虚拟仿真与传统实验教学的结合

余建平　付佳

摘 要：由于实验教学在人才培养中具有特殊意义，所以高等教育的发展迫切要求高校加强实验教学。而传统的实验已经满足不了现代的教育模式和方法，新兴的虚拟仿真是以传统实验教学为理论基础的，是对传统实验教学的完善、补充和扩展。本文介绍了传统实验教学和虚拟仿真的优缺点和教学模式的比较，得出结论，只有将两者结合起来才能发挥实验的最大作用，更大程度的培养学生动手能力、实践能力、创新能力。

关键词：实验教学 虚拟仿真 传统实验

众所周知，目前教育改革的主要目标是加强优质教育，培养学生的实践能力和创新精神。与此相应，如果要加强学校的素质教育，就必须首先重视实验教学。然而，当我们根据实验教学当中的人才培养的角色来审查和反思传统实验教学模式时，你就会发现传统实验教学远远不能实现其应有的培养目标，而虚拟仿真恰恰弥补了这方面的缺陷[1]。传统的实验教学目的主要是过于强调理论知识来培养学生的各种实验技能，这显然不能满足知识经济人才培养的要求。但是虚拟仿真与传统实验教学的真实性和艺术性是无法相比的，而真实实验教学也缺乏仿真的灵活性、安全性。真实实验教学与虚拟仿真教学相互补充，缺一不可。

一、传统实验教学

传统实验是使用实验装置进行实际操作的实践活动。传统实验会产生新的知识和理论，这一点也是验证真理的最基本的和最有效的方法。传统实验方法在自然科学的发展进程中，发挥了巨大的作用。在实验教学中，传统实验方法也充分发挥教育的功能，为人才的培养和成长做出很大贡献[2]。

（一）传统实验教学的优点

（1）真实试验能给学生“真实感”，消除学生在理论学习和虚拟实验中“不踏实”的感觉，大量的實验结果也只能通过真实实验才能得到。实验可增强学生的直观感，深化抽象理解，从而唤起学生的积极思维。

（2）实验中学生动手操作，可能会出现现实中出现的一些代表性问题，可以采取相应措施并解决。在虚拟仿真中可能不会出现任何问题，在以后实际中遇到问题并不知道该如何解决。

（3）在教学中目标明确，易清晰传授教学内容。实验前教师准备好实验器材、调试好仪器设备，一般还要对实验步骤进行详细讲解，甚至操作示范。实验教材也将实验原理、步骤甚至某些实验现象等写得一清二楚，使学生清楚明白的进行实验[3]。

（4）有利于培养学生的实践能力和创新精神。实验教学的过程主要是通过手脑并用来完成的，这有利于培养学生的实践能力，在理论学习的基础上，同学们能够通过有意识地思考来完成整个实验过程。这样学生不仅在实验中学会了获取知识的本领，而且还增强了操作能力，更培养了实践能力。这对以后的工作有很大帮助，学生在接触公司室温设备时就不会感到陌生。

（二）传统实验教学的缺点

（1）实验教学内容存在时代滞后性、漠视主体性

由于传统实验教学中实验室不向公众开放，实验仪器设备不能及时更新的限制等等，新的实验方法、新的实验技术、学科发展的新成果不能及时的被实验教学中吸收到来。因此，实验教学内容非常缓慢的更新，远远落后于时代发展的速度。

学生对实验内容没有选择权和发言权。在传统实验教学中，实验内容由老师统一决定，所有学生都做着相同的实验。实验课结束后，实验室将关闭，所以实验能力强的学生也没有机会做一些深入的探索性的实验，有特殊兴趣的学生也不能做一些自己感兴趣但学校规定的实验内容不涉及的实验。这样学生自然调动不起来做实验的积极性。

（2）实验教学方法僵化

在传统的实验教学中，实验教材中将实验原理、实验步骤和一些实验现象等写得一清二楚。老师代替了这些本应由学生完成的任务，学生只需“照葫芦画瓢”，按要求一步一步、按部就班地完成任务。这样就使学生失去了独立思考的能力和进一步探索的空间。这种教学方式无疑束缚了学生的想象力和思维，扼杀了学生的创造力。

（3）实验室仪器设备的利用率偏低，资源浪费很大

实验教学是高等学校实验室的基本任务，是实验室建设与管理的起点和终点。然而，在传统实验教学中，这些花费巨大的实验仪器设备学生仅能在固定的实验课中使用。这样，实验仪器设备闲置并且利用率不高，无形中造成了隐性的资源浪费。

二、虚拟仿真

虚拟仿真实验教学依靠现代计算机教学手段，通过动画与计算机模拟建立高度仿真的虚拟实验模型，使学生在网络终端进行实验，满足教学大纲所要求的教学效果。虚拟仿真实验教学应根据专业教学大纲进行设计，教师应发挥专业的主观能动性，进行设计和编译虚拟实验[4]。虚拟仿真实验教学平台的建设是一个涉及计算机编程、专业教学、工程仿真等多方面的学科合作的项目，需要学校进行统一规划。必要时可以和专业软件公司合作，共同完成虚拟仿真实验教学平台建设[5]。

