虚拟仿真实验对实验教学的作用研究

摘要：物理实验是物理教学的重要形式，在实验中学生能够通过实践操作和观察来掌握各种各样的物理现象、知识、技术，从而便于学生更好地理解物理问题，提高物理教学效率。虚拟仿真技术在物理实验教学中的应用改变了物理实验教学的格局，通过现代媒体技术能够模拟各类实验环境、避免硬件条件限制导致的实验可操作性问题，也为学生进行物理实验研究提供了一个更加安全的平台，从而有助于提升物理教学效率。本文结合课题研究经验和教学实践经验，就虚拟仿真技术在物理实验教学中的应用意义进行总结，以明确虚拟仿真技术在现代物理教学中的积极作用。

关键词：虚拟仿真；物理实验教学；积极作用

随着课程改革和计算机信息科学技术的发展、人工智能与计算机在实际生活的应用，“虚拟仿真实验室”作为信息技术在实验教学的应用也受到了越来越多高校的关注[1]。虚拟仿真实验是一种可以在电脑上进行的实验教学，通过计算机模拟出真实实验中的物理现象和实验操作过程，以达到教育和实践目的的一种虚拟实验方法。相比传统实验教学，虚拟仿真实验具有以下优势：一是节省成本：传统实验教学需要大量的仪器设备、实验场地等资源，而虚拟仿真实验只需要一台电脑或平板电脑，节省了成本[2]。二是提高安全性：一些物理实验存在着一定的危险性，而虚拟仿真实验可以消除这些危险，提高了实验的安全性。三是提供更多实验机会：传统实验教学由于实验场地、时间等限制，很难为每个学生提供充足的实验机会，而虚拟仿真实验可以为每个学生提供足够的实验机会，并且可以反复练习。四是增加实验内容：虚拟仿真实验可以模拟很多传统实验无法模拟的物理现象，增加了实验内容的多样性和灵活性[3]。五是提高学生学习兴趣：虚拟仿真实验技术生动形象，将物理理论与实际操作结合起来，能够激发学生的兴趣，提高学习效果。综上所述，虚拟仿真实验对大学物理实验教学具有重要的意义，它能够提高实验教学效果和实验课程的质量，为学生提供更好的学习体验。

一、虚拟仿真技术的概念及优势

虚拟仿真技术是基于虚拟现实技术而诞生的一种虚拟技术，其本质上是利用计算机设备、现代媒体设备构建一个仿真的虚拟环境来代替现实环境，使人在虚拟环境中產生与现实体验无异的体验感、参与感。

虚拟仿真技术诞生于上世纪90年代，早期的虚拟仿真技术是通过直接投影的方式来改变视觉效果，达到基础层次的虚拟仿真。随着信息技术以及媒体技术的进一步发展，感应技术、体感操作技术等现代媒体技术与传统虚拟仿真技术结合后，产生了更具体验感、参与感的沉浸式虚拟仿真效果，有效提升了虚拟仿真的真实感，使得虚拟仿真技术有了更广阔的应用空间。

虚拟仿真技术和物理实验教学的融合是新时期物理实验教学模式创新的重要方向，虚拟仿真技术在物理实验教学中的应用具有以下优势。一是，虚拟仿真技术下的物理实验教学，学生能够获得更加广阔的观察视角，学生不仅能够从外部观察物理现象，还能够从内部直接观察物理变化，从而有利于学生更加深刻地认识和理解物理现象与物理规律，提高物理实验教学的效果；二是，虚拟仿真技术能够将一些现实中难以操作和实现的物理实验实验展现出来，降低了现实条件对物理实验教学的制约，许多有危险性的、难以实现的物理实验也可纳入常规实验教学范畴，有效提升了物理实验教学的广度和深度，有助于物理专业人才的培养。

总的来说，虚拟仿真技术为物理实验教学提供了新的可能，是新时期物理实验教学方法创新和内容优化的技术支撑，对我国物理人才培养具有重要意义。

二、虚拟仿真技术用于物理实验教学的必要性

（一）传统物理实验课堂教学困难

传统物理实验教学受限于实验空间、仪器设备的限制，很难将与实验教学相关的要素转移至理论课堂，这就导致在进行正式的物理实验前教师很难在课堂中为学生展示实验的具体操作，学生只能够通过相应的视频或者图文资料进行学习，教师在正式实验前能够传授给学生的只有与实验有关的理论以及教师个人的实验经验，学生在实际操作前对实验的认知是模糊的，对实验的内容印象不深、实验规程理解不到位，极容易在正式的实验操作中出现意外，导致资源浪费或发生危险。

