理工科類物理虛擬仿真實驗運行機制的實踐與探索

王丹丹 周鋒子 王曉飛 李立本 金秀娟 甄志強 李新忠

（河南科技大學物理工程學院 河南·洛陽 471023）

0 引言

在真實的物理實驗教學中，由于部分實驗儀器的復雜、精密和昂貴，并存在高危、高成本、高消耗等因素，往往在真實實驗教學中難以實現。許多精密科研實驗儀器，在實驗教學中學生難以接觸和了解實驗儀器的結構、設計思想、運行原理。另外，由于受到時間和空間等因素的影響，在實驗教學中學生不能反復調整儀器、設計和觀察實驗現象。存在著儀器越先進，現代化技術越高，學生收獲越少的傾向。虛擬仿真實驗資源以虛擬現實、人工智能、自動控制等技術，對物理實驗和儀器建立了數字化和高度仿真的虛擬模型，學生可在虛擬環境中開展實驗，在實驗教學中通過虛擬實驗教學資源與平臺，把實驗教學、實驗預習、實驗指導、實驗報告評閱、實驗考試評判等教學內容有機融合為一體，完成實驗教學的各項內容，彌補了真實實驗存在的不足。

開展虛擬仿真實驗教學是推進實驗教學信息化和實驗教學資源共享的有效手段，是實現“虛實結合、相互補充、能實不虛”實驗教學原則的有力體現。在實驗教學中學生可通過虛擬仿真教學資源進行實驗預習，了解實驗儀器、實驗原理、實驗方法、實驗基本操作等內容，還可擬定實驗方案。再到實驗室進行真實實驗。學生也可在做完真實實驗后，再做虛擬仿真實驗，完成對真實實驗的深入學習、實驗復習、提高認知。

優質資源的共享是提高實驗教學質量和水平的保障，虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、人機交互和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗資源和環境。利用虛擬仿真實驗教學中心的管理平臺，實現校內外乃至更大范圍的共享開放，此舉不但使優質資源的利用率大大提高，更重要的是不受時間、空間的限制，為實現大面積的學生自主學習、實驗探究、開展科技創新實踐活動提供了服務。利用虛擬仿真實驗教學中心管理平臺，還可廣泛應用于實驗教學過程中的實驗預習、實驗操作、實驗報告、實驗考試等教學環節。因此，物理虛擬仿真實驗教學中心的建設，為創建實驗教學資源，實現優質資源的共享，開展虛實結合、相互補充的實驗教學活動起到了不可替代的重要作用。

1 現狀分析

以河南科技大學開展物理實驗教學為例。我校物理虛擬仿真實驗資源建設與運行情況，以實驗室管理制度建設與落實為主線，嚴格設備管理和實驗教師職責，以大學物理教學仿真軟件為基礎，服務于大學物理教學，取得了顯著成效。2000-2004年，以學生自主選課、實驗室全面開放為主線，通過局域網絡系統學生網上預約實驗，培養了學生的自主性和主動性。每個實驗室配有計算機網絡終端，可通過中心局域網與校園網相連，進而連接因特網。加強了網絡化、信息化、開放式實驗教學與管理，創建了實驗中心獨立的實驗教學網站。

以教育部本科教學評估為契機，更新教學理念，豐富實驗內容，改善實驗條件，加大師資引進，建設取得了突飛猛進的發展。通過自研仿真軟件，實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，在涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗項目，建立了虛實結合、相互補充的實驗教學體系，教學效果日漸突出，教學質量明顯提高。

目前存在的問題：在物理虛擬仿真實驗中心及實驗項目資源建設過程中，如何構建適應不同層次需要的學習需求？如何把最優的物理虛擬仿真實驗項目融入到學生的創新培養體系？如何將現有省級以上虛擬仿真項目真正發揮培養學生的作用、融入培養方案及課程體系？

我們從以下方面進行了改革探索：

1.1 改革內容

1.1.1 虛擬仿真實驗教學體系建設

以能力培養為主線，建立科學、系統的實驗教學體系，與理論教學既有機結合又相對獨立。物理虛擬仿真實驗教學中心以開放式自主實踐為主要教學形式，以形式多樣、課內外相結合的多層次多類型物理實踐教學體系為基礎，以優良實驗室硬件條件和優質教學資源為支撐，以制度化教學管理、教學質量監控體系為保障，構建一個能為全校提供菜單式實驗教學服務，培養創新人才的綜合平臺，體現教學體系系統性、綜合性、層次化，教學模式自主式、開放式的特點。

