大学物理仿真实验的应用研究

董朝云++王旭军

摘 要：目前很多高校的大学物理实验室都存在仪器耗材失修短缺的问题，仿真实验发挥了很大作用，但它也有一定的消极作用。我们期待仿真实验系统能进一步优化，结合真实实验创建新的教学模式，达到更好的教学效果。

关键词：仿真实验 真实实验

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0241-01

目前多数高校的大学物理实验室在实验课中都是多个学生共用一套仪器，大大影响了教学效果。已有的仪器“过期”现象严重，一个标准电池用上七八年很常见。像检流计、示波器这些仪器基本上都是修了再修凑合使用。更不用说那些耗资较大、仪器昂贵的实验，根本就无法开设。[1]

开放性实验的重要性不言而喻，它对于提高学生的创新能力和独立思考能力都有着积极的作用。但因受到经费、人力和管理上的限制，大多数院校都是小范围开展或者不开展开放性实验。

基于以上原因，仿真实验系统已逐渐地应用于大学物理实验课程中，将来势必会在所有高校普及。

1 仿真实验的优势

1.1 仿真教学环境

大学物理仿真实验是用软件对仪器形状进行建模，根据真实仪器的外形材质蒙皮，制作动画，并通过编程使得仪器能与操作者进行交互。它能够实现的功能有：学习者可以以拖动鼠标的方法连接仪器，自行设定参数，调节仪器，观察实验现象，记录实验结果。基本上能够实现实验必须的步骤。

最重要的一点是它能够再现实验环境。在真实实验室中，受课时限制，学生一般只能进行一次完整实验过程。而仿真实验却可以一直重复实验，提升教学效果。

另外，仿真实验系统认错性很强，在模拟的过程中学生操作一旦出错，系统立即指出调节错误，如果前一步调整不好就不允许进行下一步，迫使学生反复演练直至成功。这样就不用担心元器件的损坏。

1.2 提高教学效率

学生在课前预习的时候，会感到书上一些仪器介绍和概念性的原理或现象介绍很抽象。对实验原理也只是一知半解。而且有一些调节难度比较大的实验如分光计等，在真实实验教学中往往课时不够。所以我们可以把真实实验与仿真实验相结合，先安排学生课前进行仿真实验，熟悉仪器和实验过程后再进行真实实验，实现两段式教学。

再者，在大学物理实验中很多仪器都是黑匣子，学生不明白仪器的内部变化，不利于学生对实验原理和仪器原理的理解应用，仿真实验可以实现仪器的内部直观化。

所以，仿真实验可以很好地提高教学效率。

1.3 丰富教学内容

大学物理实验设备昂贵。开设的实验数目多的话对于多数院校来说是难以承受的。仿真物理实验系统能用相对低很多的价钱搭建出丰富的实验项目， 满足新形势下实验教学的需求， 无疑是一个实用的方案。灵活性的解决了资源严重不足和教学需求量大这一矛盾。仿真实验系统提供的实验内容涉及力热电光、近代物理和前沿领域攻击70多个实验项目。满足了大学物理实验的教学需求。

1.4 突破时空限制

我们所用的网络版仿真实验可以不受时间、地点、人次的限制。在办公室安放一台服务器，装上大学物理仿真实验Online版，并通过IP将其绑定于校园网。学生在终端申请用户名和密码，就可以随时随地的进行实验。使实验教学内容在时间、空间上得到了延伸。因此，仿真实验是一个极好的辅助性学习资源。

1.5 便于开放实验

目前，建立开放实验室需要解决的问题很多，如：开放实验室的实验选题多，教师要超时上课；学生自由操作仪器，损坏率会提高；为不断提高学生兴趣，根据实际情况须不断地更新实验项目和仪器；开放实验教学的实行给实验教学管理带来了新的问题；开放实验项目耗时长，经常使开放时间延长到课余和节假日。这一系列的问题都给开放性实验造成了障碍。而仿真实验系统具有设计性、研究性，为学生提供了自由的教学环境，克服了面向大面积学生开设开放实验受到实验课时等困难。

2 仿真实验的消极作用

模拟过程还比较僵化。在实际测量时，多次测量取得的结果往往有一定的偏差。我们就会鼓励学生排查错误或回溯误差来源，就比较有效的培养了学生解决问题的能力。而在仿真测量实验中，只要按照实验过程来操作，同一个实验重复做多次得到的结果都是一致的，忽视了实验的不确定度。

不能完全的模拟真实实验现象。在牛顿环法测量曲率半径实验中，我们在显微镜中看到的牛顿环中心会是暗斑或者亮斑，有时会是不规则环形。施与牛顿环装置不同的压力，环纹形状会相应改变。而仿真实验中看到的始终是标准的牛顿环图。诸如此类，学生会忽视实验操作与实验现象的因果关系。

仿真实验过于理想化。目前的大学物理仿真实验多是理想化的：标准的仪器，正确的方法，理想的环境，完美的结果，一切都是无误差的，即使有偏差也是人为设置。整个实验过程就是移动鼠标、敲击键盘。而只有亲自去操作真实的仪器，才能在实践中提高实验技能和能力。因此仿真实验在培养学生的实验技能和能力、创造发现的机会与环境方面有所欠缺，用仿真实验替代真实实验不合适。

3 对仿真实验的期待

综上所述，大学物理仿真实验虽然有着很多的优势，但并不能带来视觉、听觉、触觉和嗅觉全方位的真实感受。针对当前仿真实验的不足，我们除了选择合理的教学方法提高教学质量外，还应完善仿真实验系统。作为教师，我们对仿真实验有着以下的期待。

更好地虚拟实验的不确定性。目前部分仿真实验也能形成误差，但相对于真实实验中误差的随机性而言，仿真实验的误差机制过于单一。这就要建立在大量实际实验测量数据分析的基础上，找出随机误差的分布规律，并考虑到一定的实验系统误差因素，添加各种随机模拟测量程序代码组合，合理生成数据误差。

进一步提高实验细节的仿真性。例如惠斯通电桥实验，在实验中我们着重训练学生的接线故障排除技巧。还要注意螺丝固定、检查接触是否良好等基本实验规范。但在仿真实验中，学生连接线路只需拖动鼠标即可简单实现顺利接通，根本没有犯错的机会。所以我们认为，在仿真实验中是否可以随机设置出一定的干扰，制造出不合理的测量现象或结果，引导学生去分析解决问题。

是否能在仿真系统中建立一个仪器设备库。使得这些仪器设备能实现跨实验的完美组合，并且这里面的所有仪器能够高度模拟真实仪器的每一个功能和每一块细节。为开放性、探索性实验提供良好的平台和交互界面。鼓励学生选择和组织不同的仪器，自主设计创新实验项目和实验方法。

4 结语

当然，无论仿真实验如何改善，它是不可能替代真实实验的作用和功能的。我们期望真实实验与仿真实验优势互补。通过两段式乃至三段式教学，形成一个完整的学习链，在仿真实验更优化的基础上，开发一种高效的教学模式来适应目前的信息化环境。

参考文献

[1] 李亦宁，姜照林.“仿真物理实验”得失初探[J].中国医学教育技术，2002，16（3）：142-1431.endprint