（二）降低物理实验教学成本

科学的创新与发展离不开实验，任何科学理论、技术的验证均需要实验的反复验证，每一次实验均需要消耗特定的能源、材料等资源，这意味着科学的创新、进步与发展一定是建立在大量的资源损耗之上[7]。在模拟仿真技术应用之前，学生想要进行物理实验，必须要在特定的实验空间（通常是物理实验室），通过特定的仪器设备、损耗特定的材料、遵循特定的实验规程才能够完成一次实验，如果需要反复实验进行验证，实验教学的成本就会倍增。同时，对于高校来说实验空间、器械的维护也是一笔不小的支出。

（三）提高实验教学安全

物理实验并非绝对安全，实验本身的不稳定性、学生操作失误或者其他意外情况均可能导致危险的发生，如诺贝尔就是多次实验中被炸成残疾、奥本海默就是因核物理实验受到辐射而身患重病，由此可见实验本身就存在着安全风险，没有人能够保证实验的绝对安全[8]。传统实验教学模式下，实验风险无法被排除，一旦学生不按照规程进行实验，甚至可能面临生命危险。

（四）提升物理实验教学效率

虽然从形式上来看，大学的教学模式和中学阶段有着明显的差异，但本科阶段本质上仍是采用“大班教学”的逻辑，一名任课教师要面对几十名学生，甚至在部分理工类院校一名任课教师需要同时面对一个院系的数百名学生，因此教师在教学时难以顾及所有学生，不具备一对一指导的可能性。反映在实验教学中主要有两点，一是教师利用课堂展示实验过程时，由于班容量较大，处于教室后排的学生可能无法仔细观察实验过程，教师的实验展示效果较差；二是，在正式的实验操作中，学生个人或学生小组进行实验，教师虽然能够通过巡视的方式观察学生的整体实验进度，但没有精力实施一对一指导，学生是否按照规程操作、学生在实验中是否准确验证了物理理论就不得而知，即使学生在实验中出现了错误，教师也无法及时发现并指正，实验教学的实际效果相对有限。

三、虚拟仿真在大学物理实验教学的应用

随着计算机网络技术的发展和普及，现代媒体技术、信息技术已在科学研究领域广泛应用，这些技术改变了科学研究的格局，为实验研究、科学计算提供了新的技术支撑与研究方法，有效提升了科学研究的效率与研究的安全性。模拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用不仅改善了实验教学的可行性，还降低了实验教学的成本、安全隐患，有效激发了学生对实验的兴趣，对学生物理知识的学习、物理技能的锻炼以及科学素养的培养有着广泛而深刻的意义。

（一）以虚拟仿真替代真正实验器材

在过去很长一段时间内，物理实验教学是很多高校头疼的问题。一方面是物理实验需要建设专门化实验研究室，但并非所有高校均具备这样的资金与技术，甚至很多高校至今仍没有专门化的物理实验室，另一方面则是物理实验的整体成本较高，尤其是在大型物理实验项目中，损耗的能源、材料、仪器设备、试剂等，为学生提供这样的实验条件，高校需要承担巨大的财务压力。这也就导致很多高校并未开设专门的物理实验学科，涉及物理实验教学内容大多采用视频展示或纯理论讲解来代替实际操作，导致高校实验教学的可操作性较低的问题。

模拟仿真技术应用于大学物理实验教学，可以避免“实验成本”的问题。高校不必建設专门的实验室，也不必购买专业的物理实验器材，仅需要购置计算机及其他少量的硬件资源、软件资源，即可完成虚拟物理实验室的搭建，实施实验教学。相较于传统物理实验室，虚拟仿真技术搭建的物理实验室需要投入的资源非常少，而且虚拟仿真技术能够提供比传统物理实验室更加丰富的选项，甚至能够完全模拟各种真实环境以获取最接近自然状态的物理实验数据，有效提高了物理实验教学的可操作性。

（二）通过虚拟仿真提升实验的安全性

科学实验通常带有一定的安全风险，而模拟仿真技术下的物理实验教学则能够保证绝对安全的实验环境与实验过程，即使学生未能按照实验规程进行操作，也不会发生意外事故，从而使得学生能够在绝对安全的前提下进行实验操作。

