仿真实验在大学物理实验教学中的地位和作用

刘利娜 岳素荣 臧春和 张东梅

洛阳理工学院数理部，河南 洛阳 471023

仿真实验在大学物理实验教学中的地位和作用

刘利娜 岳素荣 臧春和 张东梅

洛阳理工学院数理部，河南 洛阳 471023

本文首先指出了目前物理实验教学存在的不足，然后指出了物理仿真实验所起到的积极作用，但仿真实验也有自己的缺点，所以要正确看待仿真实验。

仿真实验；大学物理实验；教学

In the article, we first pointed out the shortcoming of physical experiments teaching at present, and then the advantage of simulation experiments was discussed. Simulation experiments are not perfect, and they should be correctly treated. Key words

simulation experiments; college physical experiments; teaching

大学物理实验是培养学生基础实验知识、实验方法和实验技能的课程，是高校理工科教学体系的重要组成部分，它对培养学生的创新意识、动手能力、分析问题和解决问题的能力有着不可替代的作用。而实验室出于对学生的安全考虑或实验经费的制约，一些操作实验无法开展.尤其是具有创新性、独特性的实验.需要消耗大量的人力、物力，难以在实验室大面积开展 使得学生无法通过实验透彻的了解仪器的工作原理及相关的物理内容.为了使物理实验从传统实验向设计性、研究性、开放性的创新实验转变并大面积开展，仿真实验应运而生。仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行实验研究的一门综合技术。它集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息技术、人工智能等多个高新领域的知识。在教学活动中，特别是实验教学中引入仿真技术，将使教学方式发生根本性的变化，并能够获得显著的教学效果[1]。

1. 目前物理实验教学存在的不足

由于历史原因和各方面的限制，我院以及不少兄弟院校在《大学物理实验课》课程的教学中，无论从仪器设备的配置，还是学时的设置一直都比较有限。长期以来，实验教学的总体水平始终处在一个较低的层次上，远不能适应面向社会需求，培养应用型人才的教育要求。其中，较为突出的问题主要表现在以下几个方面：

1.1 实验教学与理论教学的内容在时间上不同步

由于我校物理实验采取分组的形式进行，很多学生都是在没学理论的前提下做实验，所以大多数学生反映在写预习报告和做实验时有力不从心之感，主要表现在对实验原理和实验设计思想理解不透彻，对实验数据的物理意义不是很清楚，导致不会分析和处理实验数据，缺乏对实验过程的反思，导致学生感觉物理实验无意义，就是机械的测数据，有“走过场”的感觉。

1.2 实验预习效果不理想

学生做预习报告时，面对的是条条框框的书本，枯燥的文字描述和毫无立体感的平面图，并且书上的描述和实际的实验过程有出入。这样使多数学生写预习报告时对实验仪器比较陌生，大篇幅的抄袭实验教学指导书上的内容，对实验原理和步骤没有用心地去阅读和体会，虽然写了预习报告，但对实验内容仍然一知半解，这种缺乏主动感的应付性学习，严重束缚了学生的思维空间，容易使学生失去学习兴趣。

1.3 资源有限，设备不足

近几年来，随着高校招生规模的大幅度扩大，大学物理实验这门课程在面临着新的发展机遇的同时也遇到了严峻的挑战。或因实验室场地不足，或因实验仪器、耗材短缺，很多院校的实验教学捉襟见肘，被迫取舍实验项目，甚至多个学生只能分配到一套仪器，大大影响了教学效果。而且现有的实验仪器更新速度较慢，这些老设备普遍存在不同程度的损耗，学生在实验时经常出问题。定期更新老旧设备或者添加新的设备则需要强大的财力支持。一些近现在实验仪器价格昂贵，即使勉强开设了一些近现代物理实验项目，多数学生也没有机会深入研究相关实验的内容。开拓新的教学手段可以大大缓解扩招速度快与教育资源投入不足之间的矛盾。

