浅谈大学物理实验教学设计中虚拟仿真实验的应用

韩永平

伴随着现代教育事业不断发展，老师开展教育教学活动也十分注重对先进科学技术的运用，现代信息技术的使用可以使学生的学习过程变得更加自主、高效。而虚拟仿真实验作为一种实验形式，在大学物理实验教学中占据着举足轻重的地位，对虚拟仿真实验进行有效运用可以弥补传统物理实验存在的诸多不足，使学生学习的自由度和灵活性得到提高，最终形成全空间和全过程的闭环教学模式，物理实验教学效果也会得到极大提升[1]。本文结合传统大学物理实验教学存在不足，从真实预习、虚实对照、随时回溯等方面着手，探讨虚拟仿真实验在大学物理实验教学设计中的应用，以供参考。

1 传统大学物理实验教学存在不足分析

采用传统教学模式开展大学物理实验教学，主要流程为学生进行自主预习，老师在课堂上对实验背景、原理等进行介绍，并指导学生完成实验和提交报告。整个教学过程中，容易受到课程设置时间、教学资源、学生学习空间等因素影响，致使物理实验教学存在以下不足：

（1）预习过程无法控制，虽然现代教育十分提倡学生进行课前预习，但是实际上很多学生无法完成预习工作，并且老师也无法对学生预习过程和效果进行监控，即便是学生提交了预习报告，但是也会受到无法接触实验仪器影响，致使学生只能对实验需要运用理论知识进行预习，无法起到提高实验教学效率和质量的作用。

（2）实验过程演示较为困难，老师在开展物理实验教学时，通常会对实验原理、实验思路设计、实验手段等进行讲解，而对整个实验过程进行演示会受到课程设置时间的影响，只能够快速完成操作，不利于学生精准把握实验步骤，与能力提升，尤其是学生缺乏对整个实验过程和结果准确性的科学判断，以致于学习存在诸多疑问，学生实验素质、实践能力、创新能力也无法得到有效培养。

（3）对照总结较为欠缺，在完成实验教学以后，学生需要对物理实验报告进行撰写，然而操作中学生无法对物理教学过程进行回溯，导致相应物理结果缺乏数据支撑，不利于学生就物理实验结果进行深入理解、分析和讨论，久而久之学生也会遗忘所需物理实验知识[2]。

2 大学物理实验教学设计中虚拟仿真实验的应用

2.1 真实预习，为学生学习提供相同实验环境

虚拟仿真实验主要是利用现代计算机、互联网等信息技术，对各种虚拟实验环境进行创设，学生可以以交互的方式展开操作，并且操作时间和次数不受制约，为学生物理实验预习提供极大便利。并且在虚拟仿真实验中，所展现出的实验仪器与真实环境相同，学生可以在虚拟仿真环境中，对这些物理实验仪器进行触碰和操作，整个过程中学生可以对物理实验过程、具体操作步骤、试验结果反馈等进行完整操作，既能够对所要学习物理实验有一个全面、系统的了解，又能够对预习过程中出现的问题及时记录，以便于在实际课堂教学中向老师请教，也为物理实验教学高效率和高质量完成奠定良好基础。

2.2 虚实对照，将预习和讲授结合起来

学生在完成课前物理实验预习后，对实际课堂教学物理实验项目内容已经有一个较为系统的了解，老师在开展课堂实验讲授时，学生也能紧跟老师教学思路，对物理实验项目背景、操作目的、实施步骤等进行准确理解和掌握，针对预习过程中遇到的难点问题，也可以在课堂上及时指出来，与老师、同学交换意见和沟通讨论，这些学习问题也能得到快速和准确解决，学生知识掌握也会更加牢靠[3]。此外，老师在课堂教学中还可以将真实实验过程与虚拟实验过程有效联系起来，引导学生在相互对照中进行学习和思考，不仅可以帮助学生有效掌握整个实验，还能够在脑海中构建整个物理实验结构体系，学生实验操作、思考探究等能力也会得到锻炼和提升，大学物理实验教学也会变得更加事半功倍。

