仿真實驗在大學物理實驗教學中的地位和作用

劉利娜 岳素榮 臧春和 張東梅

洛陽理工學院數理部，河南 洛陽 471023

仿真實驗在大學物理實驗教學中的地位和作用

劉利娜 岳素榮 臧春和 張東梅

洛陽理工學院數理部，河南 洛陽 471023

本文首先指出了目前物理實驗教學存在的不足，然后指出了物理仿真實驗所起到的積極作用，但仿真實驗也有自己的缺點，所以要正確看待仿真實驗。

仿真實驗；大學物理實驗；教學

In the article, we first pointed out the shortcoming of physical experiments teaching at present, and then the advantage of simulation experiments was discussed. Simulation experiments are not perfect, and they should be correctly treated. Key words

simulation experiments; college physical experiments; teaching

大學物理實驗是培養學生基礎實驗知識、實驗方法和實驗技能的課程，是高校理工科教學體系的重要組成部分，它對培養學生的創新意識、動手能力、分析問題和解決問題的能力有著不可替代的作用。而實驗室出于對學生的安全考慮或實驗經費的制約，一些操作實驗無法開展.尤其是具有創新性、獨特性的實驗.需要消耗大量的人力、物力，難以在實驗室大面積開展 使得學生無法通過實驗透徹的了解儀器的工作原理及相關的物理內容.為了使物理實驗從傳統實驗向設計性、研究性、開放性的創新實驗轉變并大面積開展，仿真實驗應運而生。仿真技術是以相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行實驗研究的一門綜合技術。它集成了計算機技術、網絡技術、圖形圖像技術、多媒體、軟件工程、信息技術、人工智能等多個高新領域的知識。在教學活動中，特別是實驗教學中引入仿真技術，將使教學方式發生根本性的變化，并能夠獲得顯著的教學效果[1]。

1. 目前物理實驗教學存在的不足

由于歷史原因和各方面的限制，我院以及不少兄弟院校在《大學物理實驗課》課程的教學中，無論從儀器設備的配置，還是學時的設置一直都比較有限。長期以來，實驗教學的總體水平始終處在一個較低的層次上，遠不能適應面向社會需求，培養應用型人才的教育要求。其中，較為突出的問題主要表現在以下幾個方面：

1.1 實驗教學與理論教學的內容在時間上不同步

由于我校物理實驗采取分組的形式進行，很多學生都是在沒學理論的前提下做實驗，所以大多數學生反映在寫預習報告和做實驗時有力不從心之感，主要表現在對實驗原理和實驗設計思想理解不透徹，對實驗數據的物理意義不是很清楚，導致不會分析和處理實驗數據，缺乏對實驗過程的反思，導致學生感覺物理實驗無意義，就是機械的測數據，有“走過場”的感覺。

1.2 實驗預習效果不理想

學生做預習報告時，面對的是條條框框的書本，枯燥的文字描述和毫無立體感的平面圖，并且書上的描述和實際的實驗過程有出入。這樣使多數學生寫預習報告時對實驗儀器比較陌生，大篇幅的抄襲實驗教學指導書上的內容，對實驗原理和步驟沒有用心地去閱讀和體會，雖然寫了預習報告，但對實驗內容仍然一知半解，這種缺乏主動感的應付性學習，嚴重束縛了學生的思維空間，容易使學生失去學習興趣。

1.3 資源有限，設備不足

近幾年來，隨著高校招生規模的大幅度擴大，大學物理實驗這門課程在面臨著新的發展機遇的同時也遇到了嚴峻的挑戰。或因實驗室場地不足，或因實驗儀器、耗材短缺，很多院校的實驗教學捉襟見肘，被迫取舍實驗項目，甚至多個學生只能分配到一套儀器，大大影響了教學效果。而且現有的實驗儀器更新速度較慢，這些老設備普遍存在不同程度的損耗，學生在實驗時經常出問題。定期更新老舊設備或者添加新的設備則需要強大的財力支持。一些近現在實驗儀器價格昂貴，即使勉強開設了一些近現代物理實驗項目，多數學生也沒有機會深入研究相關實驗的內容。開拓新的教學手段可以大大緩解擴招速度快與教育資源投入不足之間的矛盾。

