仿真实验与实体实验相结合在大学物理实验教学中的应用探索

田　凯，王丽霞，蔡晓艳

(黄河科技学院，河南 郑州　450000)



仿真实验与实体实验相结合在大学物理实验教学中的应用探索

田凯，王丽霞，蔡晓艳

(黄河科技学院，河南 郑州450000)

摘 要：随着计算机技术的快速发展，仿真软件的功能越来越强大，在各学科科研及工程实践中的作用越来越重要。作为一种新的教学模式,仿真实验具有诸多优点，在大学物理实验教学中的应用越来越广泛。但是仿真实验也有不足，因为仿真实验毕竟只是模拟性实验，而学生只有通过真实的实验过程，亲手操作才能真正提高实验技能，培养动手能力。实践证明，将仿真实验与实体实验有机地结合起来，比如结合本校开设的实体实验开发相匹配的仿真实验，或者采用LabVIEW等软件，结合单片机及各种测量传感器，开发基于虚拟仪器的物理实验装置，对激发学生兴趣，提高教学质量有显著效果。

关键词：大学物理实验；仿真实验；实体实验

大学物理实验是理工科大学生必修的一门重要基础实验课程，是大学生进入高校后进行科学实验基本训练的入门课。大学物理实验的教学目的在于培养学生对基本物理思想的理解、熟悉基本实验方法、掌握基本实验技能，对学生发现问题、分析问题、解决问题、创新意识及理论联系实际能力的培养都有重要作用。但是受到经费、人力和管理上的限制，目前不少高校的大学物理实验室都存在仪器设备陈旧、超期服役、数量不足等现象，难免影响实验教学效果。另外，许多近现代物理实验仪器由于价格昂贵或者涉及放射性元素，除了有物理专业的少数重点院校，一般工科院校通常不配置或配置很少，因此能开设的近现代物理实验项目很少，很多重要的实验内容根本就无法涉及。近年来，随着信息技术的迅猛发展，适用于各学科的仿真软件日益流行，功能越来越强大。作为一种新的实验教学手段，大学物理仿真实验有助于减少仪器设备及实验耗材的投入，还能使学生在计算机上对一些实验设备昂贵、实验过程危险的近现代物理实验进行模拟实验，对一般工科院校非物理专业的学生开拓视野、加深对相关物理知识的理解都有积极作用。目前，仿真实验系统已逐渐应用于大学物理实验课程中[1-4]。我校在开展大学物理仿真实验的过程中，对如何将仿真实验与实体实验有机地结合起来，以更好地提高教学质量进行了实践与探索，取得了一些有意义的成果。

1仿真实验在大学物理实验教学中的应用

1.1大学物理实验仿真软件简介及教学安排

我们学校所选用的大学物理实验仿真软件是中国科学技术大学推出的，该软件由该校人工智能与计算机应用研究室王晓蒲教授、霍剑青教授团队开发多年，曾获国家级教学成果奖，功能十分强大，代表了当前物理仿真实验的较高水平，已被国内200多所大学采用，该软件是国际上第一套虚拟现实型的教学软件,受到国际同行的高度评价。单机版需要学生在仿真实验室完成实验项目，网络版支持学生随时随地远程登陆服务器后进行实验操作。这套实验系统包括近60个仿真实验项目，既包括力学、热学、光学、电磁学中常见的基本实验，也有核磁共振、塞曼效应、拉曼光谱、扫描隧道显微镜等多个近现代物理实验。

教学安排方面，目前我们学校一方面在大学物理实验教学中为仿真实验安排了两次课的内容，第一次是全面介绍一下仿真实验，使学生对这种实验方式有一个整体了解，另外通过碰撞与动量守恒这样一个比较简单的实验项目，使学生基本掌握软件的使用方法；第二次是让学生结合自己的专业以及兴趣爱好，选做一到两个实验项目。另一方面，我们准备向学校申请将大学物理仿真实验作为公共选修课列入本科教学课程体系，对全校学生，特别是理工科学生开放。

