基于信息化的物理综合仿真实验教学探索与实践——以临沂大学为例

卢兆信 孙长平 刘 爽

（临沂大学物理与电子工程学院，山东 临沂276005）

0 引言

在传统的物理实验课程教学中，购买实验仪器和设备不仅需要花费大量的资金，而且如何科学和合理地去放置现有实验仪器和设备也需要足够的空间，所以传统的物理实验课程教学极大地受到来自资金和空间两方面的影响。而基于信息化的物理综合仿真实验课程依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，通过利用构建了高度仿真的虚拟实验环境和实验对象的软件，使物理实验教学数字化、网络化、可视化和智能化，从而真正将仪器设备、实验内容、教师指导和学生操作等有机融合为一体，最终起到有效提高物理实验课堂教学效率的作用。

1 传统物理实验教学存在的问题

1.1 受学校资金投入的影响比较大

为满足传统物理实验课程的教学，必须采购一定数量的物理实验仪器和设备，所以需要学校投入大量的资金才能基本满足正常的物理实验教学需求。另一方面，实验仪器和设备中的电子元器件使用寿命是一定的，必然会导致这些实验仪器和设备有一定的使用期限而发生仪器的自然损坏，同时还有一些实验授课过程中由于学生操作失误造成仪器的偶然损坏，这些都需要学校每年重复性地投入资金去维护、维修，甚至购买一部分仪器进行更换才能保证整套实验仪器的使用。

1.2 受空间和时间的影响比较大

传统的物理实验教学由于是在实验室使用真实实验仪器和设备开展的教学，为保证教学效果在课堂中最多允许不超过2人共同操作使用一套仪器和设备，所以在开课时需要大量的实验室空间来摆放这些实验仪器，同时这些实验仪器也不可能轻易地随时搬来搬去，所以导致每个实验室只能摆放某几类实验仪器。由于不可能同时将所有仪器全部摆放到实验室，很多实验室每次只能摆放2个实验项目的实验仪器。同时受空间和时间的影响，造成了学生不能提前预习熟悉实验，也不能自主选择喜欢的实验项目，课后学生也不能自主地去实验室进行复习，所以导致实验课结束时，前面的很多实验项目都已经忘记，但是想再去熟悉一下时，却发现实验室摆放的仪器和设备没有要找的项目。

1.3 实验现象和观察过程受限

某些实验仪器由于受到设计的限制，造成在实验过程中操作困难，实验现象不易观察，在授课中任课教师也只能通过文字说明、语言描述、加强讲解等方法来给同学们进行讲解说明，因此能够放大实验现象与过程日益成为实验课程的新要求。其实在教学过程中，任课教师也在不断地把这些使用需求反馈给实验仪器生产厂家，但由于实物仪器的更新是不方便和不及时地，这些因素都极大地影响着课堂教学，给课堂教学造成了极大的不便。

1.4 缺少实验维护或维修专业技术人员

物理实验仪器的操作需要在使用过程中严格按照使用要求来进行，平时在每次使用完毕都需要进行及时和正确的维护和保护，这样才能从最大程度上保护仪器，延长它的使用寿命，而维护和维修都需要专业的实验室技术人员来保证。目前看来，学校缺少实验室专业技术人员，即使有的实验室有这方面的人员，但也由于工作量大、维护和维修烦琐、工作发展前景受限等方面影响，在某种程度上造成实验室人员缺乏工作积极性，维护维修不及时，甚至造成部分仪器长期损坏无人维修的现象。

2 采取物理虚拟仿真实验教学的优势

2.1 前期投入资金少，使用过程中维护费用低

目前来说，物理虚拟仿真实验的发展和技术已经比较成熟，国内比较有名的厂商是科大奥锐，该公司从1993年就开始从事物理虚拟仿真实验的研究和开发，经过近30年的发展，目前已开发出包含力、热、电、光等50个常用物理实验项目。物理虚拟仿真实验软件购置只需要一次性投入购买需要的实验项目和一台服务器电脑，就可以同时面向较大范围的学生开展物理仿真实验教学，使用过程中也不需要额外的维护费用投入。即使出现软件问题，厂商也可以通过网络远程协助进行维护，使用过程中节约了大量的维护和维修费用。

2.2 仿真实验教学受时间和空间的影响小

使用物理虚拟仿真实验，只需要在有网络的地方，学生就可以随时使用个人电脑对实验内容进行预习，多次重复练习某个实验项目，还可以自主选择教学计划外的实验项目进行练习。同时由于不需要真实的实验仪器和设备来摆放在实验室，也减少了一些实验室房间的建设，给学校节约了大量的资金投入，从而使学校把节约的资金投入教学中更需要的地方。2020年新冠肺炎疫情发生以来，几乎所有的大学生都无法顺利返校学习，科大奥锐向全国几百所高校免费开放物理虚拟仿真实验的使用，保证了全国很多高校学生物理实验教学任务的顺利开展，这些都经过现实和实践的检验。

2.3 某种程度上缓解了实验人员的维护维修压力

由于物理虚拟仿真实验不再需要实验人员针对具体实验项目提前准备具体的实验仪器，实验教师也不需要提前进行实验仪器和设备的调试，可以将大量的时间用于熟悉实验理论知识和实验操作细节讲解准备上，仿真软件自身就带有大量的实验理论知识讲解和操作演示视频，也便于学生提前预习和反复观看。这些都使实验教师从课前繁重的准备工作中解放出来，有效地缓解了当前面临的实验教学任务，同时也不需要实验人员对仪器维护和维修，可以使他们将更多的时间投入其他实验仪器的维护和维修工作中去，从而更好地提高物理实验教学质量。

2.4 便于实验项目升级，容易与新技术发展接轨

随着科学技术的发展，就需要将某些新技术引入到开设的物理实验项目中去，才能更好地提高我们的教学质量和学生科学素质。传统的教学方式中开发新仪器周期长，采购新仪器也比较容易受到学校资金的限制，还有来自时间和空间的限制，但虚拟仿真实验开发周期短，需要的升级资金也少，可以极快地将新技术融入实验项目中，从而在实验教学中尽快地使用上新仪器和新技术，使学生们加快了学习进程并且提前受益，真正让学生更加喜爱实验课程。

3 结语

在物理实验教学过程中，本着“虚实结合，能实不虚，资源共享”的目标，将物理仿真实验和实验室教学相结合，极大地提高了学生的物理实验操作技能和动手制作能力。经过近几年对物理综合仿真实验课程的教学探索和实践，教师已对某些物理实验项目形成了线上线下虚实结合的新型物理实验教学模式，从某种程度上延伸了物理实验教学的时间、空间，提升了物理实验教学的质量和水平。在近期公布的2020年全国普通高校大学生竞赛排行榜中，全国大学生物理实验竞赛首次名列其中。作者推荐的5个参赛队伍全部获奖，其中一等奖2项，二等奖2项，三等奖1项，是山东省高校中获得最好成绩的高校，也使临沂大学实现了物理专业在全国普通高校大学生竞赛排行榜中获奖项目零的突破，其中基于phyphox软件设计的声速测量仪器获得了大赛一等奖，完全就是利用在该课程中讲到的知识，属于我校开设仿真实验课的教学成果。