虛擬仿真與傳統(tǒng)實驗教學(xué)的結(jié)合

余建平　付佳

摘 要：由于實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)中具有特殊意義，所以高等教育的發(fā)展迫切要求高校加強實驗教學(xué)。而傳統(tǒng)的實驗已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代的教育模式和方法，新興的虛擬仿真是以傳統(tǒng)實驗教學(xué)為理論基礎(chǔ)的，是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的完善、補充和擴展。本文介紹了傳統(tǒng)實驗教學(xué)和虛擬仿真的優(yōu)缺點和教學(xué)模式的比較，得出結(jié)論，只有將兩者結(jié)合起來才能發(fā)揮實驗的最大作用，更大程度的培養(yǎng)學(xué)生動手能力、實踐能力、創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué) 虛擬仿真 傳統(tǒng)實驗

眾所周知，目前教育改革的主要目標(biāo)是加強優(yōu)質(zhì)教育，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。與此相應(yīng)，如果要加強學(xué)校的素質(zhì)教育，就必須首先重視實驗教學(xué)。然而，當(dāng)我們根據(jù)實驗教學(xué)當(dāng)中的人才培養(yǎng)的角色來審查和反思傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式時，你就會發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學(xué)遠遠不能實現(xiàn)其應(yīng)有的培養(yǎng)目標(biāo)，而虛擬仿真恰恰彌補了這方面的缺陷[1]。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)目的主要是過于強調(diào)理論知識來培養(yǎng)學(xué)生的各種實驗技能，這顯然不能滿足知識經(jīng)濟人才培養(yǎng)的要求。但是虛擬仿真與傳統(tǒng)實驗教學(xué)的真實性和藝術(shù)性是無法相比的，而真實實驗教學(xué)也缺乏仿真的靈活性、安全性。真實實驗教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)相互補充，缺一不可。

一、傳統(tǒng)實驗教學(xué)

傳統(tǒng)實驗是使用實驗裝置進行實際操作的實踐活動。傳統(tǒng)實驗會產(chǎn)生新的知識和理論，這一點也是驗證真理的最基本的和最有效的方法。傳統(tǒng)實驗方法在自然科學(xué)的發(fā)展進程中，發(fā)揮了巨大的作用。在實驗教學(xué)中，傳統(tǒng)實驗方法也充分發(fā)揮教育的功能，為人才的培養(yǎng)和成長做出很大貢獻[2]。

（一）傳統(tǒng)實驗教學(xué)的優(yōu)點

（1）真實試驗?zāi)芙o學(xué)生“真實感”，消除學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和虛擬實驗中“不踏實”的感覺，大量的實驗結(jié)果也只能通過真實實驗才能得到。實驗可增強學(xué)生的直觀感，深化抽象理解，從而喚起學(xué)生的積極思維。

（2）實驗中學(xué)生動手操作，可能會出現(xiàn)現(xiàn)實中出現(xiàn)的一些代表性問題，可以采取相應(yīng)措施并解決。在虛擬仿真中可能不會出現(xiàn)任何問題，在以后實際中遇到問題并不知道該如何解決。

（3）在教學(xué)中目標(biāo)明確，易清晰傳授教學(xué)內(nèi)容。實驗前教師準(zhǔn)備好實驗器材、調(diào)試好儀器設(shè)備，一般還要對實驗步驟進行詳細講解，甚至操作示范。實驗教材也將實驗原理、步驟甚至某些實驗現(xiàn)象等寫得一清二楚，使學(xué)生清楚明白的進行實驗[3]。

（4）有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神。實驗教學(xué)的過程主要是通過手腦并用來完成的，這有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，同學(xué)們能夠通過有意識地思考來完成整個實驗過程。這樣學(xué)生不僅在實驗中學(xué)會了獲取知識的本領(lǐng)，而且還增強了操作能力，更培養(yǎng)了實踐能力。這對以后的工作有很大幫助，學(xué)生在接觸公司室溫設(shè)備時就不會感到陌生。