1.2物理仿真实验在大学物理实验课预习和复习中的应用

由于仿真实验不受实验课时的限制，学生无论何时何地都可以通过计算机登陆仿真实验服务器进入软件操作界面，而且由于每项具体实验都有实验原理、实验步骤、注意事项，还有一些与实验相关的测试题。有的仪器还可以观察到内部结构，操作时还有语音提示，操作非常方便。因此，对于我们开设的实体实验，特别是一些原理比较复杂难懂，操作要求高，难度比较大的实验项目，比如分光计、迈克尔逊干涉仪等项目，仿真软件中如果有相关的实验项目，都要求学生提前进行仿真实验，熟悉实验原理，仪器结构及基本操作方法，实践证明即使实验内容及仪器型号不完全相同，学生做完仿真实验后再做实体实验，效果都会好得多。另外，学期最后我们还要进行操作考试，要求学生抽签随机选取一个本学期做过的实验项目进行实际操作，教师根据操作情况打成绩。学生没有时间，实验室也不具备条件让每一个学生考前都到实验室对所有的实验项目进行复习，但是学生可以利用仿真实验，很方便地对相关实验特别是操作方法进行复习，由于已经做过实体实验，再进行仿真实验时很容易联想到真实的实验情况，实践证明效果很好。

1.3将其他学科仿真软件引入大学物理仿真实验教学中的探索

近年来计算机仿真技术发展很快，几乎理工类各专业都有相应的仿真软件，其中有很多功能强大、界面友好、操作方便的优秀软件，在国际上已经非常流行，日益成为相关科学研究、工程设计及教学中的重要手段[5-6]。其中如Multisim、Proteus、Protel等优秀的电子设计及虚拟仿真软件，使电路的设计、分析、仿真测试非常方便；如ZEMAX、TracePro、LightTools等优秀的光学系统设计仿真软件，广泛应用于光学及照明系统的设计中；如Matlab等优秀的数学软件，具有强大的数据分析、科学计算、图像处理及创建交互式图形用户界面等功能,在很多特别是需要进行复杂数学处理的学科如自动控制、信号系统中应用非常广泛；如ANSYS等优秀的有限元计算分析软件，有限元法是当今数值计算领域应用最为广泛最为成熟的一种计算方法,通用性强、精度高，广泛应用于结构力学、流体动力学、热学、电磁学和声学等领域；如MS、LAMMPS等常见的材料计算软件，广泛应用于各种材料的模拟计算中；如Gaussian等量子化学计算软件，广泛应用于分子结构及化学反应的计算分析中。我们结合本校开设的相关专业，尝试将一些常用的仿真软件引入大学物理仿真实验教学中，作为选修课面向各专业学生开放，比如电子、通信等涉及电子信息技术相关学科的学生可以选学Multisim、Proteus等电子设计仿真软件[7-8]，做RLC电路暂态分析、直流单臂电桥测电阻、直流电位差计测电动势等实验项目；比如光学工程、光电专业等涉及光学设计相关学科的学生可以选学ZEMAX、TracePro等光学仿真软件，做望远镜、显微镜的设计与组装等实验项目；比如自动控制、通信技术等对数学处理要求较高的相关学科的学生可以选学Matlab等数学软件，做一些光学中的实验[9]，如单缝衍射、杨氏双缝干涉等涉及复杂数学方程的实验；比如土木工程、机械设计、材料等涉及结构力学、流体动力学相关学科的学生可以选学ANSYS等有限元计算分析软件，做一些模拟大学物理实验中的电磁场分布可视化的实验[10]，如模拟法测绘静电场中各种电极所产生的电场空间分布的三维分布显示图像。由于这些软件虽然应用广泛，但不少在教学课程体系中不会涉及到。实践证明这不仅有助于加深学生对相关物理内容的理解，促进大学物理实验教学水平的提高，还有助于扩大学生的知识面，提高计算机应用水平，而且有助于学生提前熟悉本专业以后经常要用到的相关仿真软件，为以后的深造或工作打下良好的基础。