（一）虚拟仿真的优点

（1）虚拟仿真可形象化抽象的内容。多媒体技术能够多角度地提供声、像、图文等内容，丰富其性能和演示技巧，能够有效地激发学生的学习兴趣。在虚拟仿真中，编程人员使用计算机的可控制性进行精心设计，从不同方向，不同角度和不同层次表现实验模型和实验过程，这有利于形成学生的形象化思维[6]。

（2）虚拟仿真功能完整，成本较低。由于虚拟实验中用一般使用软件，其功能较全，种类繁多，完全可以达到传统的真实实验所无法达到的功能。实验中由于不使用实验设备，大大降低了教学成本。

（3）虚拟仿真具有高速度和高效率。实验过程的程序化和实验内容的标准化，使实验受环境影响和人为影响大大降低[7]。实验的速度由计算机的处理速度和程序质量决定，因此速度会比真实实验快得多，效率也更高。

（二）虚拟仿真的局限性

由于虚拟仿真是以虚拟仪器或软件为主要工具，其模拟的元器件、仪器和系统功能与物理硬件系统中存在着不可避免的差异，所以它不能完全取代传统实验，虚拟实验存在着一些局限性：

（1）缺少“实物感”。不管是以FLUENT为基础的流体仿真技术，还是以EWB为基础的虚拟电子实验技术，都缺少“实物感”[8]。如常用的管道、压力容器、阀门，多种多样的传感器等，在虚拟实验教学中，学生是见不到的。

（2）虚拟仿真很难仿真真实实验中元器件参数的离散性。真实实验中元器件参数存在的离散性，如标称值与实际值的误差、元器件在系统工作中因工作条件不同参数的差异性、同一类型元器件参数的不一致性、元器件因老化参数的离散性等，这些在虚拟实验中是反映不出来的。那么学生就会缺乏这方面的知识，这不利于学生发现问题意识的培养[9]。

（3）在虚拟仿真中，很难控制真实实验系统中各性能指标的精度。真实实验系统各种参数的精度控制、各种元器件和系统的各种故障现象和在工程中的测量误差及引起误差的因素等，在虚拟实验中都很难实现。

三、结合

虚拟仿真是对真实实验的模拟，真实实验是虚拟仿真的基础。虚拟仿真的局限性恰恰又是真实实验的优点，二者是互补的。发挥他们各自的优势，会受到更好的效果[10]。在实验教学中，我们要坚持以下原则：

（一）能“真”勿“虚”

有一部分简单的基础性的实验，只用到一些简单的基础性实验装置，过程简单，实验操作容易。这些在现有条件下能够用真实实验很好地完成实验任务并达到预期的教学效果的实验，我们就用真实实验来完成实验教学，提高动手能力，而不使用虚拟仿真。

（二）“虚”“实”互补

实验教学中的实验，有的以理解概念和实验原理及实验仪器使用为主，有的以测量为主，有的以观察实验现象为主，有的以验证结论为主，我们可以根据不同的实验项目，确定采用虚拟仿真或是真实实验[11]。

（1）可以采用虚拟仿真进行一些实验现象不明显的实验。

（2）一般采用虚拟仿真来完成那些元器件费用较高或现代一些先进技术或的实验。

（3）在学习新知识时，老师可以先安排一些基础的真实实验，在学生对要用到的主要仪器、有一个真实的感觉后，再采用虚拟仿真，效果要比一开始就采用虚拟仿真好。

（4）在预习实验时，学生可选用虚拟仿真，这样就能减少在真实实验中的失误。

四、总结

虚拟仿真不能完全取代真实实验教学，反之亦然。虚拟仿真是以真实实验教学为基础的，是真实实验教学的一种新型的教学方法。科学合理地利用虚拟仿真和真实实验，有机地将虚拟仿真和真实实验结合起来，充分发挥虚拟仿真和真实实验各自的优势[12]。其目的不仅是要加强学生的基本技能训练、培养实际动手能力，也要让学生掌握新的现代科学技术知识和高效的实验方法。只有这样，才能培养出既具有丰富的知识又具有很强的动手能力的创新型人才。

参考文献

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[2] 霍剑青.大学物理实验课程教学基本要求的指导思想和内容解读.物理与工程，2007，17（1）.

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[4] M.Ronen， M.Eliahu. Simulation-a bridge between theory and reality： the case of electric circuits. Journal of Computer Assisted Learning， 2000，16（1）：14-26.

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[12] Crescencio Bravro， Wouter P. Van Joolingen， Ton de Jong. Modeling and Simulation InInquiry Learning： Checking Solutions and Giving Intelligent Advice. SIMULATION，2006，82：769-784.