1.4 實驗課時有限

很少有學校實驗室能夠有足夠的人力物力長時間全面開放，這就顯出實驗課時間不充裕的問題。學生在排定的實驗課才可進實驗室，還需要花費一定的時間熟悉、調整實驗儀器，因而實驗匆忙，難以在短時間內對實驗儀器原理、使用方法、實驗設計方案進行消化，對實驗中看到的現象也沒有機會深入研究。

1.5 教學方法單一，教學手段落后

傳統的大學物理實驗多以“言傳身教”為主，采取“填鴨式”教學、分組實驗、這種做法往往導致學生被動地接受知識，然后按照教師的講解或實驗指導書按部就班地做實驗，就像完成某項任務一樣，不去用心理解。這種教學模式既不利于培養學生的興趣，也不利于培養其創新能力。多數院校仍采用“一張嘴+一支粉筆+一塊黑板”的傳統手段進行實驗教學，多媒體的優越性難以在大學物理實驗教學中得以體現，教學效率無法提升。

2. 物理仿真實驗在我校的使用情況

為了彌補上述物理實驗教學的不足，結合我校的實際情況，在2010年，在學校各級領導的支持下，我校購買了由中國科技大學研制的《大學物理仿真實驗》系統[2],[3]，建成了一個目前較為完備的大學物理仿真實驗室，在建設過程中我們十分注意在內容、構思、技術、設備等方面重點建設有特色的仿真實驗項目。該實驗室擁有30個學生操作平臺，可滿足30個學生同時進行實驗。利用仿真物理實驗室，我校在2010級理工科本科生中開展了大學物理仿真實驗的教學，在學期初，學生在教師的指導下完成了“碰撞實驗”的仿真實驗，通過這個實驗學生學會了仿真實驗軟件的使用方法，同時我們也把仿真實驗軟件放到了學校的局域網上，這樣學生就可以通過仿真實驗軟件對接下來要做的實驗進行預習和復習，仿真實驗軟件的內容非常逼真豐富，學生可選擇查看圖文并茂的實驗原理、實驗步驟、注意事項，還可以對照著儀器邊看邊學，預習完畢還有一些與實驗相關的練習題供學生自測能力，開始實驗時還配有語音指導和提示，可以利用鼠標按鍵對仿真儀器線路進行各種調節，需要仔細觀察的儀器部分還可以打開子窗口進行放大查看，有的儀器還可以觀察到內部結構，需要記錄儀器數據也非常方便，實驗可以自動讀數并進行自動處理，生成圖線，這樣實際做實驗的時候學生就做到了胸有成竹，非常游刃有余。學生還可以利用仿真實驗軟件進行學校沒有儀器的近現代物理實驗，拓展了學生的視野，同時學生還可以探究性的學習，但仿真實驗也有自己的不足，下面就我校仿真實驗的使用情況談談仿真實驗的取得的效果和它的不足。

3. 仿真實驗在物理實驗教學中所起的積極作用

3.1 改善了實驗教學受時間和空間限制的狀況，仿真實驗真正實現了實驗室向學生開放

傳統的實驗教學，每次實驗課一般只有3個課時，在有限的時間內要完成實驗并達到實驗目的，效果自然不理想，尤其是對于一些難度較大的實驗，情況更加明顯。仿真實驗只需要相關教學軟件的支持，無論是安裝在本地計算機上的單機版本，還是安裝在遠程服務器上的網絡版本，都不必占用空間。學生可以利用自己適合的時間在電腦上完成實驗，這樣仿真實驗就克服了實驗教學長期受課堂、課時的限制困擾，只要有電腦的地方就可以進行實驗，同時學生可以自擬、自選實驗題目，自行組織實驗，最大限度地發揮學生的主觀能動性，極大地激發了學生的學習興趣。

3.2 加深了學生對實驗儀器、原理和過程的理解

隨著科技的發展，實驗儀器正在朝著集成化、智能化、自動化方向發展，儀器結構大大簡化。實驗儀器不僅操作簡便，而且很多物理量的變化被智能化的以數字的形式表現出來，實驗操作中學生動手的機會越來越少。而且實驗室大多數儀器貴重，不允許學生自由拆卸，這樣不利于學生對實驗原理、實驗儀器的觀察和理解，更不利于學生基本實驗技能的訓練。學生用集成化、智能化的儀器做實驗時無須完全理解實驗原理，儀器操作簡單，實驗過程簡化，學生只要簡單地測幾組數據就可以完成實驗，教學效果很不理想。仿真實驗中的虛擬儀器可操作性強，對于一些復雜難懂的設備提供了可拆卸功能，學生可以通過拆卸設備，了解儀器的內部構造，這樣就可以理解儀器的工作原理，對實驗過程有很大幫助。另外，仿真實驗具有集圖像、文字、特技、動畫、聲音于一體的獨特優勢，富有情趣和吸引力，尤其能動態表現實驗原理、實驗過程，這樣更能加深學生的理解。

