虛擬仿真實驗對實驗教學的作用研究

摘要：物理實驗是物理教學的重要形式，在實驗中學生能夠通過實踐操作和觀察來掌握各種各樣的物理現象、知識、技術，從而便于學生更好地理解物理問題，提高物理教學效率。虛擬仿真技術在物理實驗教學中的應用改變了物理實驗教學的格局，通過現代媒體技術能夠模擬各類實驗環境、避免硬件條件限制導致的實驗可操作性問題，也為學生進行物理實驗研究提供了一個更加安全的平臺，從而有助于提升物理教學效率。本文結合課題研究經驗和教學實踐經驗，就虛擬仿真技術在物理實驗教學中的應用意義進行總結，以明確虛擬仿真技術在現代物理教學中的積極作用。

關鍵詞：虛擬仿真；物理實驗教學；積極作用

隨著課程改革和計算機信息科學技術的發展、人工智能與計算機在實際生活的應用，“虛擬仿真實驗室”作為信息技術在實驗教學的應用也受到了越來越多高校的關注[1]。虛擬仿真實驗是一種可以在電腦上進行的實驗教學，通過計算機模擬出真實實驗中的物理現象和實驗操作過程，以達到教育和實踐目的的一種虛擬實驗方法。相比傳統實驗教學，虛擬仿真實驗具有以下優勢：一是節省成本：傳統實驗教學需要大量的儀器設備、實驗場地等資源，而虛擬仿真實驗只需要一臺電腦或平板電腦，節省了成本[2]。二是提高安全性：一些物理實驗存在著一定的危險性，而虛擬仿真實驗可以消除這些危險，提高了實驗的安全性。三是提供更多實驗機會：傳統實驗教學由于實驗場地、時間等限制，很難為每個學生提供充足的實驗機會，而虛擬仿真實驗可以為每個學生提供足夠的實驗機會，并且可以反復練習。四是增加實驗內容：虛擬仿真實驗可以模擬很多傳統實驗無法模擬的物理現象，增加了實驗內容的多樣性和靈活性[3]。五是提高學生學習興趣：虛擬仿真實驗技術生動形象，將物理理論與實際操作結合起來，能夠激發學生的興趣，提高學習效果。綜上所述，虛擬仿真實驗對大學物理實驗教學具有重要的意義，它能夠提高實驗教學效果和實驗課程的質量，為學生提供更好的學習體驗。

一、虛擬仿真技術的概念及優勢

虛擬仿真技術是基于虛擬現實技術而誕生的一種虛擬技術，其本質上是利用計算機設備、現代媒體設備構建一個仿真的虛擬環境來代替現實環境，使人在虛擬環境中產生與現實體驗無異的體驗感、參與感。

虛擬仿真技術誕生于上世紀90年代，早期的虛擬仿真技術是通過直接投影的方式來改變視覺效果，達到基礎層次的虛擬仿真。隨著信息技術以及媒體技術的進一步發展，感應技術、體感操作技術等現代媒體技術與傳統虛擬仿真技術結合后，產生了更具體驗感、參與感的沉浸式虛擬仿真效果，有效提升了虛擬仿真的真實感，使得虛擬仿真技術有了更廣闊的應用空間。

虛擬仿真技術和物理實驗教學的融合是新時期物理實驗教學模式創新的重要方向，虛擬仿真技術在物理實驗教學中的應用具有以下優勢。一是，虛擬仿真技術下的物理實驗教學，學生能夠獲得更加廣闊的觀察視角，學生不僅能夠從外部觀察物理現象，還能夠從內部直接觀察物理變化，從而有利于學生更加深刻地認識和理解物理現象與物理規律，提高物理實驗教學的效果；二是，虛擬仿真技術能夠將一些現實中難以操作和實現的物理實驗實驗展現出來，降低了現實條件對物理實驗教學的制約，許多有危險性的、難以實現的物理實驗也可納入常規實驗教學范疇，有效提升了物理實驗教學的廣度和深度，有助于物理專業人才的培養。