2大学物理仿真实验与实体实验相结合的探索

2.1增强学生对仿真实验中仪器设备的直观认识

仿真实验只是模拟性实验，学生会缺少“实物感”，不够真实，且测量过程通过既定程序操作，实验现象单一，若在教学中仅用仿真实验，不利于学生对真实实验仪器的认识及操作能力训练，达不到培养学生动手能力的目的。因此，在大学物理实验教学中，我们努力将仿真实验与实体实验有机结合起来，在开设仿真实验时，尽量向学生展示仿真软件中的仪器设备所对应的实体实验设备，具体结构原理及操作方法，有的设备学校没有，我们会搜集相关图片、资料通过课件向学生介绍。

2.2开发与我校开设实体实验相匹配的仿真实验项目

由于不同学校开设的实体实验项目不同，不少在购置的仿真软件中没有，有的虽然有但是实验内容及采用的仪器设备与仿真软件不同，这种情况普遍存在，为了更好地配合学生预习、复习，不少学校的老师根据本校情况，自己开发了一些仿真实验。受其启发，我们物理实验老师与几位计算机系搞软件开发的老师合作，开发了两个与我校开设的实体实验相匹配的仿真实验，直流电位差计测电动势及拉伸法测金属丝的杨氏模量，已经用到实际教学当中，学生反映很好。这个工作打算继续做下去，争取为我校开设的所有实体实验都开发出相应的仿真实验，而且也可以吸收感兴趣的学生，特别是计算机软件相关专业的学生加入，甚至可以作为其毕业设计的题目，这样对提高学生及老师的计算机能力很有帮助，对实验室也有好处。

2.3开发与实体仪器测量相结合的基于虚拟仪器的实验装置

LabVIEW是时下开发虚拟仪器应用软件最为流行的图形化编程环境之一，它采用一种独特的用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言,可视化好、编程效率高,能充分发挥计算机强大的数据处理能力，设计者可以很方便地创建与传统仪器类似的具有友好用户界面的控制系统[11]，实现数据采集、工程控制、数据分析处理等功能。我们结合实验室的实体实验设备，采用LabVIEW作为上位机，结合单片机及各种测量传感器，设计制作了基于虚拟仪器的光电效应测普朗克常数及螺线管中磁感应强度的测绘两套实验装置，学生在计算机上模拟实际操作完成实验，通过计算机控制单片机利用传感器测量相关数据，并通过计算机自动存储、处理。这样的实验内容有助于学生加深对计算机及传感器在通用数据测量及处理中应用的认识，学生很欢迎，我们计划以后多开发一些类似的实验项目。

3仿真实验在大学物理实验教学中的思考与展望

随着计算机技术的不断进步，仿真软件的功能肯定会越来越强大，应用肯定会越来越广泛。比如中国科技大学近年来开发出了基于组件的大学物理实验仿真软件[12]，允许使用者自行设计实验方案，灵活选择仪器。我校正在考察，准备引进该软件，一方面用于设计性和研究性实验的开设，另一方面打算通过该软件制作用于实验操作考核的“实验操作题”，建立仿真考试系统，使实验操作的考核客观化、精确化。当然如果能借鉴该软件，结合我校开设的实体实验自行开发一些基于组件的仿真实验项目及实验操作考核题，这样效果应该会更好。当然自己开发毕竟存在很多困难，因此建议一些实力强的大型实验仪器厂家能结合自己的仪器开发相应的仿真软件，提供给购置仪器的学校使用。随着虚拟现实技术的不断成熟，相信不久的将来一定会应用到仿真实验系统中，给仿真实验带来更真实的操作体验。另外，随着智能手机功能越来越强大，越来越普及，开发能在手机上运行的仿真实验应该也是一个努力方向。