首先，模拟仿真技术能够提供与真实条件一模一样的实验条件，学生通过计算机软件模拟仿真的实验操作与实验过程与真实情况完全一致，因此能够保证模拟仿真实验的有效性。但模拟仿真实验中，学生不会直接接触具有危险性的实验材料、实验试剂等，因此即使操作失误也不会发生真正的意外，从而确保实验的安全性。

其次，模拟仿真技术下的物理实验能够搭载其他软件辅助物理实验教学，比如在实验模拟仿真软件中内嵌动态监测软件，就能够动态记录学生在物理实验过程中的操作路径，教师可以通过通讯反馈机制及时了解每一位学生的实验情况，从而做出指导与帮助，使学生能够严格按照实验规程进行操作，避免实验中意外的发生，使学生能够更好地掌握实验操作规程、养成良好的实验习惯，从而避免学生在实验实操中发生同样的错误，从而避免实验意外的发生。此外，内嵌软件中可以通过编程设定实验警报，当学生出现错误操作时模拟仿真系统自动发出警报和提示，这样即使没有教师指导的情况下学生也能及时发现自己在实验过程中的操作失误，便于学生改正，也有助提升实验科学性和安全性。

最后，模拟仿真技术下的物理实验能够排除外部不可控因素对实验结果的影响，一定程度上避免了实验中意外的发生，对学生掌握真正的实验技术、物理理论也有积极作用。

（三）以虚拟仿真技术搭建物理实验室

物理实验需要耗用大量的资源，不仅仅是仪器设备、试剂等。以大学电学实验为例，电学实验中经常涉及复杂的电气条件，创造这些电气条件往往需要使用大量的电力资源。利用计算机进行模拟仿真实验则可以避免大量的能源消耗，实现节能的目标，对我国生态文明建设有着积极意义。

其次，相较于庞大的实验设备，计算机本身的购置成本也较低，根据相关数据统计，搭建一个容量40人的标准物理实验室的成本可以搭建容量在600人以上的模拟仿真实验室，并且实验室的设备折旧情况、后期维护成本也远低于常规实验室。随着计算机技术的进一步发展，模拟仿真实验室能够进行的物理实验种类越来越多，构建的物理实验条件也越来越多样，至少从功能性和教学效果上来说，模拟仿真实验室和传统物理实验室并无明显差别，但建设成本大大降低。

（四）通过虚拟仿真优化实验条件

仿真实验是一种全新的实验方式，通过计算机设备能够将仪器设备、实验操作、教师指导等有机结合，学生在模拟仿真中虽然无法直接接触到实验用的仪器设备，但这并不影响学生近距离观察各类仪器设备的细节参数，也不影响学生近距离观察实验现象，因此模拟仿真实验的效果和真实操作基本一致，可以保证实验教学的效率。同时，模拟仿真实验能够通过软件重置实验条件，当学生发现异常时可以进行重置，便于学生对实验参数进行调整，这是传统实验教学不具备的优势。这一特点有助于学生更好地理解实验中各类要素变化对物理现象的影响，从而更好地把握物理规律，更深刻地理解物理知识。

作者单位：冯青 宝鸡文理学院物理与光电技术学院

参  考  文  献

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[2]周兴海，李荣.虚拟仿真实验教学针对坭兴陶烧制技艺传承的应用研究[J].陶瓷科学与艺术，2022，56（4）：54-55.

[3]田元，周晓蕾，宁国勤，等.虚拟仿真实验教学对学生学习效果的影响研究——基于35项实验和准实验研究的元分析[J].现代教育技术，2021，31（8）：42-49.

[4]顾黎，周明华.国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台对现代远程教育实验教学的启示[J].成人教育，2022，42（5）：47-52.

[5]陈忆浓，张玉双.虚拟仿真实验教学对本科生外语学习绩效的影响机制研究[J].外语电化教学，2022（3）：52-57.

[6]徐海明，德小明，关素珍，等.公共卫生与预防医学专业虚拟仿真实验教学项目建设现状、存在问题及其对策研究[J].科教导刊-电子版（中旬），2021（6）：100-102.

[7]黄林冲，戚小童.新时代高校人才培养模式对学生的全面培养探讨——基于虚拟仿真实验教学项目的载体作用[J].实验技术与管理，2020，37（6）：1-4.

[8]王嘉晨，刘璐，王小锋，等.虚拟仿真技术对改进实验教学的探索[J].广州化工，2020，48（8）：148-150.