虛擬仿真技術在大學物理課程教學中的應用研究與展望*

楊亞玲

(西南大學物理科學與技術學院 重慶 400715)

馬馳

(西南大學工程技術學院 重慶 400715)

1 引言

物理學是探討物質結構和運動基本規律的學科，它的研究規律具有極大的普遍性，是一切自然學科的基礎，同時也是工程技術的重大支柱[1]．大學物理作為一門理工科專業必修課程[2]，在其教學過程中，部分知識點較為抽象，學生對課程各環節重、難點知識難以做到全面的掌握，進而導致了教師授課難、學生學習興趣不高的問題．另一方面，大學物理課程教學中部分內容需要通過實驗來進行驗證，但受到實驗條件、安全等多方面因素的限制，尚有諸多實驗環節不能夠得到有效的實驗驗證，這也為大學物理課程的教學增加了難度，特別是網絡教學根本無法滿足學生課程實驗的實際操作．如何解決大學物理課程中存在的上述問題，是當前物理教育領域最重要的問題之一．

2018年，教育部高等教育司司長吳巖提出了建設虛擬仿真“金課”的目標[3]，這也為大學物理課程的改革提供了參考．文獻[4～8]從實驗教學改革角度出發，通過虛擬仿真技術，細化了大學物理實驗課程在實驗教學設計、線上教學與反饋等方面的實施方法，從而實現了大學物理實驗教學質量的有效提高，但大學物理課程所涉及的內容較多，僅對大學物理實驗進行課程改革，難以將重、難點全部囊括．

為使虛擬仿真技術與大學物理課程教學深度融合，文獻[3，9，10，11]從培養目標、課程建設等方面進行了深入研究．目前，已基本明確大學物理課程與虛擬仿真技術的結合方法，相關理論日漸成熟，但缺乏具體的應用落實工作．為解決上述問題，明確虛擬仿真技術通過何種方法運用到大學物理課程教學中，本研究以典型的大學物理知識點為例，在原有培養方案基礎上，增加虛擬仿真教學環節，并探討虛擬仿真在大學物理課程方面的發展方向，為建設大學物理虛擬仿真“金課”提供參考．

2 典型知識點分析及虛擬仿真技術應用

由于虛擬仿真教學資源建設過程復雜，本研究以西南大學物理科學與技術學院現有虛擬仿真教學資源中的幾個典型實驗為例，結合網絡教育內容需要進行分析和應用舉例．

2.1 剛體轉動慣量的測量

剛體轉動慣量的測量是力學的基礎性內容之一，該內容在大學物理實驗中也有體現．常規的教學方法是線下實驗，學生采用剛體轉動慣量儀測量指定剛體的轉動慣量，并用實驗的方法驗證平行軸定理．這就要求學生要正確掌握剛體轉動慣量儀測定轉動慣量的方法．目前，利用剛體轉動慣量儀測量圓環和圓柱的轉動慣量最為常見，但在工程領域，剛體的種類多種多樣，尤其是異型剛體轉動慣量的測定在工程應用領域具有重要意義，而受到實驗條件和成本的限制，實驗室很難滿足試件種類的多樣化需求．

為使學生能夠對剛體轉動慣量這一重要參數有更加清晰的認識，將虛擬仿真技術融入該測量實驗中．學生可以在實驗前任意編輯試件形狀、尺寸、材質等參數，使試件多元化；測量過程中，可根據情況任意獲取平行軸位置，使實驗結果具有隨機性，且不受操作精度、設備精度等因素的影響；實驗全過程線上進行，安全性良好，實驗準備時間短，可輔助學生有效利用學習時間，提高學習效率，可操作性強．

2.2 霍爾效應法測定螺線管磁場

霍爾效應法測定螺線管磁場強度是電磁學的重要內容．該教學內容需要學生掌握霍爾效應物理原理和霍爾元件測量磁場方法的同時，還需要掌握用“對稱測量法”消除不等位電壓產生的系統誤差原理，并測量式樣的VH-IS和VH-IM曲線．與剛體轉動慣量測量不同的是，該知識點的內容更為抽象，需要學生具備較強的邏輯分析能力．常規實驗方法是測量螺線管軸向磁場以及使用具備霍爾元件的電路系統測量感應強度，但在實驗過程中缺乏實驗現象，使得學生難以直觀感受螺線管磁場分布情況．

