基于信息化的物理綜合仿真實驗教學探索與實踐
——以臨沂大學為例

盧兆信 孫長平 劉 爽

（臨沂大學物理與電子工程學院，山東 臨沂276005）

0 引言

在傳統的物理實驗課程教學中，購買實驗儀器和設備不僅需要花費大量的資金，而且如何科學和合理地去放置現有實驗儀器和設備也需要足夠的空間，所以傳統的物理實驗課程教學極大地受到來自資金和空間兩方面的影響。而基于信息化的物理綜合仿真實驗課程依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，通過利用構建了高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象的軟件，使物理實驗教學數字化、網絡化、可視化和智能化，從而真正將儀器設備、實驗內容、教師指導和學生操作等有機融合為一體，最終起到有效提高物理實驗課堂教學效率的作用。

1 傳統物理實驗教學存在的問題

1.1 受學校資金投入的影響比較大

為滿足傳統物理實驗課程的教學，必須采購一定數量的物理實驗儀器和設備，所以需要學校投入大量的資金才能基本滿足正常的物理實驗教學需求。另一方面，實驗儀器和設備中的電子元器件使用壽命是一定的，必然會導致這些實驗儀器和設備有一定的使用期限而發生儀器的自然損壞，同時還有一些實驗授課過程中由于學生操作失誤造成儀器的偶然損壞，這些都需要學校每年重復性地投入資金去維護、維修，甚至購買一部分儀器進行更換才能保證整套實驗儀器的使用。

1.2 受空間和時間的影響比較大

傳統的物理實驗教學由于是在實驗室使用真實實驗儀器和設備開展的教學，為保證教學效果在課堂中最多允許不超過2人共同操作使用一套儀器和設備，所以在開課時需要大量的實驗室空間來擺放這些實驗儀器，同時這些實驗儀器也不可能輕易地隨時搬來搬去，所以導致每個實驗室只能擺放某幾類實驗儀器。由于不可能同時將所有儀器全部擺放到實驗室，很多實驗室每次只能擺放2個實驗項目的實驗儀器。同時受空間和時間的影響，造成了學生不能提前預習熟悉實驗，也不能自主選擇喜歡的實驗項目，課后學生也不能自主地去實驗室進行復習，所以導致實驗課結束時，前面的很多實驗項目都已經忘記，但是想再去熟悉一下時，卻發現實驗室擺放的儀器和設備沒有要找的項目。

1.3 實驗現象和觀察過程受限

某些實驗儀器由于受到設計的限制，造成在實驗過程中操作困難，實驗現象不易觀察，在授課中任課教師也只能通過文字說明、語言描述、加強講解等方法來給同學們進行講解說明，因此能夠放大實驗現象與過程日益成為實驗課程的新要求。其實在教學過程中，任課教師也在不斷地把這些使用需求反饋給實驗儀器生產廠家，但由于實物儀器的更新是不方便和不及時地，這些因素都極大地影響著課堂教學，給課堂教學造成了極大的不便。

1.4 缺少實驗維護或維修專業技術人員

物理實驗儀器的操作需要在使用過程中嚴格按照使用要求來進行，平時在每次使用完畢都需要進行及時和正確的維護和保護，這樣才能從最大程度上保護儀器，延長它的使用壽命，而維護和維修都需要專業的實驗室技術人員來保證。目前看來，學校缺少實驗室專業技術人員，即使有的實驗室有這方面的人員，但也由于工作量大、維護和維修煩瑣、工作發展前景受限等方面影響，在某種程度上造成實驗室人員缺乏工作積極性，維護維修不及時，甚至造成部分儀器長期損壞無人維修的現象。

2 采取物理虛擬仿真實驗教學的優勢

2.1 前期投入資金少，使用過程中維護費用低

目前來說，物理虛擬仿真實驗的發展和技術已經比較成熟，國內比較有名的廠商是科大奧銳，該公司從1993年就開始從事物理虛擬仿真實驗的研究和開發，經過近30年的發展，目前已開發出包含力、熱、電、光等50個常用物理實驗項目。物理虛擬仿真實驗軟件購置只需要一次性投入購買需要的實驗項目和一臺服務器電腦，就可以同時面向較大范圍的學生開展物理仿真實驗教學，使用過程中也不需要額外的維護費用投入。即使出現軟件問題，廠商也可以通過網絡遠程協助進行維護，使用過程中節約了大量的維護和維修費用。

2.2 仿真實驗教學受時間和空間的影響小

使用物理虛擬仿真實驗，只需要在有網絡的地方，學生就可以隨時使用個人電腦對實驗內容進行預習，多次重復練習某個實驗項目，還可以自主選擇教學計劃外的實驗項目進行練習。同時由于不需要真實的實驗儀器和設備來擺放在實驗室，也減少了一些實驗室房間的建設，給學校節約了大量的資金投入，從而使學校把節約的資金投入教學中更需要的地方。2020年新冠肺炎疫情發生以來，幾乎所有的大學生都無法順利返校學習，科大奧銳向全國幾百所高校免費開放物理虛擬仿真實驗的使用，保證了全國很多高校學生物理實驗教學任務的順利開展，這些都經過現實和實踐的檢驗。

2.3 某種程度上緩解了實驗人員的維護維修壓力

由于物理虛擬仿真實驗不再需要實驗人員針對具體實驗項目提前準備具體的實驗儀器，實驗教師也不需要提前進行實驗儀器和設備的調試，可以將大量的時間用于熟悉實驗理論知識和實驗操作細節講解準備上，仿真軟件自身就帶有大量的實驗理論知識講解和操作演示視頻，也便于學生提前預習和反復觀看。這些都使實驗教師從課前繁重的準備工作中解放出來，有效地緩解了當前面臨的實驗教學任務，同時也不需要實驗人員對儀器維護和維修，可以使他們將更多的時間投入其他實驗儀器的維護和維修工作中去，從而更好地提高物理實驗教學質量。

2.4 便于實驗項目升級，容易與新技術發展接軌

隨著科學技術的發展，就需要將某些新技術引入到開設的物理實驗項目中去，才能更好地提高我們的教學質量和學生科學素質。傳統的教學方式中開發新儀器周期長，采購新儀器也比較容易受到學校資金的限制，還有來自時間和空間的限制，但虛擬仿真實驗開發周期短，需要的升級資金也少，可以極快地將新技術融入實驗項目中，從而在實驗教學中盡快地使用上新儀器和新技術，使學生們加快了學習進程并且提前受益，真正讓學生更加喜愛實驗課程。

3 結語

在物理實驗教學過程中，本著“虛實結合，能實不虛，資源共享”的目標，將物理仿真實驗和實驗室教學相結合，極大地提高了學生的物理實驗操作技能和動手制作能力。經過近幾年對物理綜合仿真實驗課程的教學探索和實踐，教師已對某些物理實驗項目形成了線上線下虛實結合的新型物理實驗教學模式，從某種程度上延伸了物理實驗教學的時間、空間，提升了物理實驗教學的質量和水平。在近期公布的2020年全國普通高校大學生競賽排行榜中，全國大學生物理實驗競賽首次名列其中。作者推薦的5個參賽隊伍全部獲獎，其中一等獎2項，二等獎2項，三等獎1項，是山東省高校中獲得最好成績的高校，也使臨沂大學實現了物理專業在全國普通高校大學生競賽排行榜中獲獎項目零的突破，其中基于phyphox軟件設計的聲速測量儀器獲得了大賽一等獎，完全就是利用在該課程中講到的知識，屬于我校開設仿真實驗課的教學成果。