“互联网+”背景下虚拟仿真实验在物理实验教学中的应用和发展

韩璐

摘要：物理实验教学作为物理学科教学的一个重要组成部分，在培养创新人才的过程中有着不容忽视的作用。虚拟仿真实验作为一种实验形式，在物理实验教学中的地位不容小觑。虚拟仿真实验能够弥补传统物理实验的不足，提高物理实验教学的效果。近几年，虚拟仿真物理实验发展迅速。“互联网+”背景下的虚拟仿真实验更加系统化，远程控制的实现使虚拟仿真实验教学体系更加完整。虚拟仿真实验能够结合多种在线学习方式，使学习过程更加自主高效。建立共享机制，进一步提高教学资源的利用价值和效率是未来虚拟仿真实验的发展趋势。

关键词：互联网+；虚拟仿真实验；物理；教学

doi：lO.16083/j.cnki.1671-1580.2018.12.027

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1671—1580（2018）12—0101—03

物理实验教学是物理学科教学中的一个重要组成部分，物理实验教学的目的是引导学生有目的地观察物理现象，在实际操作过程中实现实验与理论的联结，同时提高学生的观察能力、动手操作能力，锻炼学生的逻辑思维，为学生科研能力的发展奠定基础。实验教学是培养学生创新思维和创新能力的重要方法和手段。培养创新人才应注重因材施教，以学生为主体。“互联网+”背景下的虚拟仿真实验扩大了学生学习的自由度，更具灵活性，更加符合学生个性化学习的需要，能够促进学生更高效地学习，自由宽松的学习环境能够为学生才智的发挥留下更广阔的空间。因此，分析虚拟仿真实验在物理实验教学的现状和发展趋势对创新物理实验教学方法，提高物理实验教学效果有着积极的促进作用。

一、虚拟仿真实验在物理实验教学中的作用

虚拟仿真实验作为一种实验形式，是对传统实验的有效补充，以弥补一些在实际教学中很难实现的实验内容，如高危险、高成本、对环境要求高或空间需求大的实验项目。虚拟仿真实验的最主要优势在于其不受时间和空间的限制，能够有效解决实验场地和仪器数量不足、实验课时少等问题。通过虚拟仿真实验可以模拟多种在实验过程中可能出现的情况，能够创设问题情境，引发学生思考，更全面地培养学生的实验能力。尤其是要用到某些精密仪器或复杂系统的实验，如果学生在实验开始前没有完全掌握实验技能而操作不当，或在实验过程中不慎损坏实验仪器，调试维修过程复杂耗时，需要付出很高的人力、物力成本，对后续教学也会造成影响。此外，有些情况下，实际教学中使用的是集成化实验设备，学生在实验过程中只需要通过操作调整部分仪器参数，就可以得到实验数据，完成实验内容，不能接触到实验仪器的核心部分，缺少实际操作，可能会导致学生对实验原理理解不够，难以达到理想的教学效果，不利于掌握理论知识。通过虚拟仿真实验将这些内容展现出来，用于学生课前预习，可以让学生先了解实验原理、实验内容和实验操作注意事项，增强学生在物理实验课堂上学习的目的性，提高实验课的课堂效率，一定程度上也能减少学生在实验过程中的误操作。

二、早期的虚拟仿真物理实验

早在20世纪90年代，已有个别学校开始了物理实验的计算机辅助教学（CAT）研究。2005—2007年期间，有更多院校开始了虚拟实验、虚拟仿真、实验教学的研究，这时的仿真实验仅仅是一种辅助手段，是理论课的一种补充，常与教师对知识的讲解结合，并没有形成规模，虚拟仿真实验在教学中的应用并不多。

2012年，教育部印发了《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》，明确提出要加强实验室、实践教学共享平台建设，重点建设一批国家级实验教学示范中心。2013年8月，教育部印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，提出要分年度建设一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心。以实验教学示范中心和虚拟仿真实验教学中心的建设为契机，虚拟仿真实验进入快速发展时期。

