理工科类物理虚拟仿真实验运行机制的实践与探索

王丹丹 周锋子 王晓飞 李立本 金秀娟 甄志强 李新忠

（河南科技大学物理工程学院 河南·洛阳 471023）

0 引言

在真实的物理实验教学中，由于部分实验仪器的复杂、精密和昂贵，并存在高危、高成本、高消耗等因素，往往在真实实验教学中难以实现。许多精密科研实验仪器，在实验教学中学生难以接触和了解实验仪器的结构、设计思想、运行原理。另外，由于受到时间和空间等因素的影响，在实验教学中学生不能反复调整仪器、设计和观察实验现象。存在着仪器越先进，现代化技术越高，学生收获越少的倾向。虚拟仿真实验资源以虚拟现实、人工智能、自动控制等技术，对物理实验和仪器建立了数字化和高度仿真的虚拟模型，学生可在虚拟环境中开展实验，在实验教学中通过虚拟实验教学资源与平台，把实验教学、实验预习、实验指导、实验报告评阅、实验考试评判等教学内容有机融合为一体，完成实验教学的各项内容，弥补了真实实验存在的不足。

开展虚拟仿真实验教学是推进实验教学信息化和实验教学资源共享的有效手段，是实现“虚实结合、相互补充、能实不虚”实验教学原则的有力体现。在实验教学中学生可通过虚拟仿真教学资源进行实验预习，了解实验仪器、实验原理、实验方法、实验基本操作等内容，还可拟定实验方案。再到实验室进行真实实验。学生也可在做完真实实验后，再做虚拟仿真实验，完成对真实实验的深入学习、实验复习、提高认知。

优质资源的共享是提高实验教学质量和水平的保障，虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、人机交互和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验资源和环境。利用虚拟仿真实验教学中心的管理平台，实现校内外乃至更大范围的共享开放，此举不但使优质资源的利用率大大提高，更重要的是不受时间、空间的限制，为实现大面积的学生自主学习、实验探究、开展科技创新实践活动提供了服务。利用虚拟仿真实验教学中心管理平台，还可广泛应用于实验教学过程中的实验预习、实验操作、实验报告、实验考试等教学环节。因此，物理虚拟仿真实验教学中心的建设，为创建实验教学资源，实现优质资源的共享，开展虚实结合、相互补充的实验教学活动起到了不可替代的重要作用。

1 现状分析

以河南科技大学开展物理实验教学为例。我校物理虚拟仿真实验资源建设与运行情况，以实验室管理制度建设与落实为主线，严格设备管理和实验教师职责，以大学物理教学仿真软件为基础，服务于大学物理教学，取得了显著成效。2000-2004年，以学生自主选课、实验室全面开放为主线，通过局域网络系统学生网上预约实验，培养了学生的自主性和主动性。每个实验室配有计算机网络终端，可通过中心局域网与校园网相连，进而连接因特网。加强了网络化、信息化、开放式实验教学与管理，创建了实验中心独立的实验教学网站。

以教育部本科教学评估为契机，更新教学理念，丰富实验内容，改善实验条件，加大师资引进，建设取得了突飞猛进的发展。通过自研仿真软件，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验项目，建立了虚实结合、相互补充的实验教学体系，教学效果日渐突出，教学质量明显提高。

目前存在的问题：在物理虚拟仿真实验中心及实验项目资源建设过程中，如何构建适应不同层次需要的学习需求？如何把最优的物理虚拟仿真实验项目融入到学生的创新培养体系？如何将现有省级以上虚拟仿真项目真正发挥培养学生的作用、融入培养方案及课程体系？

我们从以下方面进行了改革探索：

1.1 改革内容

1.1.1 虚拟仿真实验教学体系建设

以能力培养为主线，建立科学、系统的实验教学体系，与理论教学既有机结合又相对独立。物理虚拟仿真实验教学中心以开放式自主实践为主要教学形式，以形式多样、课内外相结合的多层次多类型物理实践教学体系为基础，以优良实验室硬件条件和优质教学资源为支撑，以制度化教学管理、教学质量监控体系为保障，构建一个能为全校提供菜单式实验教学服务，培养创新人才的综合平台，体现教学体系系统性、综合性、层次化，教学模式自主式、开放式的特点。

