虛擬仿真實驗在物理實驗課教學中的作用

張金鳳　趙云飛　范海英　賈小文

摘? ?要：根據現代教學理念，分析了虛擬仿真實驗的特點、優勢，虛擬仿真實驗在物理實驗課教學中的作用，實踐表明，虛擬仿真實驗能充分發揮資源優勢，能夠發揮學生的主體作用，起到了資源共享作用，推動了實驗考核改革，開展虛擬仿真實驗改革與探索，提高了實驗課教學質量。

關鍵詞：虛擬仿真實驗? 實驗教學? 作用

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0220-02

隨著計算機技術的迅猛發展，以網絡技術為基礎的物理虛擬仿真實驗不斷興起，迅速進入物理實驗課教學。根據《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》及《教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教育項目建設的通知》精神，在教育網絡化的時代大背景下，更新實驗教學理念，積極建設物理虛擬仿真實驗室并進行物理虛擬仿真實驗教學改革與探索成為各大高校積極推進的方向，國內各類高校充分利用虛擬仿真技術的強大功能開創實驗教學的新局面。

1? 虛擬仿真實驗的特點

虛擬仿真實驗是基于虛擬現實技術的實驗，隨著虛擬現實技術的不斷成熟，人們不斷意識到虛擬仿真實驗在教育教學領域的實用價值，虛擬仿真實驗不但可以輔助科研工作，而且在實驗教學上也具有許多獨特的優點，從而，國內許多高校不斷建設虛擬仿真實驗室用于實驗課教學。虛擬仿真實驗一般情況下主要用于昂貴、精密的實驗，成本較高的破壞性實驗，實驗條件受限的實驗，由于種種原因（法律的、政治的、倫理的）不允許或不能通過現實實驗達成實驗目的的實驗。隨著科技的飛快發展，虛擬仿真實驗已經由桌面式虛擬仿真實驗發展到沉浸式虛擬仿真實驗，沉浸式虛擬仿真實驗具有高逼真虛擬仿真實驗平臺及環境的支持，并可開設具有設計性或研究性含有高新技術應用型的實驗及探究型實驗項目。虛擬仿真實驗的開展旨在深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，著力提高實驗課教學質量和實踐育人水平。

2? 虛擬仿真實驗在物理實驗課教學中的作用

近年來隨著高等教育信息化教學改革的逐步推進，實驗教學作為高等教育的重要組成部分，也自然進行了信息化、網絡化教學改革的探索與研究。其中，虛擬仿真實驗教學由于其獨特的優勢，比如可重復性、安全性、靈活性等，正在成為當今許多高校積極開發的重要內容。

2.1 虛擬仿真實驗能充分發揮資源優勢

實體實驗教學依賴于實體實驗儀器設備，實驗儀器是制約實驗教學的重要因素之一，實驗儀器設備需要占用較大的空間，且部分實驗儀器設備較龐大、昂貴、危險，很多高校由于空間及資金問題難以普及所有實驗儀器設備，比如低真空實驗、GM計數管實驗、塞曼效應實驗等物理實驗，同時實驗儀器設備也會因為老舊、老化無法完成實驗，更新換代滯后，從而造成能開展的實驗個數比較少，有些實驗由于臺、套數的不足，也只能采取多人一組的形式完成，從而難以達到良好的實驗教學效果，難以按照要求順利完成實驗課教學任務。

虛擬仿真物理實驗可以突破時間、空間等的限制，彌補實驗儀器設備臺、套數不足的局限性，并且可以開設多項物理實驗項目，可以彌補有些實驗儀器設備成本昂貴或者危險系數較高等因素帶來的不足。虛擬仿真物理實驗可以充分發揮資源優勢，管理維護方便，給實驗排課帶來了便利，由于虛擬仿真實驗的重復可操作性，也可以讓學生在網上遠程提前預習演練，完成預習環節，再進行實體實驗，做到虛實結合，提高實驗教學效果。虛擬仿真實驗正在逐步成為理論研究和實驗研究之后的高校實驗的第三種科學研究方法[1]，可以讓學生任意組裝實驗儀器設備，開展探索創新性實驗。

2.2 虛擬仿真實驗能充分發揮學生的主體作用

目前實驗教學中有限的實驗設備與課時難以讓所有學生同時完全了解實驗原理并進行實驗;實驗操作需要學生先熟悉實驗儀器設備，難以迅速進行實驗，降低了學習效率;固定的實驗室讓學生的學習地點固定，由于受空間、時間的限制，導致難以合理排課;危險系數較高的實驗難以讓學生實際操作了解實驗過程和現象，而只是停留于對原理的學習與了解，實驗儀器設備的利用率不高，學習效果較差;大型、貴重實驗儀器設備更是存在類似的情況。

