網絡虛擬物理實驗教學的研究

余觀夏，林楊帆　駱敏　蘇峻　濮興庭　張林

摘要：網絡虛擬物理實驗教學是在計算機與網絡技術的基礎上采用的一種新型的物理實驗教學模式，其獨特的經濟性、可靠性、共享性、高效性和開放性，可以彌補實體實驗的不足。將其有效地和實體物理實驗相結合，可促進物理實驗教學改革，提高物理實驗教學的質量和效率。

關鍵詞：網絡；虛擬實驗；物理實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）26-0276-02

一、引言

近幾十年來，隨著計算機和網絡技術等信息技術的迅速發展，運用計算機軟件技術和通信手段將傳統物理實驗內容做成虛擬網絡實驗項目，不僅迎合現代大學生對信息技術的需求，同時作為一種新型的實驗教學手段，可以彌補傳統實驗教學在硬件、空間和時間上的不足，拓寬實驗教學新模式，使傳統而又經典的物理實驗教學煥發新的活力。對網絡虛擬物理實驗教學進行深入研究，在促進物理實驗教學改革，提高物理實驗教學質量和效率，推動和促進物理實驗教學發展，具有重要意義。

二、網絡虛擬物理實驗的優勢

1.虛擬物理實驗的經濟性。設立在計算機中的虛擬物理實驗沒有場地限制，學生既可以在實驗室的虛擬實驗室中完成，也可隨時隨地在任何有網絡的計算機和手機上完成實驗內容，沒有空間、耗材使用和儀器損耗的問題，不受空間和時間等外界條件的限制，降低了實驗經費。同時，虛擬物理實驗項目僅需要進行定期的計算機維護，降低了實驗技術人員在儀器維修和耗材購置上的人員成本。

2.虛擬物理實驗的可靠性。物理實體實驗中，客觀條件對實驗的影響很大，例如不同的溫度、濕度和氣壓條件，以及市電的波動，都會對實驗結果產生影響。由于學生缺乏對復雜條件下實驗結果不確定的分析，不能理解不同條件下獲得的不同實驗結果，就會對整個實驗過程產生懷疑。虛擬實驗的標準條件的設置，可以克服客觀條件的不確定性，使得初次進行實驗的低年級學生對實驗過程的原理、操作過程和實驗結果有了確定性的積極認識。同時，物理虛擬實驗能夠克服實體實驗的不安全性，虛擬實驗不會因操作失誤而造成人身事故。

3.虛擬物理實驗的共享性。網絡虛擬實驗以計算機大容量的存儲介質為平臺，運用計算機或計算機網絡，以軟件實現實驗的可視化和模擬操作。在傳統的實體實驗教學中，一方面由于單個實驗項目沒有實體實驗人數的限制，學生無法自由地進入實驗室完成所需的實驗項目；另一方面，由于時間的限制，在實驗過程中，學生沒有更多地機會仔細研究實驗內容和實驗過程，實驗教學效果很難得到保證，而虛擬實驗則不受實驗空間和時間的限制。

4.虛擬物理實驗的高效性。虛擬實驗中豐富而又集中的網絡實驗資源，良好的在線幫助和學習功能，可以幫助不同層次的學生根據自身的知識特點和實驗能力，自主、靈活地迅速掌握實驗原理所需的相關物理和數學知識，準確地把握實驗的具體目標和要求以及在操作中的注意事項，在較短的時間內完成實驗操作。網絡虛擬實驗完全模擬現實的實驗環境，為學生在計算機上即點即展開的儀器性能和原理進行說明，讓學生形成直觀的感性認識。

三、網絡虛擬實驗的不足

網絡虛擬物理實驗作為物理實驗教學的拓展和補充，展示了網絡和計算機技術在物理實驗教學中的特色和優勢。但由于虛擬物理實驗自身存在的不足，它無法替代傳統實體物理實驗在實驗教學過程所發揮的作用。