在物理虚拟仿真实验课程的教学改革与实践过程中，重新审定和扩展了物理虚拟仿真实验课程的教学内容，根据实验教学的特点，按照“兴趣导入、开放自主、创新提高”的原则构建了物理虚拟仿真实验体系。学生刚入学时，针对多数学生对物理实验具有畏难情绪，首先利用我们构建的大学物理仿真实验形式培养学生学习物理的兴趣；然后，通过开放自主的选课系统，以学生为本增加课程外的物理实验项目，虚拟进行基本技能训练，再通过虚拟高危与极端环境仿真实验，对其实验细心、耐心能力进行培养；进而通过高成本与高消耗的虚拟实验，激发其战胜困难的意志和创新力。

1.1.2 虚拟仿真实验教学实验项目

中心建设的实验教学体系以培养学生实践创新能力为核心，按照基础性实验、设计性实验、综合性实验、研究创新性实验实施实验教学。中心修订执行的《物理虚拟仿真实验课程教学大纲》涉及5门实验课程，中心按照“注重基础、综合应用、加强设计、提高创新”的指导方针组织实验内容。包括实验必修课、实验选修课、课程设计，还有实验室开放和其他形式实践活动。如研究创新实验是以开放实验室活动为载体的、鼓励优秀学生参加的、部分结合科研生产实际的实验研究课题，是实验教学资源集中、因材施教理念的充分体现。这类实验采用“集中讲课、分散设计”方式，吸引部分有所专长的学生对其进行全面培养。

1.2 改革目标

1.2.1 依托学校校园网信息化平台，保障资源共享

近几年，我校数字化校园建设，改造升级了校区楼宇的网络布线，网络拓扑结构、网络设备。建立了校区虚拟信息化平台和数据中心，构架了校区校园专网，阵列间复制，实现300余台虚拟服务器机群，及4台数据库服务的系统。万兆主干线，全校区建设了有线和无线网服务，覆盖率达100%。

1.2.2 面向全校，实现资源共享

中心资源和管理平台部署在学校校园服务器上，建立河南科技大学物理虚拟仿真实验教学中心门户网站，实现了教学资源的校内外共享。通过中心网站，学生可以在校园内、外授权使用虚拟仿真实验教学平台。学生借助于台式电脑、笔记本、Pad、智能手机等多种形式的终端设备，不受人数、时间和空间的限制，开展区域或在线的教、学、练、考，满足了多学科、多专业，不同层次的实验教学需求。

目前，物理虚拟仿真实验教学中心负责12个学院46个专业的物理必修实验教学，并面向全校开设物理选修实验课程。近两年实验教学工作量达30余万人时数。

1.2.3 面向社会，实现资源共享

注重校际、校企之间的资源共享。在物理实验中心建设、物理实验教学资源建立了长期合作、交流、共享、共赢的模式。成功地将“物理演示实验虚拟仿真系统”应用到洛阳市一高、河科大附中等中学物理课外兴趣扩展等方面。与洛阳市科技馆合作，将多种虚拟仿真物理实验对社会开放，向少年儿童普及科技知识，引导少年儿童参与科技创新活动，培养少年儿童的科学意识和科学精神。校际之间的资源共享、交流，实现了共赢，带来了良好的社会效益和经济效益。

1.3 物理虚拟仿真实验开展中存在问题

1.3.1 开发实验技术能力不足问题

合作开发虚拟仿真实验资源：发挥我校学科专业优势，教学队伍优势，学校从学科、专业实践教学需求出发，进行系统开发的结构与内容设计。企业提供虚拟仿真开发支持，并接受学校方面的学科内容与知识指导。双方共有开发成果的知识产权，双方共享成果推广与成果奖励的收益。

1.3.2 建设实验平台资金不足问题

共建共管中心实验平台：合作开发的产品资源，通过在中心平台上的应用完成优化设计，使产品更加成熟。同时，企业以共建、共管、共赢的合作方式，实现对中心持续的技术支持与投入，进行虚拟仿真实验教学管理平台维护和软件升级服务，对教师进行信息化教学应用能力的培训。保证中心的健康，持久的发展。