虛擬仿真物理實驗立足于實體實驗，能充分發揮學生的主體作用，即以學生為中心的教學理念，在教學中更便于激發學生學習興趣，充分體現了啟發式教學、研討式教學等教學方法的作用。虛擬仿真物理實驗軟件可以實現網絡化統一管理，軟件平臺共用，使用不受空間和時間的限制，可以提供相關的物理實驗器材庫，讓學生可以自由聯想，設計并創新實驗，易于培養學生的創新思維，引導學生主動學習，主動思考。特別是當今興起的VR虛擬仿真實驗模式，實驗原理采用3D動畫形式來說明，把抽象的概念轉變為具體的形象，讓學生更便于理解，支持虛實交融情景、3D的顯示效果、好的沉浸體驗，發揮了學生的主體能動作用，教與學互動性強，可以全方位地進行交流溝通，提高了課堂效率。目前，VR虛擬仿真物理實驗在國內多所高校中已有應用，解決了現有虛擬仿真實驗軟件僵硬的虛擬仿真環境，功能簡單老舊，無法反映最新的實驗技術和計算機技術發展的現狀，可以開設場景逼真的虛擬仿真實驗項目，明顯提升了物理實驗教學效果。

2.3 虛擬仿真實驗能充分發揮資源共享作用

實驗課教學因為實驗儀器設備問題而影響實驗教學效果的難題一直以來是困擾大家的一個問題，虛擬仿真實驗的開展無疑是一個較好的嘗試，由于其網絡性、開放性、自主性的特征，虛擬仿真實驗起到了平臺的作用，能夠多人共享教學資源與學習資源，實現了資源共享。目前很多高校正致力于建設示范性虛擬仿真實驗中心，并開通共享模式，真正實現了資源共享交流的作用。很多高校在建設虛擬仿真實驗室的同時，引入智慧教室的環境，實現創新教學模式，在此基礎上能夠開設實驗必修課與選修課教學共用資源，做到了開放式的應用環境，實現了跨學科應用，實現了新技術平臺的引進與共享。

建立共享機制，進一步提高教學資源的利用價值和利用效率是未來虛擬仿真實驗的發展趨勢[2]。虛擬仿真實驗在提高師生學習興趣的同時，也將極大優化和豐富高校實驗教學資源，對培養學生的實踐、研究、創新能力起到不可估量的作用[3]。南開大學物理科學學院充分利用了互動性、可視化等智慧教室理念建設并投入使用TEAL教室，這種基于現代技術的教室及教學方法推動了教學改革，進一步提升了教學質量和教學效率，受到各高校的高度關注。華東師范大學也已經建設了基于智慧教室環境的物理VR虛擬仿真實驗室用于物理實驗課教學。受此啟發，本院擬進行虛擬仿真實驗室的升級改造，建設基于智慧教室環境的虛擬仿真實驗室，并力推資源的共享作用。

2.4 虛擬仿真實驗推動實驗考核改革

實驗實操考核一直以來存在較大的難度，由于實驗儀器設備臺、套數不足，導致實現所有學生同時進行實驗考核難以開展。虛擬仿真實驗考核模式，由于其資源共享的特點，充分利用了網絡資源的優勢，采用線上線下相呼應，能夠順利承擔所有學生同時進行實驗操作考核的任務，實現了實驗考核的改革創新。北京聯合大學以激發興趣為目標，創設濃厚科學文化氛圍，充分利用虛擬仿真實驗平臺開展預習及實驗考核。本院現有仿真實驗考核系統為自主研發，已投入使用于物理實驗課考核，下一步加入實操仿真實驗考核，必將大大解決實操考核一直比較困難的問題。

3? 結語

虛擬仿真物理實驗教學將先進技術與物理實驗教學相融合，符合教育改革創新要求，提高了實驗課教學質量，充分體現了其建設的意義和必要性。教育部決定在2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設，計劃認定1000項左右示范性虛擬仿真實驗教學項目。2017年共有303個項目參與申報，最終認定105個社會評價高、應用效果好、示范性強的項目。由此可見，虛擬仿真技術作為新型實驗教學模式正在支撐高等教育教學質量的全面提高，正在逐漸引起國家的重視。開展虛擬仿真實驗課教學改革無疑是順應時代，提高實驗課教學質量的良好舉措。

參考文獻

[1] 呂習棟.關于提升高校虛擬仿真實驗室作用的思考[J].現代職業教育，2018（22）：137.

[2] 韓璐.“互聯網+”背景下虛擬仿真實驗在物理實驗教學中的應用和發展[J].吉林省教育學院學報，2018（12）：101-103.

[3] 張蘋，楊海峰，丁雷.理工類虛擬實驗建設問題初探[J].亞太教育， 2016（1）：141.