虚拟仿真技术对大学物理实验教学影响的探究

张 林

（南京林业大学，江苏 南京 210037）

虚拟仿真技术对大学物理实验教学影响的探究

张 林

（南京林业大学，江苏 南京 210037）

从我校大学物理实验教学的现状出发，分析了传统的物理实验教学方式存在的缺点与不足。讨论了在物理实验教学中补充一些虚拟仿真实验对于丰富教学内容、改善教学方式和客观评价学生实验成绩的影响。

虚拟仿真实验；物理实验教学

随着计算机技术的不断普及和提高，使用计算机仿真软件，进行虚拟实验和远程教学在全国各高校得到了广泛的开发和应用。使用虚拟仿真实验进行现代化教学，具有物理图像清晰，实验操作逼真、可设计性强等［1-2］优点，可以作为传统实验教学的重要补充，目前全国很多高校都在开展这方面的教学实践和研究，并取得一些经验和成果［3-8］。

本文主要介绍近年来我们在大学物理实验教学中，引入虚拟仿真实验，对于丰富教学内容、改善教学手段和提高学生学习兴趣等方面做的一些尝试性的教学工作。

1 传统实验教学模式的不足

在引入虚拟仿真实验之前，为了提高物理实验的教学质量，我们通过问卷、座谈以及征求建议等方式对广大师生做了大量的调查研究，发现传统的物理实验教学方式虽然也能很好地培养学生的实践能力和创新思维，但也存在以下的缺点和不足:

1.1 实验内容的可设计性和创新性不强

首先，我们发现很多师生觉得做物理实验比较枯燥乏味，缺乏挑战性和成就感。一方面是因为实验教材的编写是一项长期的、艰巨的工程，既要反映教学的连续性，也要反映

教学的创新性，因此在短期内实验内容不可能得到及时的更新，这样就会使得很多教师年复一年从事相同的实验教学内容，造成工作上的疲劳，另外有很多物理实验与中学的实验内容是重叠，学生没有做实验就可以预知实验的结论，这也造成了学生对物理实验缺乏兴趣；另一方面主要归因于我校的大多数物理实验都是验证性实验，缺乏可设计性和创新性。每个实验都有明确的实验目的和步骤，连基本的实验器材，线路的数量都是预先规定和准备的，这样就限制了学生的创新思维的培养，因为学生不可能按照自己的想法去设计实验步骤，完成实验，验证自己的实验结论，此外如果学生不按照预定的实验步骤操作仪器，也会造成仪器故障和实验安全问题，这样也极大地限制了学生对实验仪器的进一步尝试性操作和认知。

1.2 单一的实验教学方式

其次，我们发现传统的物理实验教学缺乏吸引力还表现在教学环节的单一性，和大学物理理论课教学一样，教师要求学生课前认真预习实验内容，熟悉实验步骤；课堂上教师通过讲解和演示，学生按部就班，依葫芦画瓢地完成实验，学生缺乏独立思考的机会，课后部分学生为了完成实验报告，得到正确的实验结论，竟然篡改实验数据或者抄袭其他同学的实验数据。在多年的教学过程中，我们也尝试了让学生来充当教师的角色，负责讲解实验的原理和步骤，来加深学生对物理实验目的的认知，培养学生对实验内容的分析和理解能力，虽然初期也取得一些成效，但是由于学生缺乏完成新实验的经验，这样也会极大延长实验的教学时间，给实验教学和管理上带来了极大的不便。

1.3 实验成绩评定不能客观反映学生的实验能力

物理实验课程是一门实践性很强的基础课程，传统的实验成绩评定是根据学生完成实验的情况给予评定的，通常是教师根据学生实验课的表现与实验数据的处理来评定的，因此具有很大的主观性，不能完全客观地反映学生实验能力的差异，这也是部分学生对物理实验不感兴趣的主要原因之一。

2 虚拟仿真实验教学的优势与不足

在引入虚拟仿真实验教学平台以后，我们开始尝试使用新的虚拟实验室，选取了部分学生参与虚拟实验的教学过程，让学生和老师共同参与虚拟实验的设计、调试和研究。经过几年的教学实践，我们取得了一些初步的经验和结论。

2.1 虚拟仿真实验可以丰富实验教学的内容

作为传统物理实验内容的重要补充，虚拟仿真实验也是学生认识物理现象，掌握物理知识的，培养实验能力的一个重要的途径。我们通过教学实践发现，虚拟仿真实验具有很强的可设计性，既可以完成一些传统的验证性实验，也能开发成为具有创新性的设计性实验和综合性实验，特别是对于一些物理原理较复杂的、实验图像较明显的力学和光学实验，使用虚拟仿真教学，更能激发学生学习物理实验的兴趣，增强学生的求知欲望。因此，恰当地使用虚拟仿真的实验内容不仅可以丰富传统的实验教学内容，也可以提高学生学习物理实验的兴趣。