4结束语

随着计算机技术的快速发展，仿真软件的功能越来越强大，在各学科的科研及工程实践中的作用越来越重要。目前仿真实验系统已逐渐应用于大学物理实验教学中。但是必须强调的是大学物理仿真实验系统虽然有内容丰富、建设成本较低、易于维护等优点，但是也有不足，因为仿真实验毕竟只是模拟性实验，实验过程都由程序确定，实验现象单一。而学生只有通过真实的实验过程，亲手操作才能真正提高实验技能，培养动手能力。实践证明，将仿真实验与实体实验有机地结合起来，比如结合本校开设的实体实验开发相匹配的仿真实验，或者采用LabVIEW等软件，结合单片机及各种测量传感器，开发基于虚拟仪器的物理实验装置，对激发学生兴趣，提高教学质量有显著效果。

参考文献：

[1]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．

[2]郭文阁,陈海霞,王玮,等.仿真实验在大学物理实验教学应用探讨[J].大学物理实验，2015，28(3)：124-127.

[3]王溢琴，芦彩林.基于仿真技术的大学物理实验教学改革[J].新乡学院学报，2015，32(6)：68-70.

[4]张林.虚拟仿真技术对大学物理实验教学影响的探究[J].大学物理实验，2015，28(1)：116-118.

[5]梁勇.虚拟仿真技术在项目式综合测控系统教学中的应用[J].实验技术与管理，2013，30(3)：82-85.

[6]程思宁，耿强，姜文波，等.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，30(7)：94-97.

[7]祁国权.Multisim在大学物理电学实验中的应用[J].渤海大学学报(自然科学版),2012，33(1)：24-27.

[8]张明长.Proteus仿真软件在物理实验教学中的应用[J].大学物理实验，2012，25(5)：68-71.

[9]刘志成，张君霞，黄蕊.Matlab可视化在大学物理实验中的应用[J].大学物理实验，2015，28(1)：69-72.

[10] 李战厂,黄国锋,白洪波,等.新教改下ANSYS软件在大学物理实验教学中的应用与实践[J].赤峰学院学报(自然科学版),2015，31(6)：19-20.

[11] 刘佳,邓月明.一种基于虚拟仪器的金属线膨胀率测量方法[J].大学物理实验，2015，28(1)：85-89.

[12] 施俊辉，杨旭，霍剑青，等．基于组件的可设计性虚拟实验的构建与实现[J]．中国科学技术大学学报，2010,40(3)：249-253．

TheApplicationandExplorationoftheCombinationofSimulationandRealExperimentsinUniversityPhysicsExperimentTeaching

TIANKai,WANGLi-xia，CAIXiao-yan

(HuangheScienceandTechnologyCollege,HenanZhengzhou450000)

Keywords：universityphysicsexperiment；simulationexperiment；realexperiment

Abstract：Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,thefunctionofthesimulationsoftwareismoreandmorepowerfulandtheroleofthesimulationsoftwareinscientificresearchandengineeringpracticeismoreandmoreimportant.Asanewteachingmode,withmanyadvantages,theapplicationofthesimulationexperimentinuniversityphysicsexperimentteachingismoreandmorewidely.Butthesimulationexperimentsalsohavedisadvantages.Theexperimentalskillsandpracticalabilityofstudentscanonlybedevelopedbyrealexperimentprocess.Practicehasprovedthateffectinstimulatingstudentsinterestsandimprovingtheteachingqualityofcombiningsimulationandrealexperimentsissignificant.ThiscanbeachievedbydevelopingsimulationexperimentsadaptedtorealexperimentandvirtualinstrumentswiththesoftwaresuchasLabVIEWcombinedwithsinglechipmicrocomputerandvariousmeasuringsensor.

收稿日期：2016-01-15

基金项目：郑州市重点实验室建设项目(ZZLG201414)；黄河科技学院校级教改项目(JG2014014)

文章编号：1007-2934(2016)03-0080-04

中图分类号：G642.423

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.022