構建我校基于ｗｅｂ的大學物理虛擬實驗教學平臺的研究

[摘要]隨著計算機技術和多媒體技術的發展，虛擬實驗的應用變得越來越普及，充分利用我校現有優勢資源建立大學物理網絡虛擬實驗平臺，一定會提高我校大學物理實驗教學水平。介紹在實驗教學中應用網絡虛擬實驗的必要性，初步設計基于網絡虛擬的大學物理實驗系統教學模式，探討系統在實驗教學中的作用。

[關鍵詞]物理實驗教學 虛擬實驗 系統模塊

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671-7597（2009）0110105-01

一、我校建立基于Web的物理虛擬實驗平臺的必要性

（一）實驗室基本情況

2006年3月學校在原理科實驗中心普通物理實驗室的基礎上成立了榆中校區面向全校的大學物理實驗室，加大資金投入，建成力、熱、電磁學、光學、近代物理、演示實驗分室，共34個實驗分室，使用面積共計2939平方，一次可容納學生712人。主要面向土木工程、電氣工程、計算機工程、現代教育技術、化工、歷史、生命科學與工程學院，18個相關專業的基礎物理實驗。一個班20名同學可同時實驗。

（二）學生基本情況

理工科學生從第二學期開設大學物理實驗，經調查65.8%學生的實驗技能在中學階段就得到了鍛煉；由于各種原因28.7%的學生沒作過物理實驗；受某些條件的影響21.6%的學生理論課內容還沒學完就開始做實驗；62.3%學生的學習積極性很高，有明確的學習目的，認識到物理實驗課能鞏固理論，拓寬視野，培養科研能力，應積極開設；32.5%學生認為普通物理與自己的專業毫無瓜葛，今后的工作中毫無用處，做普通物理實驗沒有興趣。

（三）實驗內容及實驗儀器

從調查結果顯示，45.2%的同學喜歡驗證性實驗；35.9%的學生更喜歡綜合性實驗，認為綜合性實驗更能使所學知識融會貫通；36.7%的學生認為設計性實驗對自己是個挑戰，更能鍛煉自己的能力；部分學生認為實驗儀器一般和不滿意，主要反映在綜合性、開發設計性實驗儀器數量偏少。

教學方法及實驗考核方面，學生更喜歡自主操作為主，老師輔導為輔的教學方法。大多數的學生希望實驗課預習在實驗室，而且希望實驗室開放，實驗課應該通過全面考核確定等次，真正反映個人的實驗水平，而不是單靠實驗報告、出勤等方面定實驗成績。

我校理科實驗中心，承擔全校理工科學生的大學物理實驗課教學任務，上課學生人數多，由于儀器和教室的限制，使得無開放時間、實驗項目少、上課課時短等問題比較突出。現有的物理實驗教學模式分為課前預習、課上講解與指導、課后報告整理等三個環節。這三個環節中，課前預習是非常重要的環節，預習效果直接影響著學生課堂教學，由于現有資源的限制，實驗室沒有時間開放，無法滿足學生課前到實驗室預習的要求，學生僅完成一張全文字性的預習報告，這樣就無法掌握學生的實際預習質量；在課上講解與指導環節，由于儀器的封閉性、獨立性和不可見性，使有些實驗內容難以講透。依據我校現有資源，建立物理虛擬實驗教學平臺可以有效解決實際問題。

二、物理虛擬實驗教學平臺模式

物理虛擬實驗中有：實驗預習、虛擬實驗、實驗報告、實驗交流等相應的功能。

（一）實驗預習

這是實驗教學中的第一個環節，系統內擁有豐富的相關實驗資料，包括文字資料、動畫、視頻以及各種圖片。學生可以通過網絡以視頻點播的方式觀看教學水平較高的教師針對具體實驗進行的講解。

（二）實驗預約

虛擬實驗系統具有預約功能，學生可以在網上自由預約準備要做的實際實驗，在一定時間內還可以取消預約，當預約被虛擬實驗系統確定后學生就按自己預約的時間去實驗室進行實際實驗。