首先，雖然虛擬實驗能夠完全模擬實物物理實驗的環境和儀器設備外形，但學生通過視頻對實驗環境和儀器的感性認識不如親臨實驗環境和感觸儀器的真實認識；同時在虛擬實驗過程，通過鼠標或觸摸式搭建和操作的實驗過程，也不似實體實驗中儀器間接線連接和實驗中旋鈕旋轉力度的真實感覺，學生的動手能力得不到訓練和強化。

其次，虛擬物理實驗情境中，學生通過網絡資源和虛擬實驗提供的輔助材料，根據實驗步驟一步一步地完成儀器的連接和實驗操作，沒有可能出現實體實驗中種種無法預測的問題。同時，在完成虛擬實驗過程中，面對毫無感覺的計算機和軟件系統，對學生思維的正常發展和健康人格的形成將產生負面影響。

最后，虛擬實驗是通過軟件實驗場景和儀器圖片的再現，通過程序的設置讓學生按照步驟完成實驗。由于軟件不能窮盡實際實驗中出現的各種問題，對虛擬實驗中學生出現的問題只能簡單地報錯，學生可以不需要思考為什么，只是通過不斷試錯獲得正確的結果，在一定程度上抑制了學生創新思維的發展。

四、虛實結合，優勢互補

實體物理實驗在培養學生的全面素質中發揮著重要作用，是學生驗證所學知識，獲取新知識、方法和能力必不可少的課程之一。而網絡虛擬物理實驗以網絡和計算機技術為基礎，借助實體物理實驗，為學生提供多角度、形象的物理模型、物理過程和物理圖景。其豐富的聲像圖文信息，可以喚起學生對物理實驗課程的學習興趣。

1.先虛后實，提高實體實驗的質量和效率。將實體實驗通過虛擬實驗的形式作為學生的預習內容，有助于學生盡快熟悉實體實驗。網絡虛擬實驗為學生提供了全方位的實驗知識材料，能夠使學生了解實驗操作全過程，學習數據記錄和處理，了解實驗中可能出現的問題，在培養學生自學能力的同時，也為實體實驗打下基礎。

2.以虛補實，完善實驗課程體系。物理實驗中心由于場地和經費的限制，不能開設所有的經典物理實驗來滿足不同專業和不同層次的學生需求。實驗中心開設的都是與學校特色和優勢專業相關的基礎物理實驗，而其他一些經典的與學校特色專業相關度不高的物理實驗，則很少開設。此外，一些近代物理實驗，由于儀器昂貴和占地大，所需的物理知識較多，加之實驗時間長，調節和實驗過程比較復雜，很多普通的工科院校沒有配置這些實驗。

3.以虛探實，創新能力的培養。實驗中心的網絡虛擬實驗平臺可以提供力、熱、電磁、光和原子物理的實驗模塊單元，學生可以根據創新實驗內容，選擇適當的模塊，在虛擬平臺上進行創新實驗的搭建，然后進行探索性研究，觀察實驗結果，對不同的指標進行設定，通過改進和完善，提高創新實驗的效果。在此基礎上，通過實驗硬件平臺搭建和完成實驗。虛擬實驗平臺的使用，會極大提高創新實體實驗的成功率，還可以預知實驗可能出現的問題，獲得對創新實驗性的可行性評估，降低實體實驗失敗的風險。

通過虛擬實驗研究探討實體實驗，不僅可以節約實驗經費和實驗時間，還能鍛煉學生對創新實驗設計、改進的能力，提高學生的綜合科研素質。

五、結論

隨著網絡和計算機技術的迅速發展，網絡虛擬物理實驗的功能將逐步完善和強大。作為傳統物理實驗教學的有益補充，虛擬物理實驗不僅為傳統的經典物理實驗注入新的活力，還突破了傳統的實驗教學模式，促進物理實驗教學理念和教學方式的改革，提高物理實驗教學質量和效率，推動大學物理實驗教學發展。

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