在物理虛擬仿真實驗課程的教學改革與實踐過程中，重新審定和擴展了物理虛擬仿真實驗課程的教學內容，根據實驗教學的特點，按照“興趣導入、開放自主、創新提高”的原則構建了物理虛擬仿真實驗體系。學生剛入學時，針對多數學生對物理實驗具有畏難情緒，首先利用我們構建的大學物理仿真實驗形式培養學生學習物理的興趣；然后，通過開放自主的選課系統，以學生為本增加課程外的物理實驗項目，虛擬進行基本技能訓練，再通過虛擬高危與極端環境仿真實驗，對其實驗細心、耐心能力進行培養；進而通過高成本與高消耗的虛擬實驗，激發其戰勝困難的意志和創新力。

1.1.2 虛擬仿真實驗教學實驗項目

中心建設的實驗教學體系以培養學生實踐創新能力為核心，按照基礎性實驗、設計性實驗、綜合性實驗、研究創新性實驗實施實驗教學。中心修訂執行的《物理虛擬仿真實驗課程教學大綱》涉及5門實驗課程，中心按照“注重基礎、綜合應用、加強設計、提高創新”的指導方針組織實驗內容。包括實驗必修課、實驗選修課、課程設計，還有實驗室開放和其他形式實踐活動。如研究創新實驗是以開放實驗室活動為載體的、鼓勵優秀學生參加的、部分結合科研生產實際的實驗研究課題，是實驗教學資源集中、因材施教理念的充分體現。這類實驗采用“集中講課、分散設計”方式，吸引部分有所專長的學生對其進行全面培養。

1.2 改革目標

1.2.1 依托學校校園網信息化平臺，保障資源共享

近幾年，我校數字化校園建設，改造升級了校區樓宇的網絡布線，網絡拓撲結構、網絡設備。建立了校區虛擬信息化平臺和數據中心，構架了校區校園專網，陣列間復制，實現300余臺虛擬服務器機群，及4臺數據庫服務的系統。萬兆主干線，全校區建設了有線和無線網服務，覆蓋率達100%。

1.2.2 面向全校，實現資源共享

中心資源和管理平臺部署在學校校園服務器上，建立河南科技大學物理虛擬仿真實驗教學中心門戶網站，實現了教學資源的校內外共享。通過中心網站，學生可以在校園內、外授權使用虛擬仿真實驗教學平臺。學生借助于臺式電腦、筆記本、Pad、智能手機等多種形式的終端設備，不受人數、時間和空間的限制，開展區域或在線的教、學、練、考，滿足了多學科、多專業，不同層次的實驗教學需求。

目前，物理虛擬仿真實驗教學中心負責12個學院46個專業的物理必修實驗教學，并面向全校開設物理選修實驗課程。近兩年實驗教學工作量達30余萬人時數。

1.2.3 面向社會，實現資源共享

注重校際、校企之間的資源共享。在物理實驗中心建設、物理實驗教學資源建立了長期合作、交流、共享、共贏的模式。成功地將“物理演示實驗虛擬仿真系統”應用到洛陽市一高、河科大附中等中學物理課外興趣擴展等方面。與洛陽市科技館合作，將多種虛擬仿真物理實驗對社會開放，向少年兒童普及科技知識，引導少年兒童參與科技創新活動，培養少年兒童的科學意識和科學精神。校際之間的資源共享、交流，實現了共贏，帶來了良好的社會效益和經濟效益。

1.3 物理虛擬仿真實驗開展中存在問題

1.3.1 開發實驗技術能力不足問題

合作開發虛擬仿真實驗資源：發揮我校學科專業優勢，教學隊伍優勢，學校從學科、專業實踐教學需求出發，進行系統開發的結構與內容設計。企業提供虛擬仿真開發支持，并接受學校方面的學科內容與知識指導。雙方共有開發成果的知識產權，雙方共享成果推廣與成果獎勵的收益。

