虚拟物理实验平台建设的探索与实践

曲　彬，关世杰

(沈阳工学院，辽宁 抚顺　113122)



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虚拟物理实验平台建设的探索与实践

曲彬，关世杰

(沈阳工学院，辽宁 抚顺113122)

摘 要：重点阐述了虚拟物理实验平台建设的主要内容，并对虚拟物理实验平台与传统实验进行比较，总结了虚拟实验平台的优势，最后对虚拟实验平台的教学模式进行了研究和探讨。

关键词：虚拟实验平台；虚拟现实；在线教育

高等学校所开设课程中的实验课程与实践性教学环节是培养学生实践能力最有效、最快捷的途径，大学物理实验课程教学则是高等字院校开设的公共基础课程，它是物理及后续相关课程教学的基础和前提。加大物理实验室建设力度、促进物理实验教学改革，完善物理实验室管理制度，优化实验室资源配置，提高高校办学质量和科研水平，是当代物理教学所面临的重要工作。随着虚拟现实技术与网络技术的日益成熟，一种新型的网络平台——虚拟物理实验平台逐渐受到人们的热切关注[1-3]。新实验平台的使用不仅能提高物理实验的准确度，还能提高任课教师的实验教学效果，推动教学改革与创新。所以在这样的信息化水平下去研究与开发虚拟实验平台，对于开展物理实验课程教学改革、提高教学水平与效果具有非常重要的意义。

1传统物理实验教学的不足

随着国家对教育部门的投入逐渐增长，高校教学改革的得到了进一步深化，物理实验室教学软件建设和硬件设备条件都有大程度的改善，基础设施的改变为学校教学工作带来了一定的发展机遇。但传统物理实验教学在发展过程中体现出了弊端[4]:

(1)时间、地点的约束。传统物理实验无论何种类型，它们都要求在固定的实验室中进行，使用相关实验设置，否则无法上课。

(2)实验教学项目知识陈旧，教学手段落后。传统实验一般采取灌输方式的课堂教学，学生只能被动听老师讲课，不利于发挥学生的自学、创新能力，实验不能达到预期的教学效果。

(3)实验仪器陈旧，数量不足。一般高校物理实验室仪器设备数量少、设备陈旧并且易损坏，维修周期较长，以上种种原因给正常开展实验教学设置了多重障碍，影响学生实践动手能力的培养。

(4)实验室数量不足。物理实验室一般要求空间较大，所以需要使用大实验室做物理实验室，教室不足是高等院校的普遍问题，使物理实验开课人数受到制约。

2虚拟物理实验平台建设的优势

虚拟现实技术与网络技术应用于物理实验教学，使实验教学方法更加灵活有趣，能够充分调动学生的热情和积极性，使他们主动参加实验教学的各个过程，同时节约了教学资源的投入。与传统的实物实验室相比，虚拟物理实验平台具有以下优势[5-6]:

(1)仪器、仪表设备齐全，其功能参数可随意设定，做多种实验。

(2)实验没有耗材，实验所需仪器的数量、型号不限制，不消耗，不损坏，实验成本低。

(3)引入信息化教学手段，可以在一种轻松愉快、生动活泼的氛围中教学，实验结果更直观，学生自学容易。

(4)分析测试结果容易，可以直接打印出实验数据、原理、测试曲线图等。

(5)实验效率高、速度快，容易开设新的综合性或设计性实验，提高学生实践能力。学生作品制作成功会给他们带来成就感，增加学生做实验的兴趣，促进其更深入的学习。

3虚拟物理实验平台建设内容

建立面向高等院校的虚拟实验平台的目的是辅助、提升和改革传统物理实验教学模式。虚拟物理实验平台集丰富的设备仪器、崭新的教学方法、教师科学的管理与辅导和学生的灵活实验操作于一体，其开设的虚拟实验项目教学部分是系统的主要功能，具体建设内容如下：

(1)教师管理功能模块:教师实验前可以录入实验题目、内容、所需仪器设备等，在学生根据所学进度完成教师安排的实验后，教师可对学生的实验过程、实验结果及实验报告进行评阅和成绩评定等。

