大学物理虚拟实验中心的发展对实验教学的影响与思考

张纳+任大庆

摘要：基于网络的大学物理虚拟实验中心建设已经起步，虚拟与真实的实验中心的建设为大学物理实验教学构建新的全方位立体化的教学模式。随着高等教育的大众化，虚拟实验中心建设的深入化和普及化成为新的课题。本文主要分析虚拟与真实的实验中心的发展现状和存在问题，指出创建基于网络的虚拟实验中心是少投入多受益、资源共享的一种全新的办学理念，是高校未来发展的必然趋势。

关键词：虚拟实验中心；大学物理；实验教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）15-0218-02

一、引言

真实的大学物理实验是一门理工科学生进行系统科学实验基本训练的实践课。随着信息时代的到来，计算机技术与网络技术的飞速发展，该课程的原有课堂教学模式已不能适应时代的要求。虚拟仿真实验教学模式在高校教学中悄然兴起，它是学科专业与信息技术深度融合的产物。2014年3月，教育部首次批准了100个国家级虚拟仿真实验教学中心，其中只有中国科学技术大学一所院校的物理虚拟仿真实验教学中心获批。大学物理虚拟实验中心普及化的建设正在起步，虚拟与真实（虚、实）的实验中心的建设对大学物理实验教学带来重大的变革。

二、虚、实结合，构建全方位立体化的教学模式

1.实验室管理（仪器、教务）数据化。虚拟实验中心的建设为实验教学的教务、固定资产的管理提供数据化、网络化的管理模式。目前，大学物理实验网上选课系统在大部分高校已经普及，学生可以在网上根据自己的时间、兴趣预约所学实验项目，实现了网上自主选课。教师根据学生预习、课堂操作、数据处理的情况给出成绩，录入选课系统中。学生能第一时间知道成绩，如果其对成绩有异议，可以网上留言或找教师询问，实现有问题可以及时解决，让师生之间的沟通更及时、畅通。大学物理实验仪器、设备实现数据库网络化管理，可以面向社会共享资产，实现资源利用率的最大化。

2.师资队伍多元化。大学物理虚拟实验中心与实验教学系统是并行发展、相互促进的关系。虚拟实验中心的建设除了需要物理专业教师、教务管理人员，还需要计算机技术人员、网络维护人员等。师资队伍的组成向多元化发展，大学物理实验中心要同时进行虚、实实验中心的建设、发展与维护，使两者相互融合，更好地为教学服务。

3.时空间延展跨越校园。随着网络走进千家万户，基于网络的大学物理虚拟实验中心的建立使得校园的围墙不复存在。虚拟实验中心不受地域、人员、仪器、设备、时间的限制，如果24小时运行，访问者可以全天候地进入虚拟实验中心学习、交流，尤其是对教育发展较落后地区的人员来说可以身临其境地开展物理实验的学习。虚拟实验中心的建立能实现资源利用的最大化，体现教育面向大众的教育理念。

4.教学模式多样化。物理虚拟仿真实验是中心建设的重要组成部分，通过计算机仿真或模拟现实中的物理实验环境，使实验者有身临其境的感觉，突破原有的教师现场讲实验、学生做实验的单一教学模式。学生可以在计算机上模拟完成整个实验过程，实时显示实验结果，如果出现错误，会给出提示，让学生进行修改，当正确时可以进行下一步。学生在虚拟的未知环境中探索，无须担心误操作，损坏仪器，使其好奇心可以得到充分满足。虚、实实验的结合使学生在课堂外有机会模拟实验仪器操作，有充分的时间消化实验内容，而且课堂内也可以独立完成实验操作，解决真实实验中出现的问题。虚拟仿真实验可以完善真实实验教学中预习、测试的薄弱环节，让学生在虚拟实验中完成并给出相应成绩，是对真实实验教学的有益补充。

三、大学物理虚拟实验中心发展存在的问题及思考

虚拟仿真实验最早可以追溯到1996年，中国科学技术大学研制出版了《大学物理仿真实验》DOS版本，同年创建了国内第一个仿真虚拟物理实验室。经过十多年的发展，该套实验系统包括近60个仿真实验内容，并且开发了网络版软件，基于网络的大学物理虚拟实验中心已初具规模。该系统已在20多所高校使用，并取得较好的教学效果。同时，全国多媒体课件大赛的成果为虚拟实验中心的建设提供非常好的素材。虚拟实验中心的建设不是一蹴而就的，它需要一代甚至几代人的建设与完善，才能构筑出信息高速公路上畅通运行的大学物理虚拟实验中心。

1.师资结构要符合虚、实实验中心的发展要求。大学物理虚拟实验中心，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。以中科大物理类国家级虚拟仿真实验教学中心为例，它主要依托物理学院、计算机学院、核科学技术学院、信息学院等相关学科的科研力量和实验教学资源，在国家级物理实验教学示范中心的基础上而组建的。由此可见，如果实现大学物理虚拟实验中心的普及化，构建一支稳定的多元化师资队伍势在必行，可以打破传统的以学院为编制的人员建设，组建大学物理虚拟实验中心建设团队，最大限度地完成技术、资源、人才、时间的有效利用。