總的來說，虛擬仿真技術為物理實驗教學提供了新的可能，是新時期物理實驗教學方法創新和內容優化的技術支撐，對我國物理人才培養具有重要意義。

二、虛擬仿真技術用于物理實驗教學的必要性

（一）傳統物理實驗課堂教學困難

傳統物理實驗教學受限于實驗空間、儀器設備的限制，很難將與實驗教學相關的要素轉移至理論課堂，這就導致在進行正式的物理實驗前教師很難在課堂中為學生展示實驗的具體操作，學生只能夠通過相應的視頻或者圖文資料進行學習，教師在正式實驗前能夠傳授給學生的只有與實驗有關的理論以及教師個人的實驗經驗，學生在實際操作前對實驗的認知是模糊的，對實驗的內容印象不深、實驗規程理解不到位，極容易在正式的實驗操作中出現意外，導致資源浪費或發生危險。

（二）降低物理實驗教學成本

科學的創新與發展離不開實驗，任何科學理論、技術的驗證均需要實驗的反復驗證，每一次實驗均需要消耗特定的能源、材料等資源，這意味著科學的創新、進步與發展一定是建立在大量的資源損耗之上[7]。在模擬仿真技術應用之前，學生想要進行物理實驗，必須要在特定的實驗空間（通常是物理實驗室），通過特定的儀器設備、損耗特定的材料、遵循特定的實驗規程才能夠完成一次實驗，如果需要反復實驗進行驗證，實驗教學的成本就會倍增。同時，對于高校來說實驗空間、器械的維護也是一筆不小的支出。

（三）提高實驗教學安全

物理實驗并非絕對安全，實驗本身的不穩定性、學生操作失誤或者其他意外情況均可能導致危險的發生，如諾貝爾就是多次實驗中被炸成殘疾、奧本海默就是因核物理實驗受到輻射而身患重病，由此可見實驗本身就存在著安全風險，沒有人能夠保證實驗的絕對安全[8]。傳統實驗教學模式下，實驗風險無法被排除，一旦學生不按照規程進行實驗，甚至可能面臨生命危險。

（四）提升物理實驗教學效率

雖然從形式上來看，大學的教學模式和中學階段有著明顯的差異，但本科階段本質上仍是采用“大班教學”的邏輯，一名任課教師要面對幾十名學生，甚至在部分理工類院校一名任課教師需要同時面對一個院系的數百名學生，因此教師在教學時難以顧及所有學生，不具備一對一指導的可能性。反映在實驗教學中主要有兩點，一是教師利用課堂展示實驗過程時，由于班容量較大，處于教室后排的學生可能無法仔細觀察實驗過程，教師的實驗展示效果較差；二是，在正式的實驗操作中，學生個人或學生小組進行實驗，教師雖然能夠通過巡視的方式觀察學生的整體實驗進度，但沒有精力實施一對一指導，學生是否按照規程操作、學生在實驗中是否準確驗證了物理理論就不得而知，即使學生在實驗中出現了錯誤，教師也無法及時發現并指正，實驗教學的實際效果相對有限。

三、虛擬仿真在大學物理實驗教學的應用

隨著計算機網絡技術的發展和普及，現代媒體技術、信息技術已在科學研究領域廣泛應用，這些技術改變了科學研究的格局，為實驗研究、科學計算提供了新的技術支撐與研究方法，有效提升了科學研究的效率與研究的安全性。模擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用不僅改善了實驗教學的可行性，還降低了實驗教學的成本、安全隱患，有效激發了學生對實驗的興趣，對學生物理知識的學習、物理技能的鍛煉以及科學素養的培養有著廣泛而深刻的意義。

（一）以虛擬仿真替代真正實驗器材

在過去很長一段時間內，物理實驗教學是很多高校頭疼的問題。一方面是物理實驗需要建設專門化實驗研究室，但并非所有高校均具備這樣的資金與技術，甚至很多高校至今仍沒有專門化的物理實驗室，另一方面則是物理實驗的整體成本較高，尤其是在大型物理實驗項目中，損耗的能源、材料、儀器設備、試劑等，為學生提供這樣的實驗條件，高校需要承擔巨大的財務壓力。這也就導致很多高校并未開設專門的物理實驗學科，涉及物理實驗教學內容大多采用視頻展示或純理論講解來代替實際操作，導致高校實驗教學的可操作性較低的問題。

