基于信息化的物理綜合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐
——以臨沂大學(xué)為例

盧兆信 孫長(zhǎng)平 劉 爽

（臨沂大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，山東 臨沂276005）

0 引言

在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備不僅需要花費(fèi)大量的資金，而且如何科學(xué)和合理地去放置現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備也需要足夠的空間，所以傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)極大地受到來(lái)自資金和空間兩方面的影響。而基于信息化的物理綜合仿真實(shí)驗(yàn)課程依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過(guò)利用構(gòu)建了高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象的軟件，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化和智能化，從而真正將儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生操作等有機(jī)融合為一體，最終起到有效提高物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)效率的作用。

1 傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

1.1 受學(xué)校資金投入的影響比較大

為滿足傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，必須采購(gòu)一定數(shù)量的物理實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，所以需要學(xué)校投入大量的資金才能基本滿足正常的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。另一方面，實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備中的電子元器件使用壽命是一定的，必然會(huì)導(dǎo)致這些實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備有一定的使用期限而發(fā)生儀器的自然損壞，同時(shí)還有一些實(shí)驗(yàn)授課過(guò)程中由于學(xué)生操作失誤造成儀器的偶然損壞，這些都需要學(xué)校每年重復(fù)性地投入資金去維護(hù)、維修，甚至購(gòu)買(mǎi)一部分儀器進(jìn)行更換才能保證整套實(shí)驗(yàn)儀器的使用。

1.2 受空間和時(shí)間的影響比較大

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于是在實(shí)驗(yàn)室使用真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備開(kāi)展的教學(xué)，為保證教學(xué)效果在課堂中最多允許不超過(guò)2人共同操作使用一套儀器和設(shè)備，所以在開(kāi)課時(shí)需要大量的實(shí)驗(yàn)室空間來(lái)擺放這些實(shí)驗(yàn)儀器，同時(shí)這些實(shí)驗(yàn)儀器也不可能輕易地隨時(shí)搬來(lái)搬去，所以導(dǎo)致每個(gè)實(shí)驗(yàn)室只能擺放某幾類(lèi)實(shí)驗(yàn)儀器。由于不可能同時(shí)將所有儀器全部擺放到實(shí)驗(yàn)室，很多實(shí)驗(yàn)室每次只能擺放2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)儀器。同時(shí)受空間和時(shí)間的影響，造成了學(xué)生不能提前預(yù)習(xí)熟悉實(shí)驗(yàn)，也不能自主選擇喜歡的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，課后學(xué)生也不能自主地去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)習(xí)，所以導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課結(jié)束時(shí)，前面的很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都已經(jīng)忘記，但是想再去熟悉一下時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室擺放的儀器和設(shè)備沒(méi)有要找的項(xiàng)目。

1.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和觀察過(guò)程受限

某些實(shí)驗(yàn)儀器由于受到設(shè)計(jì)的限制，造成在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中操作困難，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察，在授課中任課教師也只能通過(guò)文字說(shuō)明、語(yǔ)言描述、加強(qiáng)講解等方法來(lái)給同學(xué)們進(jìn)行講解說(shuō)明，因此能夠放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與過(guò)程日益成為實(shí)驗(yàn)課程的新要求。其實(shí)在教學(xué)過(guò)程中，任課教師也在不斷地把這些使用需求反饋給實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家，但由于實(shí)物儀器的更新是不方便和不及時(shí)地，這些因素都極大地影響著課堂教學(xué)，給課堂教學(xué)造成了極大的不便。

1.4 缺少實(shí)驗(yàn)維護(hù)或維修專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員

物理實(shí)驗(yàn)儀器的操作需要在使用過(guò)程中嚴(yán)格按照使用要求來(lái)進(jìn)行，平時(shí)在每次使用完畢都需要進(jìn)行及時(shí)和正確的維護(hù)和保護(hù)，這樣才能從最大程度上保護(hù)儀器，延長(zhǎng)它的使用壽命，而維護(hù)和維修都需要專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員來(lái)保證。目前看來(lái)，學(xué)校缺少實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，即使有的實(shí)驗(yàn)室有這方面的人員，但也由于工作量大、維護(hù)和維修煩瑣、工作發(fā)展前景受限等方面影響，在某種程度上造成實(shí)驗(yàn)室人員缺乏工作積極性，維護(hù)維修不及時(shí)，甚至造成部分儀器長(zhǎng)期損壞無(wú)人維修的現(xiàn)象。