1.3.2 建設實驗平臺資金不足問題

共建共管中心實驗平臺：合作開發的產品資源，通過在中心平臺上的應用完成優化設計，使產品更加成熟。同時，企業以共建、共管、共贏的合作方式，實現對中心持續的技術支持與投入，進行虛擬仿真實驗教學管理平臺維護和軟件升級服務，對教師進行信息化教學應用能力的培訓。保證中心的健康，持久的發展。

1.3.3 發揮人才培養優勢

資源優勢互補互惠互利：學校以知識、人才、設施等優勢為企業提供多元化支持。主要包括：（1）合作企業優先到校選聘優秀畢業生；（2）根據企業需要，在各種專業領域配合企業響應市場需求，提供相應管理，創新與研發的支持，協助企業解決關鍵性技術問題；（3）根據企業發展需要，為其員工培訓提供師資、場地及設施等方面的支持。

1.3.4 實現長期持續發展問題

探索與實踐如何把現有優質物理虛擬仿真實驗資源納入培養方案、課程體系及“創新創業”學分培養體系，實現人才培養，教師發展，平臺建設的共同長期持續性發展。

1.4 運行機制的探索總結

1.4.1 要具有明確建設思路

物理虛擬仿真實驗中心成立以來，按照“遵循物理教學規律、注重教學科研融合、加強校企合作、資源開放共享”的建設原則。通過自主開發、校企合作，創建了一批有專業特色的物理虛擬仿真實驗教學資源，搭建了完善的虛擬仿真實驗教學管理平臺。通過多年來的建設，中心在人才培養、教學與科研、服務社會等方面取得了豐碩的建設成果。

1.4.2 要不斷完善虛擬仿真實驗課程體系

虛擬仿真實驗教學服務于學校12個學院，46個專業的物理實驗教學，開設5門虛擬仿真實驗課程。在實驗課程設置上，前期構筑寬厚基礎，后期優化專業教育，注重學科交叉培養，加強綜合性和研究性實驗訓練，培養學生創新創業實踐能力。構建了基礎物理虛擬仿真實驗、專業物理虛擬仿真實驗和開放選修虛擬仿真實驗三個層次的實驗課程體系。體現由專業基礎訓練，到專業綜合技能提高，再到研究與創新能力培養的物理教學規律。在基礎物理虛擬仿真實驗中有大學物理的力學、熱學、光學、電磁學實驗等；在專業物理虛擬仿真實驗中有近代物理實驗和光電信息類實驗；在開放選修虛擬仿真實驗中有演示物理實驗和前沿物理實驗。

1.4.3 要建立師生互動虛擬仿真實驗教學體系

虛擬仿真實驗教學始終本著人才培養、創新實踐和社會服務三大目標來進行。以“加強基礎、重視應用、開拓思維、培養能力、提高素質”的物理實驗教學理念為核心，在實驗教學中以學生為中心，為學生營造更多自主學習，多元化發展空間的實驗環境。虛擬仿真實驗教學的重要作用就是不受學生人數、時間、空間的限制。通過虛擬仿真實驗教學資源和教學管理平臺，實現了實驗教學資源的服務與共享。通過中心虛擬仿真教學網站，教師與學生可以在校園內、外授權使用虛擬仿真實驗教學資源。

1.4.4 要探索把虛擬仿真教學資源融入培養方案

在保持現有物理各專業培養方案不變的情況下，首先探索將其在創新創業兩個學分情況下進行改革，納入創新創業學分過程管理；其次，在物理學院高年級本科生的相關專業課程中加入2學時進行試驗和探究其培養效果；最后，將物理虛擬仿真實驗中心資源體系與物理實驗教學中心的教學體系相對接和融合；最終，實現對學生的線上、線下，全天候的物理實驗能力和素養的培養。

2 結論

理工科類物理虛擬仿真實驗資源建設與運行機制的探索要符合新時期高等教育發展理念，將有望提高學生參與實驗性教學的興趣，具有較強的科學性、適用性、創新性和前瞻性。進一步通過靈活豐富的實驗方式，將前沿科技成果，實踐創新成果，引入到實驗教學中，利用規范的監控提升質量，提高學生綜合素質和實驗動手能力。必需將現有虛擬仿真資源融入教學體系，將創新現有教學方法和手段。且通過彈性式畢業課題的實施，高效利用現有實驗場所。通過建立制定校企合作機制，探索校企共贏。才能實現校校、校企資源共享，進而實現物理虛擬仿真實驗資源建設與運行機制的良性發展。