大学物理虚拟仿真实验与物理实验教学改革

程勇

摘要：结合当前工科院校物理实验教学特点，以桂林理工大学物理虚拟仿真实验教学中心为例，对物理实验教学中存在的问题，虚拟仿真物理实验的优点进行了概述，在此基础上，对虚拟仿真实验提出建设方案以及虚拟仿真实验的解决方案。关键词：虚拟仿真实验；大学物理实验；仿真技术中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1674-9324（2018）20-0102-02 物理学基本规律的发现及其理论的建立，以及促进生产技术的发展都是以严格的物理实验为基础的，物理实验在物理学和生产技术发展中起过重要作用[1]。物理学科具有让学生形成科学思维和掌握科学方法的条件，但是物理实验课时较少，以桂林理工大学为例，一般工科专业仅32学时，仅靠课堂真实实验教学远远不够，大量的实验不能开设，利用虚拟仿真实验可以提高培养学生的学习能力和实验能力，学生可以根据自己的兴趣爱好拓展实验。虚拟仿真技术是一门崭新的综合性的信息技术[2]，物理虚拟仿真实验教学中心建设对物理教育信息化、教育质量的提升和实验教学改革产生积极并且重要的影响。在现有实验的基础上，积极开展虚拟仿真实验项目，将会对现有实验教学模式注入新的活力，对教育质量的提升和教学改革产生积极的影响[3]。一、物理实验教学中存在的问题我校的物理实验课程是面向全校理工科学生的基础实验课程，中心每年接受31个本科专业3000名以上的学生做物理实验，总人时数约为100000。而一个完整的学生学习链包含：预习→课堂教学→实验报告→复习→考试。在面向大规模学生教学时，受师资及硬件条件的限制，在预习、复习、考试环节通过真实实验已无法完成并达到教学要求。同时，学校的实验室用房紧张，目前未能根据不同的专业需要开设不同的实验，更不能根据不同学生的爱好开设不同的实验，这一情况在全国各高校的物理教学实践中普遍存在。1.预习环节。作为实验课，预习环节不仅要掌握实验原理和仪器的使用方法，更重要的是动手操作。只有看到“仪器”（而不仅仅教材上的文字），触摸仪器才能对仪器的原理和操作有更深入的了解。在没有仿真实验时，由于实验室的仪器设备无法开放满足大多数学生的预习需求，学生进行物理实验预习时只能通过书本进行，只能对理论知识进行预习。对学生来说，预习环节的不完善导致学生无法对实验环境建立直观认识，学生上课前对即将开展的实验过程不熟悉，学生实验中无法有目的地进行操作、观察和独立思考，并利用掌握的知识对现象进行合理分析讨论，解决实验问题。对教师来说，教师对学生预习情况的检查只能通过学生提交的预习报告进行，而通过这些大同小异的预习报告教师无法在课前发现学生对实验项目中普遍存在的难点、重点问题的把握，从而在实验课中进行有针对性的讲解。2.撰写实验报告和复习环节。由于受到时间的限制，学生在课堂实驗上无法消化实验教学的内容，在撰写实验报告和复习时如遇疑难，只能靠“回忆”。但实际上很多问题学生看到仪器就容易解决，但靠“回忆”的方式，往往得不到解决，这样就导致学生对所学实验根本无法掌握。这样的教学过程导致很多学生上实验课变成了完成任务，不利于学生对物理实验学习的积极性，极大地影响教学质量的提高。3.考试环节。物理实验考试不仅要考察学生对理论知识的掌握，更要考察学生的实验动手能力和思维能力。在同时面临成百上千学生时，在有限的时间内，真实实验仪器无法满足考试需求。受到硬件、实验室以及师资的限制，物理实验考试尤其是动手操作考试很难进行，老师凭印象打分，成绩因教师而异，考试不具备客观性，这就使学生学习的积极性和参与热情受到了极大的影响。中心一直致力于把部分既能体现学科优势特色，又能反映科研前沿的专业实验，介绍给本科生。但由于这些仪器价格昂贵，耗材配备较多，管理严格，本科生难以接触这些仪器，而且操作的难度很大。同时，中心并无这些较贵的仪器，无法开设这些实验。