大學物理虛擬實驗中心的發展對實驗教學的影響與思考

張納+任大慶

摘要：基于網絡的大學物理虛擬實驗中心建設已經起步，虛擬與真實的實驗中心的建設為大學物理實驗教學構建新的全方位立體化的教學模式。隨著高等教育的大眾化，虛擬實驗中心建設的深入化和普及化成為新的課題。本文主要分析虛擬與真實的實驗中心的發展現狀和存在問題，指出創建基于網絡的虛擬實驗中心是少投入多受益、資源共享的一種全新的辦學理念，是高校未來發展的必然趨勢。

關鍵詞：虛擬實驗中心；大學物理；實驗教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0218-02

一、引言

真實的大學物理實驗是一門理工科學生進行系統科學實驗基本訓練的實踐課。隨著信息時代的到來，計算機技術與網絡技術的飛速發展，該課程的原有課堂教學模式已不能適應時代的要求。虛擬仿真實驗教學模式在高校教學中悄然興起，它是學科專業與信息技術深度融合的產物。2014年3月，教育部首次批準了100個國家級虛擬仿真實驗教學中心，其中只有中國科學技術大學一所院校的物理虛擬仿真實驗教學中心獲批。大學物理虛擬實驗中心普及化的建設正在起步，虛擬與真實（虛、實）的實驗中心的建設對大學物理實驗教學帶來重大的變革。

二、虛、實結合，構建全方位立體化的教學模式

1.實驗室管理（儀器、教務）數據化。虛擬實驗中心的建設為實驗教學的教務、固定資產的管理提供數據化、網絡化的管理模式。目前，大學物理實驗網上選課系統在大部分高校已經普及，學生可以在網上根據自己的時間、興趣預約所學實驗項目，實現了網上自主選課。教師根據學生預習、課堂操作、數據處理的情況給出成績，錄入選課系統中。學生能第一時間知道成績，如果其對成績有異議，可以網上留言或找教師詢問，實現有問題可以及時解決，讓師生之間的溝通更及時、暢通。大學物理實驗儀器、設備實現數據庫網絡化管理，可以面向社會共享資產，實現資源利用率的最大化。

2.師資隊伍多元化。大學物理虛擬實驗中心與實驗教學系統是并行發展、相互促進的關系。虛擬實驗中心的建設除了需要物理專業教師、教務管理人員，還需要計算機技術人員、網絡維護人員等。師資隊伍的組成向多元化發展，大學物理實驗中心要同時進行虛、實實驗中心的建設、發展與維護，使兩者相互融合，更好地為教學服務。

3.時空間延展跨越校園。隨著網絡走進千家萬戶，基于網絡的大學物理虛擬實驗中心的建立使得校園的圍墻不復存在。虛擬實驗中心不受地域、人員、儀器、設備、時間的限制，如果24小時運行，訪問者可以全天候地進入虛擬實驗中心學習、交流，尤其是對教育發展較落后地區的人員來說可以身臨其境地開展物理實驗的學習。虛擬實驗中心的建立能實現資源利用的最大化，體現教育面向大眾的教育理念。

4.教學模式多樣化。物理虛擬仿真實驗是中心建設的重要組成部分，通過計算機仿真或模擬現實中的物理實驗環境，使實驗者有身臨其境的感覺，突破原有的教師現場講實驗、學生做實驗的單一教學模式。學生可以在計算機上模擬完成整個實驗過程，實時顯示實驗結果，如果出現錯誤，會給出提示，讓學生進行修改，當正確時可以進行下一步。學生在虛擬的未知環境中探索，無須擔心誤操作，損壞儀器，使其好奇心可以得到充分滿足。虛、實實驗的結合使學生在課堂外有機會模擬實驗儀器操作，有充分的時間消化實驗內容，而且課堂內也可以獨立完成實驗操作，解決真實實驗中出現的問題。虛擬仿真實驗可以完善真實實驗教學中預習、測試的薄弱環節，讓學生在虛擬實驗中完成并給出相應成績，是對真實實驗教學的有益補充。

三、大學物理虛擬實驗中心發展存在的問題及思考

虛擬仿真實驗最早可以追溯到1996年，中國科學技術大學研制出版了《大學物理仿真實驗》DOS版本，同年創建了國內第一個仿真虛擬物理實驗室。經過十多年的發展，該套實驗系統包括近60個仿真實驗內容，并且開發了網絡版軟件，基于網絡的大學物理虛擬實驗中心已初具規模。該系統已在20多所高校使用，并取得較好的教學效果。同時，全國多媒體課件大賽的成果為虛擬實驗中心的建設提供非常好的素材。虛擬實驗中心的建設不是一蹴而就的，它需要一代甚至幾代人的建設與完善，才能構筑出信息高速公路上暢通運行的大學物理虛擬實驗中心。

1.師資結構要符合虛、實實驗中心的發展要求。大學物理虛擬實驗中心，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能。以中科大物理類國家級虛擬仿真實驗教學中心為例，它主要依托物理學院、計算機學院、核科學技術學院、信息學院等相關學科的科研力量和實驗教學資源，在國家級物理實驗教學示范中心的基礎上而組建的。由此可見，如果實現大學物理虛擬實驗中心的普及化，構建一支穩定的多元化師資隊伍勢在必行，可以打破傳統的以學院為編制的人員建設，組建大學物理虛擬實驗中心建設團隊，最大限度地完成技術、資源、人才、時間的有效利用。