（二）傳統(tǒng)實驗教學(xué)的缺點

（1）實驗教學(xué)內(nèi)容存在時代滯后性、漠視主體性

由于傳統(tǒng)實驗教學(xué)中實驗室不向公眾開放，實驗儀器設(shè)備不能及時更新的限制等等，新的實驗方法、新的實驗技術(shù)、學(xué)科發(fā)展的新成果不能及時的被實驗教學(xué)中吸收到來。因此，實驗教學(xué)內(nèi)容非常緩慢的更新，遠遠落后于時代發(fā)展的速度。

學(xué)生對實驗內(nèi)容沒有選擇權(quán)和發(fā)言權(quán)。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，實驗內(nèi)容由老師統(tǒng)一決定，所有學(xué)生都做著相同的實驗。實驗課結(jié)束后，實驗室將關(guān)閉，所以實驗?zāi)芰姷膶W(xué)生也沒有機會做一些深入的探索性的實驗，有特殊興趣的學(xué)生也不能做一些自己感興趣但學(xué)校規(guī)定的實驗內(nèi)容不涉及的實驗。這樣學(xué)生自然調(diào)動不起來做實驗的積極性。

（2）實驗教學(xué)方法僵化

在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，實驗教材中將實驗原理、實驗步驟和一些實驗現(xiàn)象等寫得一清二楚。老師代替了這些本應(yīng)由學(xué)生完成的任務(wù)，學(xué)生只需“照葫蘆畫瓢”，按要求一步一步、按部就班地完成任務(wù)。這樣就使學(xué)生失去了獨立思考的能力和進一步探索的空間。這種教學(xué)方式無疑束縛了學(xué)生的想象力和思維，扼殺了學(xué)生的創(chuàng)造力。

（3）實驗室儀器設(shè)備的利用率偏低，資源浪費很大

實驗教學(xué)是高等學(xué)校實驗室的基本任務(wù)，是實驗室建設(shè)與管理的起點和終點。然而，在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，這些花費巨大的實驗儀器設(shè)備學(xué)生僅能在固定的實驗課中使用。這樣，實驗儀器設(shè)備閑置并且利用率不高，無形中造成了隱性的資源浪費。

二、虛擬仿真

虛擬仿真實驗教學(xué)依靠現(xiàn)代計算機教學(xué)手段，通過動畫與計算機模擬建立高度仿真的虛擬實驗?zāi)Ｐ停箤W(xué)生在網(wǎng)絡(luò)終端進行實驗，滿足教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)根據(jù)專業(yè)教學(xué)大綱進行設(shè)計，教師應(yīng)發(fā)揮專業(yè)的主觀能動性，進行設(shè)計和編譯虛擬實驗[4]。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的建設(shè)是一個涉及計算機編程、專業(yè)教學(xué)、工程仿真等多方面的學(xué)科合作的項目，需要學(xué)校進行統(tǒng)一規(guī)劃。必要時可以和專業(yè)軟件公司合作，共同完成虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)[5]。

（一）虛擬仿真的優(yōu)點

（1）虛擬仿真可形象化抽象的內(nèi)容。多媒體技術(shù)能夠多角度地提供聲、像、圖文等內(nèi)容，豐富其性能和演示技巧，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在虛擬仿真中，編程人員使用計算機的可控制性進行精心設(shè)計，從不同方向，不同角度和不同層次表現(xiàn)實驗?zāi)Ｐ秃蛯嶒炦^程，這有利于形成學(xué)生的形象化思維[6]。

（2）虛擬仿真功能完整，成本較低。由于虛擬實驗中用一般使用軟件，其功能較全，種類繁多，完全可以達到傳統(tǒng)的真實實驗所無法達到的功能。實驗中由于不使用實驗設(shè)備，大大降低了教學(xué)成本。

（3）虛擬仿真具有高速度和高效率。實驗過程的程序化和實驗內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化，使實驗受環(huán)境影響和人為影響大大降低[7]。實驗的速度由計算機的處理速度和程序質(zhì)量決定，因此速度會比真實實驗快得多，效率也更高。