2 采取物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

2.1 前期投入資金少，使用過(guò)程中維護(hù)費(fèi)用低

目前來(lái)說(shuō)，物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的發(fā)展和技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國(guó)內(nèi)比較有名的廠商是科大奧銳，該公司從1993年就開(kāi)始從事物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究和開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，目前已開(kāi)發(fā)出包含力、熱、電、光等50個(gè)常用物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件購(gòu)置只需要一次性投入購(gòu)買(mǎi)需要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和一臺(tái)服務(wù)器電腦，就可以同時(shí)面向較大范圍的學(xué)生開(kāi)展物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使用過(guò)程中也不需要額外的維護(hù)費(fèi)用投入。即使出現(xiàn)軟件問(wèn)題，廠商也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)助進(jìn)行維護(hù)，使用過(guò)程中節(jié)約了大量的維護(hù)和維修費(fèi)用。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)間和空間的影響小

使用物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，只需要在有網(wǎng)絡(luò)的地方，學(xué)生就可以隨時(shí)使用個(gè)人電腦對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，多次重復(fù)練習(xí)某個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，還可以自主選擇教學(xué)計(jì)劃外的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行練習(xí)。同時(shí)由于不需要真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備來(lái)擺放在實(shí)驗(yàn)室，也減少了一些實(shí)驗(yàn)室房間的建設(shè)，給學(xué)校節(jié)約了大量的資金投入，從而使學(xué)校把節(jié)約的資金投入教學(xué)中更需要的地方。2020年新冠肺炎疫情發(fā)生以來(lái)，幾乎所有的大學(xué)生都無(wú)法順利返校學(xué)習(xí)，科大奧銳向全國(guó)幾百所高校免費(fèi)開(kāi)放物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用，保證了全國(guó)很多高校學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的順利開(kāi)展，這些都經(jīng)過(guò)現(xiàn)實(shí)和實(shí)踐的檢驗(yàn)。

2.3 某種程度上緩解了實(shí)驗(yàn)人員的維護(hù)維修壓力

由于物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不再需要實(shí)驗(yàn)人員針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提前準(zhǔn)備具體的實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)教師也不需要提前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的調(diào)試，可以將大量的時(shí)間用于熟悉實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)講解準(zhǔn)備上，仿真軟件自身就帶有大量的實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)講解和操作演示視頻，也便于學(xué)生提前預(yù)習(xí)和反復(fù)觀看。這些都使實(shí)驗(yàn)教師從課前繁重的準(zhǔn)備工作中解放出來(lái)，有效地緩解了當(dāng)前面臨的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，同時(shí)也不需要實(shí)驗(yàn)人員對(duì)儀器維護(hù)和維修，可以使他們將更多的時(shí)間投入其他實(shí)驗(yàn)儀器的維護(hù)和維修工作中去，從而更好地提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

2.4 便于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目升級(jí)，容易與新技術(shù)發(fā)展接軌

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，就需要將某些新技術(shù)引入到開(kāi)設(shè)的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中去，才能更好地提高我們的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生科學(xué)素質(zhì)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式中開(kāi)發(fā)新儀器周期長(zhǎng)，采購(gòu)新儀器也比較容易受到學(xué)校資金的限制，還有來(lái)自時(shí)間和空間的限制，但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)周期短，需要的升級(jí)資金也少，可以極快地將新技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，從而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中盡快地使用上新儀器和新技術(shù)，使學(xué)生們加快了學(xué)習(xí)進(jìn)程并且提前受益，真正讓學(xué)生更加喜愛(ài)實(shí)驗(yàn)課程。

3 結(jié)語(yǔ)

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，本著“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛，資源共享”的目標(biāo)，將物理仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)相結(jié)合，極大地提高了學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)操作技能和動(dòng)手制作能力。經(jīng)過(guò)近幾年對(duì)物理綜合仿真實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)探索和實(shí)踐，教師已對(duì)某些物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目形成了線上線下虛實(shí)結(jié)合的新型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，從某種程度上延伸了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間、空間，提升了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。在近期公布的2020年全國(guó)普通高校大學(xué)生競(jìng)賽排行榜中，全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽首次名列其中。作者推薦的5個(gè)參賽隊(duì)伍全部獲獎(jiǎng)，其中一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，是山東省高校中獲得最好成績(jī)的高校，也使臨沂大學(xué)實(shí)現(xiàn)了物理專(zhuān)業(yè)在全國(guó)普通高校大學(xué)生競(jìng)賽排行榜中獲獎(jiǎng)項(xiàng)目零的突破，其中基于phyphox軟件設(shè)計(jì)的聲速測(cè)量?jī)x器獲得了大賽一等獎(jiǎng)，完全就是利用在該課程中講到的知識(shí)，屬于我校開(kāi)設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)成果。