1.3.3 发挥人才培养优势

资源优势互补互惠互利：学校以知识、人才、设施等优势为企业提供多元化支持。主要包括：（1）合作企业优先到校选聘优秀毕业生；（2）根据企业需要，在各种专业领域配合企业响应市场需求，提供相应管理，创新与研发的支持，协助企业解决关键性技术问题；（3）根据企业发展需要，为其员工培训提供师资、场地及设施等方面的支持。

1.3.4 实现长期持续发展问题

探索与实践如何把现有优质物理虚拟仿真实验资源纳入培养方案、课程体系及“创新创业”学分培养体系，实现人才培养，教师发展，平台建设的共同长期持续性发展。

1.4 运行机制的探索总结

1.4.1 要具有明确建设思路

物理虚拟仿真实验中心成立以来，按照“遵循物理教学规律、注重教学科研融合、加强校企合作、资源开放共享”的建设原则。通过自主开发、校企合作，创建了一批有专业特色的物理虚拟仿真实验教学资源，搭建了完善的虚拟仿真实验教学管理平台。通过多年来的建设，中心在人才培养、教学与科研、服务社会等方面取得了丰硕的建设成果。

1.4.2 要不断完善虚拟仿真实验课程体系

虚拟仿真实验教学服务于学校12个学院，46个专业的物理实验教学，开设5门虚拟仿真实验课程。在实验课程设置上，前期构筑宽厚基础，后期优化专业教育，注重学科交叉培养，加强综合性和研究性实验训练，培养学生创新创业实践能力。构建了基础物理虚拟仿真实验、专业物理虚拟仿真实验和开放选修虚拟仿真实验三个层次的实验课程体系。体现由专业基础训练，到专业综合技能提高，再到研究与创新能力培养的物理教学规律。在基础物理虚拟仿真实验中有大学物理的力学、热学、光学、电磁学实验等；在专业物理虚拟仿真实验中有近代物理实验和光电信息类实验；在开放选修虚拟仿真实验中有演示物理实验和前沿物理实验。

1.4.3 要建立师生互动虚拟仿真实验教学体系

虚拟仿真实验教学始终本着人才培养、创新实践和社会服务三大目标来进行。以“加强基础、重视应用、开拓思维、培养能力、提高素质”的物理实验教学理念为核心，在实验教学中以学生为中心，为学生营造更多自主学习，多元化发展空间的实验环境。虚拟仿真实验教学的重要作用就是不受学生人数、时间、空间的限制。通过虚拟仿真实验教学资源和教学管理平台，实现了实验教学资源的服务与共享。通过中心虚拟仿真教学网站，教师与学生可以在校园内、外授权使用虚拟仿真实验教学资源。

1.4.4 要探索把虚拟仿真教学资源融入培养方案

在保持现有物理各专业培养方案不变的情况下，首先探索将其在创新创业两个学分情况下进行改革，纳入创新创业学分过程管理；其次，在物理学院高年级本科生的相关专业课程中加入2学时进行试验和探究其培养效果；最后，将物理虚拟仿真实验中心资源体系与物理实验教学中心的教学体系相对接和融合；最终，实现对学生的线上、线下，全天候的物理实验能力和素养的培养。

2 结论

理工科类物理虚拟仿真实验资源建设与运行机制的探索要符合新时期高等教育发展理念，将有望提高学生参与实验性教学的兴趣，具有较强的科学性、适用性、创新性和前瞻性。进一步通过灵活丰富的实验方式，将前沿科技成果，实践创新成果，引入到实验教学中，利用规范的监控提升质量，提高学生综合素质和实验动手能力。必需将现有虚拟仿真资源融入教学体系，将创新现有教学方法和手段。且通过弹性式毕业课题的实施，高效利用现有实验场所。通过建立制定校企合作机制，探索校企共赢。才能实现校校、校企资源共享，进而实现物理虚拟仿真实验资源建设与运行机制的良性发展。