1.4 实验课时有限

很少有学校实验室能够有足够的人力物力长时间全面开放，这就显出实验课时间不充裕的问题。学生在排定的实验课才可进实验室，还需要花费一定的时间熟悉、调整实验仪器，因而实验匆忙，难以在短时间内对实验仪器原理、使用方法、实验设计方案进行消化，对实验中看到的现象也没有机会深入研究。

1.5 教学方法单一，教学手段落后

传统的大学物理实验多以“言传身教”为主，采取“填鸭式”教学、分组实验、这种做法往往导致学生被动地接受知识，然后按照教师的讲解或实验指导书按部就班地做实验，就像完成某项任务一样，不去用心理解。这种教学模式既不利于培养学生的兴趣，也不利于培养其创新能力。多数院校仍采用“一张嘴+一支粉笔+一块黑板”的传统手段进行实验教学，多媒体的优越性难以在大学物理实验教学中得以体现，教学效率无法提升。

2. 物理仿真实验在我校的使用情况

为了弥补上述物理实验教学的不足，结合我校的实际情况，在2010年，在学校各级领导的支持下，我校购买了由中国科技大学研制的《大学物理仿真实验》系统[2],[3]，建成了一个目前较为完备的大学物理仿真实验室，在建设过程中我们十分注意在内容、构思、技术、设备等方面重点建设有特色的仿真实验项目。该实验室拥有30个学生操作平台，可满足30个学生同时进行实验。利用仿真物理实验室，我校在2010级理工科本科生中开展了大学物理仿真实验的教学，在学期初，学生在教师的指导下完成了“碰撞实验”的仿真实验，通过这个实验学生学会了仿真实验软件的使用方法，同时我们也把仿真实验软件放到了学校的局域网上，这样学生就可以通过仿真实验软件对接下来要做的实验进行预习和复习，仿真实验软件的内容非常逼真丰富，学生可选择查看图文并茂的实验原理、实验步骤、注意事项，还可以对照着仪器边看边学，预习完毕还有一些与实验相关的练习题供学生自测能力，开始实验时还配有语音指导和提示，可以利用鼠标按键对仿真仪器线路进行各种调节，需要仔细观察的仪器部分还可以打开子窗口进行放大查看，有的仪器还可以观察到内部结构，需要记录仪器数据也非常方便，实验可以自动读数并进行自动处理，生成图线，这样实际做实验的时候学生就做到了胸有成竹，非常游刃有余。学生还可以利用仿真实验软件进行学校没有仪器的近现代物理实验，拓展了学生的视野，同时学生还可以探究性的学习，但仿真实验也有自己的不足，下面就我校仿真实验的使用情况谈谈仿真实验的取得的效果和它的不足。

3. 仿真实验在物理实验教学中所起的积极作用

3.1 改善了实验教学受时间和空间限制的状况，仿真实验真正实现了实验室向学生开放

传统的实验教学，每次实验课一般只有3个课时，在有限的时间内要完成实验并达到实验目的，效果自然不理想，尤其是对于一些难度较大的实验，情况更加明显。仿真实验只需要相关教学软件的支持，无论是安装在本地计算机上的单机版本，还是安装在远程服务器上的网络版本，都不必占用空间。学生可以利用自己适合的时间在电脑上完成实验，这样仿真实验就克服了实验教学长期受课堂、课时的限制困扰，只要有电脑的地方就可以进行实验，同时学生可以自拟、自选实验题目，自行组织实验，最大限度地发挥学生的主观能动性，极大地激发了学生的学习兴趣。

3.2 加深了学生对实验仪器、原理和过程的理解

随着科技的发展，实验仪器正在朝着集成化、智能化、自动化方向发展，仪器结构大大简化。实验仪器不仅操作简便，而且很多物理量的变化被智能化的以数字的形式表现出来，实验操作中学生动手的机会越来越少。而且实验室大多数仪器贵重，不允许学生自由拆卸，这样不利于学生对实验原理、实验仪器的观察和理解，更不利于学生基本实验技能的训练。学生用集成化、智能化的仪器做实验时无须完全理解实验原理，仪器操作简单，实验过程简化，学生只要简单地测几组数据就可以完成实验，教学效果很不理想。仿真实验中的虚拟仪器可操作性强，对于一些复杂难懂的设备提供了可拆卸功能，学生可以通过拆卸设备，了解仪器的内部构造，这样就可以理解仪器的工作原理，对实验过程有很大帮助。另外，仿真实验具有集图像、文字、特技、动画、声音于一体的独特优势，富有情趣和吸引力，尤其能动态表现实验原理、实验过程，这样更能加深学生的理解。