3.3 緩解實驗室硬件資源的不足

仿真實驗是虛擬環境下的實驗，實驗儀器都是虛擬的，只要電腦和少量硬件設備就可以開設實驗，所占實驗場地小，可以在一定程度上緩解實驗場地的不足，而且虛擬儀器的開發、維護費用低，功能比傳統實驗儀器更強大，可以緩解儀器設備不足及儀器老化落后的問題。

3.4 改善了學生的預習狀況

對大多數學生來說, 在預習實驗的時候,會感到書上一些概念性的介紹很抽象。雖然有些儀器附有圖片, 但是仍然顯得很單調。學生預習起來容易缺乏興趣, 對實驗原理并不能真正理解。如仿真實驗可以提供形象直觀、內容豐富的學習環境, 圖文并茂、動靜結合、節奏有序的實驗內容, 并以聲音、圖像等豐富的表現力幫助學生進行多感官的學習, 這樣無疑會增加學生的興趣, 調動他們學習的積極性, 促進學生對實驗儀器的熟悉和對實驗原理的理解。特別是一些對學生來說陌生而復雜的儀器,經過仿真實驗的練習, 操作起來既輕松又胸有成竹, 從而提高教學效率。

4. 對大學物理仿真實驗的正確認識

雖然仿真實驗有著自身的優點，但它仍有一定的局限性，所以我們要正確認識它。仿真實驗的內容是人為設計的，實驗條件、過程和結論都是事先給出的，這就意味著它的最終結果是預先按照一定的想法設計好的，排除了很多外界因素對實驗的影響，因此學生在實際操作實驗中遇到的一些問題在仿真實驗中就不會出現，減少了學生處理突發事件的機會，而學生在真實實驗中遇到的各種各樣意料不到的問題和困難正是學生動手能力、應變能力及創新精神培養的源泉。另外仿真實驗雖然形象直觀，操作簡單，但整個操作過程只需要點擊鼠標或者敲擊鍵盤就能夠完成，沒有和儀器設備的直接接觸，缺乏真實感，不利于學生動手能力和操作能力的培養，無法達到實際操作實驗的效果，所以再好的仿真實驗不能代替真實實驗。仿真實驗只能作為一種輔助的教學手段，而不能作為直接培養學生動手能力的依靠。實踐中應該著重把仿真實驗選作預習、復習實驗的途徑，而主要的學習過程還是采用傳統的實際實驗教學，學生進入實驗室前可以通過仿真實驗預習，對實驗原理、儀器結構、調試技術等有一個整體的認識，做實物實驗時就會胸有成竹，這樣大大提高了實驗教學的質量和效率，也激發了學生對實驗教學的學習熱情。因此物理仿真實驗作為一種先進及重要的預習、講解及演示手段，充分發揮其作用，它才能更好地服務于實驗教學，提高實驗教學質量。在實際教學過程中，我們應該把仿真實驗和傳統實驗有機地結合起來，揚長避短。

[1］王紅忠，徐寒梅.計算機仿真實驗在遠程教學中的應用［J］.咸寧學院學報,2004,24(6)：87～89.

[2] 王曉蒲，霍劍青，楊旭等.大學物理仿真實驗和教學實踐[J]. 物理實驗，2001，21(1)：28～29.

[3] 譚守標，霍劍青，王曉蒲等.計算機虛擬技術在大學物理仿真實驗教學系統中的應用[J].中國科學技術大學學報，2005,35（3）：429～433.

The Role of Simulation Experiments in College Physical Experiments Teaching

LIU Li-na，YUE Su-rong，ZANG Chun-he，ZHANG Dong-mei
(Department of Mathematics and Physics, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang Henan 471023)

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.145

河南省自然科學基金（2010B140009）

劉利娜（1981-），女，河南省濮陽市，講師，博士，多功能納米材料。