采用虛擬仿真的形式進行霍爾效應法測量螺線管磁場時，學生同樣可以對各類型螺線管參數進行設置，增加實驗結果的多樣性；與實際操作不同的是，虛擬仿真環境下的磁場方向和強度可以通過箭頭的方向、疏密程度和顏色來直觀體現，使學生對電磁方面知識的理解更加具象化；另外，虛擬仿真環境下的電路系統可以隨意拆卸，學生在了解霍爾元件使用方法的同時，對電路系統也有了比較充分的了解．

2.3 示波器的原理及使用

示波器作為使用最為廣泛的測量儀器，其測量原理和使用是理工科學生必須要掌握的關鍵內容．本知識點主要是培養學生掌握示波器和信號發生器的基本工作原理和調試方法．虛擬仿真技術在該類型實驗中的作用體現得尤為顯著．

將示波器和信號發生器的工作原理加以展示后，虛擬仿真環境下可針對其原理自動生成電路系統，學生可以在該環境下更直觀地了解示波器內部構造，這是傳統實驗難以滿足的；待學生徹底掌握電路系統后，虛擬仿真環境可直接對電路系統封裝，主要顯示內容為示波器及信號發生器的操作面板，并對面板進行逐一介紹．原理性內容講解結束后，學生可自行設計所檢測的電路及波形，并在系統中模擬仿真，增強了學生的動手能力和解決問題的能力．

3 大學物理虛擬仿真“金課”發展方向

大學物理課程體系龐大，內容繁雜，諸如核物理、天體物理方面的研究，在科研領域已經取得一定的突破，但大部分院校現有條件難以支持相應的教學工作，研究與教學的銜接不夠緊密，因此，大學物理虛擬仿真“金課”的建設仍要遵循完善課程資源體系、配合翻轉課堂授課模式、堅持產學研協同資源建設方法3點原則加以落實．

3.1 完善課程資源體系

現階段，部分院校已經具備獨立建設虛擬仿真資源的能力，這有助于完善大學物理虛擬仿真課程資源體系．完備的課程資源體系可以有效輔助學生在課本外掌握大學物理知識點的基本脈絡，深入理解物理學發展進程．另外，作為基礎必修課程，大學物理課程的實踐性較強，更適宜利用虛擬仿真技術實現教學方法的改革，也為其他基礎必修課程與虛擬仿真技術融合提供參考．

3.2 配合翻轉課堂授課模式

翻轉課堂授課模式提出后，諸多院校積極開展線上教學活動，這為虛擬仿真教學方法提供契機．當前學生線上學習全環節，既能夠掌握理論知識，又能夠完成課程練習，相比上述兩點，對重要知識點的實驗驗證環節尚不夠深入．疫情期間，網絡教學成為趨勢的同時，缺乏線上實驗問題逐漸顯露，嚴重影響了學生的學習質量．因此，建設高質量虛擬仿真教學資源，用來配合翻轉課堂的授課模式，可有效促進網絡教育的持續發展．

3.3 堅持產學研協同資源建設方法

隨著科技水平的不斷提升，大學物理的知識變更速度持續提高，產學研協同教學逐漸成為了高等教育的趨勢．諸多產業、科研方面未能夠在教學方面予以落實的環節，虛擬仿真教學資源可以彌補缺口，真正發揮虛擬仿真教學作用．

4 結論

虛擬仿真技術在大學物理課程教學中的應用眾多，特別是線上教學和虛擬仿真均為“金課”建設主體，二者相結合的大學物理課程教學，能夠讓學生體驗物理學的奧妙，有效改善教學質量、教學效果，提高學生動手能力、分析問題與解決問題能力，更好地實現人才培養的目標，同時也是教學模式未來發展的必然趨勢．