学生实验功能模块:学生登录虚拟实验平台后，在实验项目列表中选择自己的实验项目，按步骤完成实验，得出实验结果，书写实验报告。如果在实验过程中出现问题，可以在线向指导老师提问，实时交流。最后，老师批阅后，可以查看实验成绩。

(3)辅助教学功能:提供多种在线交流方式便于学生之间的合作与沟通，关键步骤提供实验提示与帮助功能，动画生动、形象，增添学生实验乐趣，激发学生实验的积极性、主动性。

4虚拟物理实验平台的教学模式

虚拟物理实验平台可以模拟实验过程中出现的现象，为我们提供真实、直观的形象与场景，具有逼真的实验效果。利用虚拟技术将实验设备、教学内容(包括理论教学)、教师实验指导和实验人员注意事项及思考、实验操作有的机融合为一体，形成一部三维、可操作的“3D物理实验教材”[7]。以使用弹簧演示纵波实验时，由于弹簧结构的疏密无法调到最佳疏密状态，因而学生会对这一问题产生怀疑观点。而在虚拟物理实验平台上，利用静态和动态、运动和定格就能轻易的把弹簧上每一点的振动效果以及各个位置间的疏密结构清晰的展现出来。使学生不仅对物理实验项目的仪器结构、原理及实验方法的撑握程度达到传统实验达不到的现实效果，并且能够充分提高学生的动手能力，达到学习实验操作技能，深化理解物理知识的目的，增强学生对物理实验的学习兴趣，提高教师教学水平。

5结束语

构建虚拟物理实验平台是解决目前物理教学资源紧张、摆脱传统物理实验教学弊端的一种有效方法，也是物理实验教学的一个新的尝试，需要一断时间的应用和完善的过程。我们只要充分挖掘虚拟物理实验平台在物理实验教学中的应用潜力，把培养学生撑握基础理念知识和实践能力为出发点，突出教学改革创新，注重提高学生创新精神与创新能力的培养，形成一个多样化、专业化的新型实验教学工具，必将推动物理教育领域的信息化水平发展进程，为培高素质人才做出突出的贡献。

参考文献：

[1]王良，刘东峰.三维虚拟物理实验仿真平台的界面设计与实现[J].计算机技术与发展，2014，24(9):238-240.

[2]王淑娟.利用计算机虚拟技术创建中学物理虚拟实验室平台[J].电子测试，2014 (3):128-129.

[3]吕正.虚拟仿真实验在实验中的应用[J].大学物理实验，2010(4)：59-62.

[4]裴文彦，宁锌，颜莉，等.新形势下大学物理实验面临的问题与对策[J].广东工业大学学报:社会科学版，2005，5(B09):305-307.

[5]黄慕雄.高校教学型虚拟实验室建设的现状与建议[J].电化教育研究，2005，9:77-80.

[6]何光宏，陶纯臣.虚拟现实、虚拟仪器及其对大学物理实验建设的影响[J].大学物理实验，2003(2)：17-21.

[7]洪炜宁，钱良存，刘家菊，等.基于网络平台的物理实验多维教学模式研究与实践[J].赤峰学院学报:自然科学版，2015，31(15):219-221.

Exploration and Practice on the Construction of Virtual Physics Experiment Platform

QU Bin,GUAN Shi-jie

(Shenyang Institute of technology,Liaoning Fushun 113122)

Key words：virtual experiment platform；virtual reality；online education

Abstract：It expounds the main contents of the virtual physical experiment platform construction,and it is compared with virtual physics experimental platform and the traditional experiments,it summed up the advantages of virtual experiment platform,finally the teaching mode of virtual experiment platform is researched and explored.

收稿日期：2015-12-23

基金项目：辽宁省普通高等教育本科教学改革研究(UPRP20140992)；辽宁省教育科学“十二五”规划立项课题(JG15DB303)

文章编号：1007-2934(2016)03-0141-02

中图分类号：G 642

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.038