若要专门开设这些实验成本过高的实验，资源消耗也比较大。这样就使本科生失去了接触和了解科研前沿的机会。二、虚拟仿真实验教学中心建设的意义由于教学资源有限并且课时较少，仅靠课堂真实实验教学不能很好满足不同学生的不同兴趣爱好，利用虚拟仿真实验可以提高培养学生的学习能力和实验能力。同时，部分实验设备精密、结构很复杂、价格昂贵的仪器台套数太少等很多问题亟待解决。虚拟仿真实验可以实现开放式教学的先进的实验手段，不仅可避免在实验过程中贵重仪器设备的损坏现象，而且可以减少大量贵重仪器设备的投资建设。另外学生在宿舍也可以利用电脑或者手机就可以研究自己想要实现的实验。而且通过虚拟仿真实验和真实实验的结合，能够提高学生的创新能力。因此，很有必要建设虚拟仿真实验。三、虚拟仿真实验的优点传统实验设备随着使用年限的增长，设备逐渐老化，维护设备的难度大、投入的成本高。一般仪器设备超过7年之后维护成本较高，严重影响教师上课，而更新设备花费较大，学校一般很难批准。虚拟仿真实验和传统的实验相比，虚拟仿真实验后续投入少，维护比传统实验容易，学生做实验比较容易，在做实验之前可以提前预习，减少对设备的不规范操作导致的设备损坏。四、建设思路以现有虚拟仿真实验为基础，进行虚拟仿真实验与现有实验进行资源深度整合，依托于桂林理工大学校级物理实验教学中心成立了桂林理工大学物理虚拟仿真实验教学中心。根据地方工科院校特点及人才培养的需要，按照“夯实基础、激发兴趣、创新教育、培养能力”的物理实验教学指导思想提出了“虚实结合、相互补充、能实不虚”的建设原则，和“精选实验，加强提高，学科交叉、相互衔接、探索创新”的建设思路。以此为指导构建大学物理虚拟仿真实验教学体系，并持续推进实验教学信息化建设和实验教学改革与创新。进一步通过校企合作共建、共管，将中心建设成为专业特色鲜明、服务全校各专业并有一定区域辐射作用，全过程、多层次、系统化的虚拟仿真实验教学基地。五、虚拟仿真实验提供的解决方案通过虚拟仿真实验，采用虚实结合的模式，解剖各个教学环节，能够实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，使学生在宿舍、图书馆、机房等可24小时随时通过仿真实验系统进行物理实验的预习和复习；可以在机房安排大规模的同时考试，考试系统内置有统一专家评判系统，对所有学生的评分都用同样的标准，保证了评分的公平性。通过虚拟仿真实验教学，还能促进教师实验教学理念的提升，提高实验教师应用现代化教学手段的能力。目前，虚拟仿真实验online版有实验65个，在没有实验课的情况下，学生可选择自己喜欢的实验项目进行仿真实验，增加物理实验知识、开阔视野、体会物理实验的魅力，为今后的研究型、创新型实验的开展打下良好的基础。虚拟仿真实验教学中心的建设，能够将贵重实验设备虚拟数字化，使非专业人员也能模拟操作专业人员才能接触的仪器。把本科实验教学与学科专业特色结合起来，将科研成果及时向教学实践转化，利用仿真实验实现对本科生的培训。同时，学校也在积极争取经费增加创新型、设计型新实验，全方位提高学生的综合能力。六、结束语物理虚拟仿真实验室对现有实验的补充和扩展，学生不受设备和平台的限制，更不会受到时间和地点的限制，随时可以根据需要对所学知识进行复习，对未学知识进行学习。使学生的动手能力、科学思维能力及对科学方法的掌握能力得到极大的提高。因此，建立虚拟仿真实验教学平台对桂林理工大学学生是很有必要的。参考文献：[1]刘维慧，孟丽华，于阳，等.工科物理虚拟仿真实验教学平台的建设实践[J].大学物理实验，2016，（29）：38-41.[2]陈守满，姜建国.虚拟现实技术在教学中的应用[J].计算机应用，2002，（4）：111-112.[3]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.