模擬仿真技術應用于大學物理實驗教學，可以避免“實驗成本”的問題。高校不必建設專門的實驗室，也不必購買專業的物理實驗器材，僅需要購置計算機及其他少量的硬件資源、軟件資源，即可完成虛擬物理實驗室的搭建，實施實驗教學。相較于傳統物理實驗室，虛擬仿真技術搭建的物理實驗室需要投入的資源非常少，而且虛擬仿真技術能夠提供比傳統物理實驗室更加豐富的選項，甚至能夠完全模擬各種真實環境以獲取最接近自然狀態的物理實驗數據，有效提高了物理實驗教學的可操作性。

（二）通過虛擬仿真提升實驗的安全性

科學實驗通常帶有一定的安全風險，而模擬仿真技術下的物理實驗教學則能夠保證絕對安全的實驗環境與實驗過程，即使學生未能按照實驗規程進行操作，也不會發生意外事故，從而使得學生能夠在絕對安全的前提下進行實驗操作。

首先，模擬仿真技術能夠提供與真實條件一模一樣的實驗條件，學生通過計算機軟件模擬仿真的實驗操作與實驗過程與真實情況完全一致，因此能夠保證模擬仿真實驗的有效性。但模擬仿真實驗中，學生不會直接接觸具有危險性的實驗材料、實驗試劑等，因此即使操作失誤也不會發生真正的意外，從而確保實驗的安全性。

其次，模擬仿真技術下的物理實驗能夠搭載其他軟件輔助物理實驗教學，比如在實驗模擬仿真軟件中內嵌動態監測軟件，就能夠動態記錄學生在物理實驗過程中的操作路徑，教師可以通過通訊反饋機制及時了解每一位學生的實驗情況，從而做出指導與幫助，使學生能夠嚴格按照實驗規程進行操作，避免實驗中意外的發生，使學生能夠更好地掌握實驗操作規程、養成良好的實驗習慣，從而避免學生在實驗實操中發生同樣的錯誤，從而避免實驗意外的發生。此外，內嵌軟件中可以通過編程設定實驗警報，當學生出現錯誤操作時模擬仿真系統自動發出警報和提示，這樣即使沒有教師指導的情況下學生也能及時發現自己在實驗過程中的操作失誤，便于學生改正，也有助提升實驗科學性和安全性。

最后，模擬仿真技術下的物理實驗能夠排除外部不可控因素對實驗結果的影響，一定程度上避免了實驗中意外的發生，對學生掌握真正的實驗技術、物理理論也有積極作用。

（三）以虛擬仿真技術搭建物理實驗室

物理實驗需要耗用大量的資源，不僅僅是儀器設備、試劑等。以大學電學實驗為例，電學實驗中經常涉及復雜的電氣條件，創造這些電氣條件往往需要使用大量的電力資源。利用計算機進行模擬仿真實驗則可以避免大量的能源消耗，實現節能的目標，對我國生態文明建設有著積極意義。

其次，相較于龐大的實驗設備，計算機本身的購置成本也較低，根據相關數據統計，搭建一個容量40人的標準物理實驗室的成本可以搭建容量在600人以上的模擬仿真實驗室，并且實驗室的設備折舊情況、后期維護成本也遠低于常規實驗室。隨著計算機技術的進一步發展，模擬仿真實驗室能夠進行的物理實驗種類越來越多，構建的物理實驗條件也越來越多樣，至少從功能性和教學效果上來說，模擬仿真實驗室和傳統物理實驗室并無明顯差別，但建設成本大大降低。

（四）通過虛擬仿真優化實驗條件

仿真實驗是一種全新的實驗方式，通過計算機設備能夠將儀器設備、實驗操作、教師指導等有機結合，學生在模擬仿真中雖然無法直接接觸到實驗用的儀器設備，但這并不影響學生近距離觀察各類儀器設備的細節參數，也不影響學生近距離觀察實驗現象，因此模擬仿真實驗的效果和真實操作基本一致，可以保證實驗教學的效率。同時，模擬仿真實驗能夠通過軟件重置實驗條件，當學生發現異常時可以進行重置，便于學生對實驗參數進行調整，這是傳統實驗教學不具備的優勢。這一特點有助于學生更好地理解實驗中各類要素變化對物理現象的影響，從而更好地把握物理規律，更深刻地理解物理知識。

作者單位：馮青 寶雞文理學院物理與光電技術學院

參? 考? 文? 獻

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