2.2 虚拟仿真实验有助于转变单一的教学方式

虚拟仿真实验的优势还在于可以转变单一的实验教学方式，学生通过计算机仿真软件，进入交互式的，友好的仿真界面，可以在无教师指导的情况下，自主地完成一些较为简单的仿真实验，得到相关的实验结论。因为所有的实验仪器都是虚拟的，因此学生可以进行多次尝试，也不会造成仪器的损坏，特别是对于一些复杂地，较危险的实验，虚拟仿真实验更是不可替代的。另外虚拟仿真实验还可以打破时间和空间的限制，仿真实验可以不用在实验室里完成，也可以在课后独立完成，这对于学生进一步学习和探索物理实验是非常重要，也可以极大锻炼学生的动手能力和创新能力。

2.3 虚拟仿真实验有助于客观地反映学生的实验水平

除了让学生独立地完成普通的虚拟实验，我们还进一步鼓励学生参与虚拟仿真实验的设计和开发，让他们学习一些虚拟仿真软件（例如LABVIEW，MATLAB/SIMULINK）的基本知识，通过对实验原理的深入理解，抽象出物理模型，利用虚拟仿真环境，构建虚拟的实验仪器，最后调试仪器，得到正确的实验结论。这样既能客观地反映学生对实验目的、实验原理、实验步骤、实验图像和实验结论认知的全过程，也能全面反映学生完成实验的真实水平，也有利于对学生实验成绩客观评价，形成个体差异，提高学生学习物理实验的兴趣和成就感，从而提高物理实验课的教学质量。

2.4 虚拟仿真实验在教学和管理上的不足

虚拟仿真实验不能完全取代传统的实验教学方式，它只是传统实验教学方式的重要的补充。在教学中我们也发现虚拟仿真实验的开设需要学生预先学习和掌握一些基本的计算机知识，需要学生对物理原理和物理模型有较深入的理解，另外学生参与虚拟仿真的信心和经验也是制约虚拟仿真实验教学成败的主要原因。

此外，在虚拟仿真实验室的管理上也存在一些困难，特别是对虚拟仿真系统的开发和维护上更需要一些专业的管理人员，这也对实验室设备的管理上提出了更高的要求。

3 结 论

通过在大学物理实验教学中补充虚拟仿真实验内容，我们发现这样做不仅能丰富实验内容；还有助于转变单一的教学方式，另外学生学习物理实验、参与物理实验研究的兴趣也有了明显的提高，更有助于对学生实验能力的客观评价。

此外，虚拟仿真实验在教学和管理上也存在着一些缺点和不足。

［1］ 辛旭平.仿真与物理实验［J］.大学物理实验，2005，18（3）:106-108.

［2］ 谭守标，霍剑青，王晓蒲.计算机虚拟技术在大学物理仿真实验教学系统中的应用［J］.中国科学技术大学学报，2005，35（3）:429-433.

［3］ 朱和平，王修信，李家春，等.基于虚拟现实的杨氏双缝干涉实验［J］.广西物理，2004，25（3）:49-51.

［4］ 周燕.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用［J］.合肥工业大学学报:社会科学版，2008，22（5）:106-109.

［5］ 吕正.虚拟仿真实验在实验中的应用［J］.大学物理实验，2010，23（4）:59-62.

［6］ 张明，李良荣.在大学物理教学中引入仿真测试技术提高教学成果［J］.大学物理，2011，30（6）: 32-37.

［7］ 宁锌，庞玮，陈峻，等.大学物理实验在教学实践中的应用［J］.大学物理实验，2012，25（3）:110-111.

［8］ 张林，濮兴庭、于莉莉，等.大学物理仿真实验的探索与实践［J］.广西物理，2012，33（2）:50-52.

Research of the Influence on the College Physics Experiment Teaching by Virtual Simulation Technology

ZHANG Lin
（Nanjing Forestry University，Jiangsu Nanjing 210037）

From the present situation of our college physics experiment teaching，we analyze the deficiency of the traditional physics experiment teaching methods，and discuss the influence of the introduced virtual simulation experiments on enrich the experiment contents，improve the teaching methods and objective evaluation of the students'experiment scores.

virtual simulation experiment；physics experiment teaching

O4-39

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.038

1007-2934（2015）01-0116-03