進(jìn)行圖形化、形象化處理，使學(xué)生耳濡目染，有身臨其境的感覺(jué)，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的熱情。學(xué)生在仿真軟件上預(yù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，進(jìn)行模擬操作[3]，可以避免實(shí)驗(yàn)中的操作失誤，提高實(shí)驗(yàn)操作效率。

3.取得較好的學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真技術(shù)通過(guò)對(duì)聲音、文字、圖形、視頻等信息的存儲(chǔ)再現(xiàn)處理，突出了形象性，增強(qiáng)了感染力，填補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。學(xué)生通過(guò)多感官來(lái)獲取信息，提高信息獲得效率。虛擬仿真技術(shù)打破時(shí)空限制，可以恰如其分地演示一些抽象的、復(fù)雜的、不便直接觀察遠(yuǎn)離人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)的自然過(guò)程和現(xiàn)象[2]，多角度、全方位地展示物理科學(xué)內(nèi)涵，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生既能看得見(jiàn)又能聽(tīng)得到，還能動(dòng)手操作，通過(guò)討論、交流，用自己的分析得出結(jié)論。知識(shí)的獲得，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)教學(xué)效果。

4.建設(shè)輔助教學(xué)平臺(tái)。虛擬仿真技術(shù)教學(xué)為師生提供了一個(gè)嶄新的學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生可以通過(guò)閱讀電子教案、學(xué)習(xí)課件對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，回答問(wèn)題，檢測(cè)預(yù)習(xí)結(jié)果，在檢測(cè)題答對(duì)一定比例后，才能進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)階段。在完成仿真實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可及時(shí)向教師提出、發(fā)表自己的意見(jiàn)，并同教師進(jìn)行討論，教師也便于了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情況，以保證學(xué)生在后續(xù)物理實(shí)驗(yàn)中的操作的正確性。虛擬實(shí)驗(yàn)完成后，再進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，分析比較仿真實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)的步驟、數(shù)據(jù)及結(jié)果，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。

5.節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以解決實(shí)驗(yàn)室儀器數(shù)量不足的問(wèn)題，避免儀器損壞，并可模擬大型實(shí)驗(yàn)“儀器”操作及復(fù)雜的物理現(xiàn)象，節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料經(jīng)費(fèi)。隨著現(xiàn)代物理理論的發(fā)展，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，如晶體結(jié)構(gòu)研究、核實(shí)驗(yàn)、輻射實(shí)驗(yàn)等。應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，可以將目前新技術(shù)測(cè)得的大數(shù)據(jù)通過(guò)信息處理，用圖像的方式直接地展現(xiàn)于學(xué)生面前，便于他們了解掌握。

四、結(jié)語(yǔ)

結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備具體情況，把虛擬仿真技術(shù)引入傳統(tǒng)近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)方式向現(xiàn)代教學(xué)方式的轉(zhuǎn)化，將硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式向多元化實(shí)驗(yàn)方式轉(zhuǎn)移，讓實(shí)驗(yàn)不再受任何約束、限制，學(xué)生可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，為其創(chuàng)建良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入新的概念和規(guī)律，把理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地融為一個(gè)整體，改革傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，豐富教學(xué)內(nèi)容[4]，師生互動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，節(jié)約實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)開(kāi)支，建立具有一定推廣價(jià)值的人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)新模式，促進(jìn)學(xué)生研究能力、創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)的全面提高。

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