（三）虛擬實驗

網上仿真實驗界面真實、數據可測、與實驗內容一致、要求一致，學生必須按照實際實驗的步驟和要求進行虛擬操作，并按要求進行數據處理。

（四）實驗檢查

主要目的是對學生的實驗效果進行檢驗，學生操作完成一個具體實驗后，輸入必要的數據，將學生的實驗數據進行自動分析，并根據具體情況提出建議和指導。

（五）實驗報告

實驗報告是學生完成實驗測量后的分析和總結，是學生實驗素質培養的一個重要的方面。通過網絡發送給教師，類似于傳統教學環節。教師批改后可將批改結果通過網絡發送給學生，也可根據情況，在網上進行實驗講評。

三、物理虛擬實驗教學平臺的作用

（一）拓寬學生視野、提高實驗效果

儀器設備相對缺乏和不能及時更新等現象在一定程度上影響了人才質量的培養。而虛擬實驗由于資金投入較少，可以通過修改軟件就能擴展和更新實驗內容，大大降低教育成本。這在目前實驗經費緊張的情況下，有較大的優勢。其次，大多數的物理實驗現象都具有時間性，有的經過漫長的時間，而有的實驗過程很短，用肉眼很難觀察，指導老師抽象的語言解釋，使學生理解很困難，在講解這些實驗時利用虛擬現實技術，在課堂上非常逼真地觀察到這些實驗現象，觀察一些關鍵性的問題，可使復雜抽象的教學內容和概念簡單化、直觀化、形象化。大大提高學生的理解能力和掌握能力。再次，現實實驗教學時，由于儀器的封閉性、獨立性和不可見性，使儀器結構及實驗內容難以講透，虛擬實驗通過動畫把實驗儀器全方位展示給學生，對儀器內部部件進行解剖式的展示，并能在實驗過程中觀察儀器的各種指標和內部結構動作，增強了學生對儀器的熟悉和對其功能的把握，為更好地進行實物分組實驗打下基礎。虛擬實驗教學平臺還可以讓教師可以在不同地點上網組織各種實時或非實時的分布式教學，很好的實現跨區域教學，充分利用了學校的網絡教學資源，對教師提供了一個全新的教學方法。

（二）增加設計性實驗、提高自主創新能力

公共基礎課實驗教學不僅要求學生掌握基本知識、基本技能和基本方法，還要充分發揮學生的學習自主性，培養學生的創新精神和創新能力。而設計性實驗的開設對學生創新能力的培養有著至關重要的影響。傳統實驗教學中，學生不熟悉實驗原理及儀器結構，很容易造成實驗儀器的損壞，設備也容易磨損老化。虛擬技術提供近似真實的實驗操作環境，學生不但可以快速完成教學計劃規定的實驗內容，而且可以進行自主創新實驗。指導教師只

規定基礎模塊和功能結果，至于學生用什么解決方案，設計思維完全由學生自己設計。在現實設計過程中難免會導致元器件或測試儀器的損壞，有些精密儀器還比較昂貴，因此學生有所顧慮，不敢放手去做，創造性思維受到限制。利用虛擬實驗平臺，學生可以免去這些后顧之憂，大膽創新。這不僅能提高學生的專業知識水平，激發學習興趣，更能培養學生的自主創新能力。

（三）激發學生的學習興趣

虛擬實驗提供計算機強大的交互功能和虛擬軟件友好的人機界面，結合了視、聽功能，形象直觀，圖文并茂，豐富多彩，信息量大，一定程度上具有娛樂性，學生通過自主操縱進行實驗不會損壞任何儀器設備，從而能有效激發學生對公共基礎課實驗的興趣，充分調動學生“動手”參與的積極性，從而真正體現學生的認知主體作用和實驗過程中的主體地位。

總之，我校網絡實驗教學平臺的建立，將會打破傳統的封閉式教學模式，學生可以自由安排時間在網上完成具體實驗，方便學生對物理實驗的學習，激發學生的學習主動性和積極性，進一步提高教學質量和教學效益。同時平臺的開發周期和開發費用遠低于課堂教學設備的購置及維護費用，而且平臺規模可以靈活掌握，不僅可以降低實驗成本，而且有效的緩解我校經費投入不足的問題。

參考文獻：

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[2]劉邦奇，多媒體網絡教學的特點及發展趨勢[J].中國電化教育，1999(2).

[3]何光宏、陶純匡，虛擬現實、虛擬儀器及其對大學物理實驗建設的影響[J].大學物理實驗，2003.

作者簡介：

才讓卓瑪，女，青海尖扎人，講師，主要從事數據庫方向的教學研究。