网络虚拟物理实验教学的研究

余观夏，林杨帆　骆敏　苏峻　濮兴庭　张林

摘要：網络虚拟物理实验教学是在计算机与网络技术的基础上采用的一种新型的物理实验教学模式，其独特的经济性、可靠性、共享性、高效性和开放性，可以弥补实体实验的不足。将其有效地和实体物理实验相结合，可促进物理实验教学改革，提高物理实验教学的质量和效率。

关键词：网络；虚拟实验；物理实验教学

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）26-0276-02

一、引言

近几十年来，随着计算机和网络技术等信息技术的迅速发展，运用计算机软件技术和通信手段将传统物理实验内容做成虚拟网络实验项目，不仅迎合现代大学生对信息技术的需求，同时作为一种新型的实验教学手段，可以弥补传统实验教学在硬件、空间和时间上的不足，拓宽实验教学新模式，使传统而又经典的物理实验教学焕发新的活力。对网络虚拟物理实验教学进行深入研究，在促进物理实验教学改革，提高物理实验教学质量和效率，推动和促进物理实验教学发展，具有重要意义。

二、网络虚拟物理实验的优势

1.虚拟物理实验的经济性。设立在计算机中的虚拟物理实验没有场地限制，学生既可以在实验室的虚拟实验室中完成，也可随时随地在任何有网络的计算机和手机上完成实验内容，没有空间、耗材使用和仪器损耗的问题，不受空间和时间等外界条件的限制，降低了实验经费。同时，虚拟物理实验项目仅需要进行定期的计算机维护，降低了实验技术人员在仪器维修和耗材购置上的人员成本。

2.虚拟物理实验的可靠性。物理实体实验中，客观条件对实验的影响很大，例如不同的温度、湿度和气压条件，以及市电的波动，都会对实验结果产生影响。由于学生缺乏对复杂条件下实验结果不确定的分析，不能理解不同条件下获得的不同实验结果，就会对整个实验过程产生怀疑。虚拟实验的标准条件的设置，可以克服客观条件的不确定性，使得初次进行实验的低年级学生对实验过程的原理、操作过程和实验结果有了确定性的积极认识。同时，物理虚拟实验能够克服实体实验的不安全性，虚拟实验不会因操作失误而造成人身事故。

3.虚拟物理实验的共享性。网络虚拟实验以计算机大容量的存储介质为平台，运用计算机或计算机网络，以软件实现实验的可视化和模拟操作。在传统的实体实验教学中，一方面由于单个实验项目没有实体实验人数的限制，学生无法自由地进入实验室完成所需的实验项目；另一方面，由于时间的限制，在实验过程中，学生没有更多地机会仔细研究实验内容和实验过程，实验教学效果很难得到保证，而虚拟实验则不受实验空间和时间的限制。

4.虚拟物理实验的高效性。虚拟实验中丰富而又集中的网络实验资源，良好的在线帮助和学习功能，可以帮助不同层次的学生根据自身的知识特点和实验能力，自主、灵活地迅速掌握实验原理所需的相关物理和数学知识，准确地把握实验的具体目标和要求以及在操作中的注意事项，在较短的时间内完成实验操作。网络虚拟实验完全模拟现实的实验环境，为学生在计算机上即点即展开的仪器性能和原理进行说明，让学生形成直观的感性认识。

三、网络虚拟实验的不足

网络虚拟物理实验作为物理实验教学的拓展和补充，展示了网络和计算机技术在物理实验教学中的特色和优势。但由于虚拟物理实验自身存在的不足，它无法替代传统实体物理实验在实验教学过程所发挥的作用。

首先，虽然虚拟实验能够完全模拟实物物理实验的环境和仪器设备外形，但学生通过视频对实验环境和仪器的感性认识不如亲临实验环境和感触仪器的真实认识；同时在虚拟实验过程，通过鼠标或触摸式搭建和操作的实验过程，也不似实体实验中仪器间接线连接和实验中旋钮旋转力度的真实感觉，学生的动手能力得不到训练和强化。

其次，虚拟物理实验情境中，学生通过网络资源和虚拟实验提供的辅助材料，根据实验步骤一步一步地完成仪器的连接和实验操作，没有可能出现实体实验中种种无法预测的问题。同时，在完成虚拟实验过程中，面对毫无感觉的计算机和软件系统，对学生思维的正常发展和健康人格的形成将产生负面影响。

最后，虚拟实验是通过软件实验场景和仪器图片的再现，通过程序的设置让学生按照步骤完成实验。由于软件不能穷尽实际实验中出现的各种问题，对虚拟实验中学生出现的问题只能简单地报错，学生可以不需要思考为什么，只是通过不断试错获得正确的结果，在一定程度上抑制了学生创新思维的发展。

四、虚实结合，优势互补

实体物理实验在培养学生的全面素质中发挥着重要作用，是学生验证所学知识，获取新知识、方法和能力必不可少的课程之一。而网络虚拟物理实验以网络和计算机技术为基础，借助实体物理实验，为学生提供多角度、形象的物理模型、物理过程和物理图景。其丰富的声像图文信息，可以唤起学生对物理实验课程的学习兴趣。

1.先虚后实，提高实体实验的质量和效率。将实体实验通过虚拟实验的形式作为学生的预习内容，有助于学生尽快熟悉实体实验。网络虚拟实验为学生提供了全方位的实验知识材料，能够使学生了解实验操作全过程，学习数据记录和处理，了解实验中可能出现的问题，在培养学生自学能力的同时，也为实体实验打下基础。

2.以虚补实，完善实验课程体系。物理实验中心由于场地和经费的限制，不能开设所有的经典物理实验来满足不同专业和不同层次的学生需求。实验中心开设的都是与学校特色和优势专业相关的基础物理实验，而其他一些经典的与学校特色专业相关度不高的物理实验，则很少开设。此外，一些近代物理实验，由于仪器昂贵和占地大，所需的物理知识较多，加之实验时间长，调节和实验过程比较复杂，很多普通的工科院校没有配置这些实验。

3.以虚探实，创新能力的培养。实验中心的网络虚拟实验平台可以提供力、热、电磁、光和原子物理的实验模块单元，学生可以根据创新实验内容，选择适当的模块，在虚拟平台上进行创新实验的搭建，然后进行探索性研究，观察实验结果，对不同的指标进行设定，通过改进和完善，提高创新实验的效果。在此基础上，通过实验硬件平台搭建和完成实验。虚拟实验平台的使用，会极大提高创新实体实验的成功率，还可以预知实验可能出现的问题，获得对创新实验性的可行性评估，降低实体实验失败的风险。

通过虚拟实验研究探讨实体实验，不仅可以节约实验经费和实验时间，还能锻炼学生对创新实验设计、改进的能力，提高学生的综合科研素质。

五、结论

随着网络和计算机技术的迅速发展，网络虚拟物理实验的功能将逐步完善和强大。作为传统物理实验教学的有益补充，虚拟物理实验不仅为传统的经典物理实验注入新的活力，还突破了传统的实验教学模式，促进物理实验教学理念和教学方式的改革，提高物理实验教学质量和效率，推动大学物理实验教学发展。

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