3.3 缓解实验室硬件资源的不足

仿真实验是虚拟环境下的实验，实验仪器都是虚拟的，只要电脑和少量硬件设备就可以开设实验，所占实验场地小，可以在一定程度上缓解实验场地的不足，而且虚拟仪器的开发、维护费用低，功能比传统实验仪器更强大，可以缓解仪器设备不足及仪器老化落后的问题。

3.4 改善了学生的预习状况

对大多数学生来说, 在预习实验的时候,会感到书上一些概念性的介绍很抽象。虽然有些仪器附有图片, 但是仍然显得很单调。学生预习起来容易缺乏兴趣, 对实验原理并不能真正理解。如仿真实验可以提供形象直观、内容丰富的学习环境, 图文并茂、动静结合、节奏有序的实验内容, 并以声音、图像等丰富的表现力帮助学生进行多感官的学习, 这样无疑会增加学生的兴趣, 调动他们学习的积极性, 促进学生对实验仪器的熟悉和对实验原理的理解。特别是一些对学生来说陌生而复杂的仪器,经过仿真实验的练习, 操作起来既轻松又胸有成竹, 从而提高教学效率。

4. 对大学物理仿真实验的正确认识

虽然仿真实验有着自身的优点，但它仍有一定的局限性，所以我们要正确认识它。仿真实验的内容是人为设计的，实验条件、过程和结论都是事先给出的，这就意味着它的最终结果是预先按照一定的想法设计好的，排除了很多外界因素对实验的影响，因此学生在实际操作实验中遇到的一些问题在仿真实验中就不会出现，减少了学生处理突发事件的机会，而学生在真实实验中遇到的各种各样意料不到的问题和困难正是学生动手能力、应变能力及创新精神培养的源泉。另外仿真实验虽然形象直观，操作简单，但整个操作过程只需要点击鼠标或者敲击键盘就能够完成，没有和仪器设备的直接接触，缺乏真实感，不利于学生动手能力和操作能力的培养，无法达到实际操作实验的效果，所以再好的仿真实验不能代替真实实验。仿真实验只能作为一种辅助的教学手段，而不能作为直接培养学生动手能力的依靠。实践中应该着重把仿真实验选作预习、复习实验的途径，而主要的学习过程还是采用传统的实际实验教学，学生进入实验室前可以通过仿真实验预习，对实验原理、仪器结构、调试技术等有一个整体的认识，做实物实验时就会胸有成竹，这样大大提高了实验教学的质量和效率，也激发了学生对实验教学的学习热情。因此物理仿真实验作为一种先进及重要的预习、讲解及演示手段，充分发挥其作用，它才能更好地服务于实验教学，提高实验教学质量。在实际教学过程中，我们应该把仿真实验和传统实验有机地结合起来，扬长避短。

[1］王红忠，徐寒梅.计算机仿真实验在远程教学中的应用［J］.咸宁学院学报,2004,24(6)：87～89.

[2] 王晓蒲，霍剑青，杨旭等.大学物理仿真实验和教学实践[J]. 物理实验，2001，21(1)：28～29.

[3] 谭守标，霍剑青，王晓蒲等.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.

The Role of Simulation Experiments in College Physical Experiments Teaching

LIU Li-na，YUE Su-rong，ZANG Chun-he，ZHANG Dong-mei
(Department of Mathematics and Physics, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang Henan 471023)

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.145

河南省自然科学基金（2010B140009）

刘利娜（1981-），女，河南省濮阳市，讲师，博士，多功能纳米材料。