2.虚拟仿真实验的制作要以增加学生的主动性为目的。现阶段，虚拟仿真实验以独立的实验项目结构模式为主，给定实验仪器，让学生必须按照给定的实验步骤完成实验，这限制了学生独立思考的空间。在真实的实验教学中，学生在预习环节比较薄弱，有的学生到实验室做实验做错实验台还浑然不知。因此，在未来的虚拟仿真实验制作中，应设立仪器库，使每个仪器可以独立操作，也可以组合使用，让学生可以自己组装实验项目所需的仪器。这样制作的优点是教师可以通过学生选取的仪器，了解其对实验项目的掌握程度。该设计方案可以为学生完成研究性、设计性及探索性实验提供自由发挥的平台，鼓励学生选择和组织不同仪器，自主开发新的实验项目和方法，在虚拟实验室验证后可以在真实的实验室中实现，这有利于启发学生的创造力和想象力，培养其发散思维能力，激发他们学习的主动性，把“要我学”变为“我要学”。

3.虚拟仿真实验要最大限度地靠近真实实验。目前，虚拟仿真实验设计的实验操作较为直接化。在真实实验操作中，以牛顿环实验为例，实验前学生要在光下把中央零级干涉条纹调到牛顿环的中央，如果缺省该步骤，学生将找不到干涉条纹或中央零级干涉条纹。而仿真实验则可以直接放上牛顿环，调好显微镜就能实验，实验操作直接化。在虚拟实验中心建设中，应加入实验前的各项准备工作，如签到、清点仪器、查看各仪器、设备是否完好、调试仪器初始状态、整理仪器等，这是因为严谨、科学的实验态度是从一点一滴的实验习惯中培养出来的。仿真实验缺乏实验突发事件处理的教学过程。如惠斯通电桥测电阻实验中，学生连接电路全部正确，但电路仍然是断路，这就需要学生使用万用表检查电路，查找电路断开点，发现电路断开原因，如导线断开、电键接触不良、检流计电量不足等。在教学中，学生遇到困难想办法解决问题的处理过程，是他们独立思考、活学活用知识的展示，他们能在摸索的过程中得到锻炼，这是常规课堂式教学和现阶段仿真实验教学所不能比拟的。endprint

4.计算机技术不断更新，适应网络化虚拟实验中心的建设。在虚拟仿真实验设计中，做到“所见即所得”是计算机设计者的终极目标。很多虚拟技术可以制作虚拟实验，如FLASH、Authorware等，但这类技术制作出的文件过大，交互性差，不适于网上浏览。目前，VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虚拟现实建模语言，是一种用于建立真实世界的场景模型或人们虚构的三维世界的场景建模语言，具有平台无关性，是目前Internet上基于WWW的三维互动网站制作的主流语言。用VRML语言制作虚拟模型有两种方法：一是编写源代码，生成文本文件，再转化生成以.wrl为扩展名的网页文件。此方法的缺点是源代码过于复杂，文件较大，不易掌握。二是通过辅助建模软件，如3DStudioMax、Pro/ENGINEER、Solidworks等三维设计软件，先建三维物体，再在虚拟世界中组合。采用这种技术开发的虚拟实验中心是3D界面，能够模拟真实的实验场景和实验仪器，能够让用户有身临其境的感觉，提供复杂的交互功能完成实验的要求，同时开发难度小，易于实现。

5.摸索虚、实实验中心可持续发展途径。虚拟实验中心是一项庞大的建设工程，如何将虚拟实验中心的建设快速普及化、共享化是现阶段的重要课题。太原理工大学大学物理虚拟实验中心的建设经验值得借鉴，该校与科大奥锐公司建立长期的合作共建模式。该公司源于中国科学技术大学人工智能与计算机专业，研发了第一套虚拟现实的实验教学软件《大学物理仿真实验》。太原理工大学与科大奥锐公司共建合作，公司承担平台的维护和升级，协助中心进行教师信息化教学应用能力的培训，大学则出资共同开发新的仿真实验资源。校企结合将知识转化为生产力的周期缩短，而且可以提高虚拟仿真实验的高仿真度。

四、结束语

随着高等教育的大众化，创建基于网络的虚拟实验中心是少投入多产出、资源共享的一种全新的办学理念，是高校未来发展的必然趋势。虚、实大学物理实验中心的建设为教学队伍和管理机制带来新的格局，而且随着建设的不断深入，将促进教师对实验教学的重视和研究，提升教学水平，培养学生的“自主学习”能力。网络化的大学物理实验中心，这个没有围墙的实验室将更好地为社会服务，为全民族乃至全世界人民探索物理知识开辟服务平台。

参考文献：

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