（二）虛擬仿真的局限性

由于虛擬仿真是以虛擬儀器或軟件為主要工具，其模擬的元器件、儀器和系統(tǒng)功能與物理硬件系統(tǒng)中存在著不可避免的差異，所以它不能完全取代傳統(tǒng)實驗，虛擬實驗存在著一些局限性：

（1）缺少“實物感”。不管是以FLUENT為基礎(chǔ)的流體仿真技術(shù)，還是以EWB為基礎(chǔ)的虛擬電子實驗技術(shù)，都缺少“實物感”[8]。如常用的管道、壓力容器、閥門，多種多樣的傳感器等，在虛擬實驗教學(xué)中，學(xué)生是見不到的。

（2）虛擬仿真很難仿真真實實驗中元器件參數(shù)的離散性。真實實驗中元器件參數(shù)存在的離散性，如標(biāo)稱值與實際值的誤差、元器件在系統(tǒng)工作中因工作條件不同參數(shù)的差異性、同一類型元器件參數(shù)的不一致性、元器件因老化參數(shù)的離散性等，這些在虛擬實驗中是反映不出來的。那么學(xué)生就會缺乏這方面的知識，這不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題意識的培養(yǎng)[9]。

（3）在虛擬仿真中，很難控制真實實驗系統(tǒng)中各性能指標(biāo)的精度。真實實驗系統(tǒng)各種參數(shù)的精度控制、各種元器件和系統(tǒng)的各種故障現(xiàn)象和在工程中的測量誤差及引起誤差的因素等，在虛擬實驗中都很難實現(xiàn)。

三、結(jié)合

虛擬仿真是對真實實驗的模擬，真實實驗是虛擬仿真的基礎(chǔ)。虛擬仿真的局限性恰恰又是真實實驗的優(yōu)點，二者是互補的。發(fā)揮他們各自的優(yōu)勢，會受到更好的效果[10]。在實驗教學(xué)中，我們要堅持以下原則：

（一）能“真”勿“虛”

有一部分簡單的基礎(chǔ)性的實驗，只用到一些簡單的基礎(chǔ)性實驗裝置，過程簡單，實驗操作容易。這些在現(xiàn)有條件下能夠用真實實驗很好地完成實驗任務(wù)并達到預(yù)期的教學(xué)效果的實驗，我們就用真實實驗來完成實驗教學(xué)，提高動手能力，而不使用虛擬仿真。

（二）“虛”“實”互補

實驗教學(xué)中的實驗，有的以理解概念和實驗原理及實驗儀器使用為主，有的以測量為主，有的以觀察實驗現(xiàn)象為主，有的以驗證結(jié)論為主，我們可以根據(jù)不同的實驗項目，確定采用虛擬仿真或是真實實驗[11]。

（1）可以采用虛擬仿真進行一些實驗現(xiàn)象不明顯的實驗。

（2）一般采用虛擬仿真來完成那些元器件費用較高或現(xiàn)代一些先進技術(shù)或的實驗。

（3）在學(xué)習(xí)新知識時，老師可以先安排一些基礎(chǔ)的真實實驗，在學(xué)生對要用到的主要儀器、有一個真實的感覺后，再采用虛擬仿真，效果要比一開始就采用虛擬仿真好。

（4）在預(yù)習(xí)實驗時，學(xué)生可選用虛擬仿真，這樣就能減少在真實實驗中的失誤。

四、總結(jié)

虛擬仿真不能完全取代真實實驗教學(xué)，反之亦然。虛擬仿真是以真實實驗教學(xué)為基礎(chǔ)的，是真實實驗教學(xué)的一種新型的教學(xué)方法。科學(xué)合理地利用虛擬仿真和真實實驗，有機地將虛擬仿真和真實實驗結(jié)合起來，充分發(fā)揮虛擬仿真和真實實驗各自的優(yōu)勢[12]。其目的不僅是要加強學(xué)生的基本技能訓(xùn)練、培養(yǎng)實際動手能力，也要讓學(xué)生掌握新的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識和高效的實驗方法。只有這樣，才能培養(yǎng)出既具有豐富的知識又具有很強的動手能力的創(chuàng)新型人才。

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