虚拟仿真实验技术在大学物理教学中的应用

丁兰芳 宋民青 王彬

摘要：随着计算机信息技术的发展，仿真模拟实验系统受到很多高校的关注。仿真实验技术避免了传统实验的时空限制，可以构成相较于传统实验的开放教学环境;有利于学生学习思维的扩散、知识的扩展;很好地改变教学手段和方式，对教师的高效教学和学生的高效学习意义深远。

关键词：仿真实验 大学物理实验 大学物理 高效教学 高效学习

中图分类号：TP391  文献标识码：A  文章编号：1009—5349（2019）18—0018—02

物理学知识广泛地应用于自然界的各个科学领域，如电子信息技术、航空航天技术、工业过程控制等。目前，随着课程改革的不断发展，计算机技术和信息技术的不断应用，虚拟实验技术也逐渐被引入高校的教育教学[1]，其应用程度不断提高，使学生不仅在真实实验中学会了真实实验仪器的使用，而且还通过虚拟仿真技术来模拟真实实验，从而将虚拟仿真模拟实验结果作为真实实验的理论参考基础，大大促进教学效果和学生学习效果的提高。

随着计算机信息科学技术的发展、人工智能与计算机在实际生活的应用，仿真模拟实验逐渐被很多高校应用于教学过程中。同时，“虚拟仿真实验室”作为信息技术在实验教学的应用也受到了越来越多高校的关注。理工科类的课程主要是理论实验结合，通过实验进一步将理论知识很好地应用于实践中。通过大学物理虚拟仿真实验，学生可以更好的理解物理理论知识、培养创新精神、激发学生学习兴趣。随着计算机网络技术的普及和发展，虚拟仿真技术已经被广泛应用于各种实验教学中。[2]

一、分光光度计与示波器实验的对比研究

例如“示波器的使用”这个实验，传统的实验教学要求学生先在课下预习，然后在课堂上接触示波器。这种模式下，很多的学生由于对实验仪器的不熟悉，很容易造成实验仪器的损坏。采用虚拟仿真技术，就避免了这种情况。虚拟仿真技术为学生提供了逼真的实验环境，学生可以在计算机上熟悉实验仪器。再如分光光度计实验，传统的实验教学是学生先预习，然后在实验课上进行演示实验，分光光度计实验是一个比较抽象的实验，传统的实验教学在预习阶段学生会有很大的阻力，而利用仿真实验教学，通过对“示波器”和“分光光度计”均采用传统实验和仿真模拟实验对比分析可以发现传统实验的抽象性给学生带来了理解上的困难，而仿真模拟实验系统在预习阶段可以很逼真的演示一些实验过程，就实验过程甚至是理论性的学习都给学生带来了理解和学习上的方便。仿真模拟实验系统突破了教学空间、仪器设备等种种因素的限制，拓展了实验项目的开设范围，为扩大学生的学习范围、增强学生的学习兴趣、提高教师教学水平等提供了强有力的手段，同时促进教师教学效果和学生学习效果的提高。

二、仿真实验的特点与优点

（一）仿真模拟实验的特点

1.开放式的预习环境

学生可在教师指定的一段时间内在线预习实验，不受验室和课时的限制。可重复预习的实验操作，有助学生深入理解实验。

2.数据随机

每个学生实验操作的初始状态和测量值都是随机产生，所对应的正确结果各不相同，从根本上避免了考试中实验操作的作弊现象。

3.自主组卷

教师可以选择操作实验，并调用试题库中的题目组成试卷，拟定分数存入数据库，同场考试可调用多份试卷，可安排不同学生对应不同的试卷，可有效避免书面试题的作弊现象。

4.自动评判。预习成绩自动评判

学生可及时了解学习效果，针对性调整预习内容。

5.客观、真实的预习成绩

有助于教师掌握学生预习效果、针对性的调整教学重点。

6.系统自动判卷和统计成绩

系统自动判卷和统计成绩并可长期保存、批量导出。教师可调整学生成绩的分布。

（二）仿真模拟实验系统的优点

1.避免了传统实验的时空限制

避免了传统实验的时空限制可以构成相较于传统实验的开放教学环境。学生可以实行线下预习与练习，从而增强学生在学习中的独立思考和独立创新的精神。[3]

2.实验仿真系统拥有良好的交互模式

这种交互模式可以让学生逐步思考，不断探究物理现象的内在本质，通过这种方式，可以大大增强学生对物理理论知识和物理实验现象的理解能力和掌握能力。

3.便于观察和探究

就“示波器”實验和“分光光度计”两个实验而言，学生可以通过仿真模拟实验系统恰如其分地进行一些抽象、复杂实验现象的观察和探究，这将有利于学生学习思维的扩散，知识的扩展。

4.可以改变教学手段

通过虚拟仿真实验模拟系统，可以很好地改变教学手段和方式，人机互动的教学模式可以开展启发式的教学，同时这种教学模式也可以提高学生学习的积极性、主动性和自主性，从而提高教学效果。具有成本低、开放性、安全性、生动性、直观性等等的特点。[4]

三、结语

青海大学基础部教学实验中心提供的大学物理仿真实验系统的应用证明：虚拟仿真实验系统可以很好地激发学生学习兴趣，提高学生的动手操作、提出问题、分析问题、解决问题，以及创新思维的能力。在仿真实验课堂上，教师可以通过多媒体进行授课并进行仿真实验的现场演示，使物理理论知识更加可视化，也可以将一些抽象的物理定理通过仿真模拟变得更加形象。同时，通过虚拟仿真模拟技术可以很好地应用物理的理论知识去分析仿真实验过程所产生现象的原因，因此，收到辅助大学物理理论学习的效果。同样通过仿真模拟实验，学生可以自行改变实验过程中的一些参数和数据，得出仿真模拟结果，再根据仿真模拟结果，总结一些实验现象中的规律。除此之外，学生也可以通过GUI技术结合MATLAB程序编写技术进行自我设计模拟仿真实验模块，可以很好地激发学生的学习积极性与学习兴趣，提高学生自主学习和自主探究研发的能力，从而达到高效学习的目的。因此，在日后的物理教学中，我们可以将仿真模拟实验系统作为辅助教学手段，将其应用于大学物理实验的教学中，进一步用来辅助大学物理理论的教学。

参考文献：

[1]李璐.虚拟仿真实验室应用于初中物理实验教学的理论与实践研究[D].陕西师范大学，2009.

[2]肖瑞，刘敏.大学物理演示实验室的扩大建设与管理[J].实验室科学，2018，21（2）：183—186.

[3]周燕.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].合肥工业大学学报（社会科学版），2008（5）：106—109.

[4]胡征.高校虚拟仿真实验教学模式的研究[J].魅力中国，2014（13）：184—185.

责任编辑：于蕾