2.3 随时追溯，实现全空间、全过程闭环学习

在完成物理实验教学以后，学生需要对实验报告进行撰写，实际执行过程中无法避免的会出现缺少实验步骤、忘记重要实验数据等情况，究其原因在于学生物理实验把握不够牢靠，这时候就可以充分利用虚拟仿真实验对整个实验过程进行回顾，针对实验步骤、实验结果也能进行再次复习，针对存在疑问的地方也可以与老师以及其他同学进行深入研究和探讨，最终在撰写实验报告过程中完成实验学习总结，学生也可以在物理实验追溯过程中发现自身学习存在的不足之处，并在不断弥补和加强中掌握更多大学物理实验学习方法，使物理教学效果进一步提升[4]。

3 虚拟仿真大学物理实验教学设计——以牛顿环实验为例

通过将虚拟仿真实验与在线教学管理系统有效结合起来，使之构成虚拟仿真实验教学系统，将之运用到大学物理实验教学中，不仅可以进行虚拟仿真实验，还能够对学生实验学习过程实施在线管理，甚至老师还可以将开展物理实验涉及的理论难点、数据处理方法等信息资料融入系统当中，以引导学生更加有效开展物理实验学习和操作，整个学习过程中学生与老师、学生与学生还能够进行在线互动和交流，可以有效克服传统教学模式下存在的时间空间不足、沟通交流缺乏等问题，并为学生大学物理实验学习建立起全新的全时间、全过程和全闭环教学模式。

大学开展牛顿环物理实验本质目的在于用牛顿环测曲率半径，并通过实验教学让学生观察等厚干涉现象和了解等厚干涉原理，进而掌握测定凸透镜曲率半径的方法，对读数显微镜用法也能准确掌握。为了确保牛顿环实验教学效果，老师就可以将虚拟仿真实验应用到实际教学中，整个教学过程为：

（1）预习阶段，学生通过虚拟仿真教学管理系统，对牛顿环实验进行预习，老师也可以设置理论和实际操作试题，让学生在完成实验预习以后做题，老师通过学生预习试题完成情况，可以对学生实验预习整体情况有一个大致了解，在实际教学中就可以对学生预习普遍存在问题进行详细讲解，以确保最终实验教学质量。

（2）教师授课，老师通过学生预习试题完成情况，可以对学生牛顿环理论和实验操作具体情况加以把握，针对学生存在的半反半透镜使用不熟练、实验设计原理掌握不足等问题，在课堂上进行侧重讲授，让学生光路调节和实验数据处理更加科学和规范，在实验原理部分则可以通过详细介绍牛顿环原理设计一些应用，如：增透膜、增反膜功能设计思路等，在实验演示部分则要进一步强调学生显微镜、牛顿环操作注意事项，以达到弥补缺漏和强化学生实验掌握目的。

（3）课后总结，在完成教学以后，老师可以通过虚拟仿真实验系统与学生展开密切沟通和交流，并及时指出学生学习存在的问题，引导学生利用虚拟仿真实验进行复习，针对想不通的问题及时联系老师和同学进行请教和讨论，不仅可以及时解决学习遇到难题，还能够增强学生学习积极性和自信心，使物理实验教学效率和质量得到显著提高[5]。

4 结语

本文是基于对大学物理实验教学设计中虚拟仿真实验应用的分析，对虚拟仿真实验加以运用，可以打破传统物理实验教学时间和空间桎梏，让学生学习更加自由和灵活，相应物理实验教学效率和质量也会得到极大提高。实践应用中老师也要结合学生学习实际，积极引入虚拟仿真实验，引导学生在真实实验环境中进行预习，并在实际教学中将真实实验过程与虚拟仿真实验过程进行比较分析，帮助学生对整个实验过程进行全面掌握，在有效解决重难点问题基础上，提高学生实验操作、思考探究等能力，最后通过虚拟仿真实验回顾，可以引导学生对所学习物理实验进行回顾和复习，进一步增强大学物理实验教学有效性。