2.虛擬仿真實驗的制作要以增加學生的主動性為目的。現階段，虛擬仿真實驗以獨立的實驗項目結構模式為主，給定實驗儀器，讓學生必須按照給定的實驗步驟完成實驗，這限制了學生獨立思考的空間。在真實的實驗教學中，學生在預習環節比較薄弱，有的學生到實驗室做實驗做錯實驗臺還渾然不知。因此，在未來的虛擬仿真實驗制作中，應設立儀器庫，使每個儀器可以獨立操作，也可以組合使用，讓學生可以自己組裝實驗項目所需的儀器。這樣制作的優點是教師可以通過學生選取的儀器，了解其對實驗項目的掌握程度。該設計方案可以為學生完成研究性、設計性及探索性實驗提供自由發揮的平臺，鼓勵學生選擇和組織不同儀器，自主開發新的實驗項目和方法，在虛擬實驗室驗證后可以在真實的實驗室中實現，這有利于啟發學生的創造力和想象力，培養其發散思維能力，激發他們學習的主動性，把“要我學”變為“我要學”。

3.虛擬仿真實驗要最大限度地靠近真實實驗。目前，虛擬仿真實驗設計的實驗操作較為直接化。在真實實驗操作中，以牛頓環實驗為例，實驗前學生要在光下把中央零級干涉條紋調到牛頓環的中央，如果缺省該步驟，學生將找不到干涉條紋或中央零級干涉條紋。而仿真實驗則可以直接放上牛頓環，調好顯微鏡就能實驗，實驗操作直接化。在虛擬實驗中心建設中，應加入實驗前的各項準備工作，如簽到、清點儀器、查看各儀器、設備是否完好、調試儀器初始狀態、整理儀器等，這是因為嚴謹、科學的實驗態度是從一點一滴的實驗習慣中培養出來的。仿真實驗缺乏實驗突發事件處理的教學過程。如惠斯通電橋測電阻實驗中，學生連接電路全部正確，但電路仍然是斷路，這就需要學生使用萬用表檢查電路，查找電路斷開點，發現電路斷開原因，如導線斷開、電鍵接觸不良、檢流計電量不足等。在教學中，學生遇到困難想辦法解決問題的處理過程，是他們獨立思考、活學活用知識的展示，他們能在摸索的過程中得到鍛煉，這是常規課堂式教學和現階段仿真實驗教學所不能比擬的。endprint

4.計算機技術不斷更新，適應網絡化虛擬實驗中心的建設。在虛擬仿真實驗設計中，做到“所見即所得”是計算機設計者的終極目標。很多虛擬技術可以制作虛擬實驗，如FLASH、Authorware等，但這類技術制作出的文件過大，交互性差，不適于網上瀏覽。目前，VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現實建模語言，是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構的三維世界的場景建模語言，具有平臺無關性，是目前Internet上基于WWW的三維互動網站制作的主流語言。用VRML語言制作虛擬模型有兩種方法：一是編寫源代碼，生成文本文件，再轉化生成以.wrl為擴展名的網頁文件。此方法的缺點是源代碼過于復雜，文件較大，不易掌握。二是通過輔助建模軟件，如3DStudioMax、Pro/ENGINEER、Solidworks等三維設計軟件，先建三維物體，再在虛擬世界中組合。采用這種技術開發的虛擬實驗中心是3D界面，能夠模擬真實的實驗場景和實驗儀器，能夠讓用戶有身臨其境的感覺，提供復雜的交互功能完成實驗的要求，同時開發難度小，易于實現。

5.摸索虛、實實驗中心可持續發展途徑。虛擬實驗中心是一項龐大的建設工程，如何將虛擬實驗中心的建設快速普及化、共享化是現階段的重要課題。太原理工大學大學物理虛擬實驗中心的建設經驗值得借鑒，該校與科大奧銳公司建立長期的合作共建模式。該公司源于中國科學技術大學人工智能與計算機專業，研發了第一套虛擬現實的實驗教學軟件《大學物理仿真實驗》。太原理工大學與科大奧銳公司共建合作，公司承擔平臺的維護和升級，協助中心進行教師信息化教學應用能力的培訓，大學則出資共同開發新的仿真實驗資源。校企結合將知識轉化為生產力的周期縮短，而且可以提高虛擬仿真實驗的高仿真度。

四、結束語

隨著高等教育的大眾化，創建基于網絡的虛擬實驗中心是少投入多產出、資源共享的一種全新的辦學理念，是高校未來發展的必然趨勢。虛、實大學物理實驗中心的建設為教學隊伍和管理機制帶來新的格局，而且隨著建設的不斷深入，將促進教師對實驗教學的重視和研究，提升教學水平，培養學生的“自主學習”能力。網絡化的大學物理實驗中心，這個沒有圍墻的實驗室將更好地為社會服務，為全民族乃至全世界人民探索物理知識開辟服務平臺。

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