三、“互联网+”背景下虚拟仿真物理实验的应用

“互联网+”背景下，新的信息技术不断涌现，虚拟仿真物理实验也出现了新的形式。远程控制实验，突破了以往传统虚拟仿真实验只能单机操作或只能在接人局域网的计算机上操作的限制，实现了更大范围的师生互动，使远距离、跨校区教学成为可能，增加了教学资源的利用率。如远程控制演示LC谐振频率特性、连续波核磁共振观测和磁场随磁体温漂变化，以及结合了现实增强技术（AR）的迈克尔孙干涉仪。远程控制实验的实现使虚拟仿真教学课程体系得到了进一步完善，虚拟仿真实验已经不再局限于对具体项目的模拟，也不是项目的简单的集合与罗列，变得更加系统化。如山东师范大学虚拟仿真实验教学中心日常参与16門基础物理实验课程、14门学科专业物理实验课程、6门开放选修物理实验课程的教学过程。通过“虚拟仿真实验教学资源与管理平台”实现了实验教学资源的服务与共享，为学生营造了多元化发展的自主学习环境。作为国内最早开展物理虚拟仿真实验自主研发和教学实践的高校之一，复旦大学早期就有面向本科生开设的以虚拟仿真实验为授课内容的“物理CAI课件设计”和“计算物理模拟实验”两门课，并依托国家级精品课平台，创建了丰富的线上教学资源，形成了由“虚拟仿真实验开发课”“虚实结合的实验教学”“医学物理虚拟仿真实验”“互联网远程控制实验”组成的虚拟仿真实验教学体系。

“互联网+”背景下的虚拟仿真实验教学的特点是基于互联网与个人移动设备的随时随地的在线使用，技术的成熟使得个人移动设备的功能越来越强大，使在线学习成为一种时代趋势。尤其是基于H5技术的在线学习方式，成本小，更新快，且不受系统、应用的限制，使移动学习更加便捷，越来越广泛地被应用在在线学习领域。在线学习不仅可以使学生完成自主学习的过程，同时可以拓展反馈、评价机制，通过记录学生在线学习时的操作情况，采集数据，计算出学生的学习情况进行评价，同时也能增强师生之间、生生之间的交流，帮助学生更准确地进行自我评价。利用移动学习可以将实验教学中的实验预习、实验指导、实验操作、实验报告、实验考评等融为一体，如用手机app辅助物理实验教学，学生不但可以在app上查看实验原理、实验过程等基本信息，还可以记录实验数据，输入数据后系统将显示实验数据与理论参考值的对比结果，使学生能够及时发现实验中出现的问题，改正错误。影响物理实验教学效果的重要因素是学生在实验过程中的盲目性。移动学习可以让学生在实验课过程中有疑问时，快速地找到想要学习的内容，方便快捷，又能多次复习，尤其适用于一些操作内容多和实验原理复杂的实验项目。此外，学生还可以通过相关链接浏览其他内容，进而掌握更多知识，既可以拓展自身的知识结构，又可以起到巩固以往知识的作用，形成良性循环。

四、“互联网+”背景下虚拟仿真物理实验的发展

2017年，教育部印发了《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，计划到2020年遴选出1000项示范性虚拟仿真实验教学项目。2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作已于今年7月启动。教育部党组成员、副部长林蕙青在《努力实现新时代高校人才培养新作为》中说，要牢牢把握新时代人才培养的任务要求，把形成更高水平的人才培养体系落到实处，形成先进的教学方法，加快推进现代信息技术与教育教学深度融合，推进在线开放课程和虚拟仿真实验教学建设，强调了高校人才培养中要进一步发展虚拟仿真实验的要求。

近几年，虚拟仿真技术的进一步发展成熟，统一、集成化的应用环境，高校信息化网络基础设施完备，为寻求可行的共享机制提供了技术条件，各校纷纷探寻建立可共享的虚拟仿真教学资源体系的方法。今后，虚拟仿真物理实验将在未来发挥更大的作用，形成对“互联网+教育”的有力支撑。

五、结语

新时代教育发展观是建设教育强国，为实现中华民族伟大复兴奠定坚实基础。新时代的教学观是要加强实践育人，强化学生关键能力核心素质培养，重点培养认知能力、合作能力、创新能力和职业能力，着重培养适应社会需要的创新型、复合型、应用型人才。在物理学科的教学中，也要把培养学生关键能力和核心素养落实到具体教学过程中。未来，随着科学技术的进步，仿真实验的内容与形式将会出现更大的发展与变革，虚拟仿真实验将在物理实验教学过程中贡献更大的力量。与此同时，传统实验也不应被忽视，要综合运用各种物理实验教学形式，充分发挥其功能，采用虚实结合的方式，以求物理实验教学能够在培养创新型、复合型、应用型人才的过程中发挥更大的作用。

[责任编辑：王辰]