虚拟仿真实验在大学物理教学中的应用研究*

张春光 皮艳梅 牟艳男

(黑河学院)

一、什么是虚拟仿真实验

（1）虚拟仿真实验就是通过在计算机或者网络上将各种虚拟的各类物理和其他基本教学仪器，按大学物理实验教学要求以及进行实验的步骤来组装成一个相对完整的物理实验教学系统，然后在这个物理实验系统上来进行整个实验过程。整个过程包括物理实验原材料的添加、物理实验相关条件改变以及各类变量和参数改变、相关过程实验数据的采集、物理实验结果的直观演示和相关数据分析。虚拟实验是一种模拟实验，但随着技术的进步它在逼真性和普遍性，实现实验者的实验效果和主观感受方面，是早期计算机仿真模拟实验不能相比的。

（2）虚拟仿真实验不存在普通意义上进行实验的必备真实器材和硬件，而是通过在计算机上利用虚拟仿真软件来模拟现实中的实验效果,利用仿真软件模拟多种实验条件是现在可行性很高的技术路线。目前已经有大量仿真实验软件开发成功，在全国各地大学、一些重点高中以及一些具备条件的初中大量普及和应用。虚拟仿真实验软件一般是通过计算机图形化界面来联系物理实验的理论条件和具体物理实验全过程，然后通过相关的计算机内部编程运算来达到模拟现实生活仪器的各种实验效果。类型主要包括大学物理实验虚拟仿真实验、专业课仿真实验和实训仿真实验三种。

（3）虚拟仿真实验是利用相关计算机技术编程开发的富有真实感的一种实验方法，可直接在计算机上现场模拟实验操作。通过学生自主操作实验步骤，可以反复进行多次实验，从而掌握物理相关知识以及原理，记忆并理解定理、物理定律、物理公式等，从而达到快速并有效的提高大学生学习效率的目的。

（4）虚拟仿真实验云平台，是通过大量设计多种虚拟仪器，然后来建立虚拟的物理实验环境。大学生使用者可以在这个实验环境中拟定实验参数、优化设计实验方案、操作虚拟仪器，模拟物理学真实的各种实验过程，能够营造自主学习的实验环境。学生数量多的需要大面积开设设计性、研究性以及开放性的物理实验，在教学中能够发挥极其重要的学习作用。没有做过真实物理实验的学生可以利用物理实验仿真软件对物理实验所用仪器的相关原理以及物理实验整体环境、物理实验步骤等建立起非常直观的感性认识。一般来说，虚拟仿真仪器可以拆解仪器的各种关键部位，调整物理仪器的过程中可以实时观察各种仪器的内部结构、各种性能指标和机械结构动作的变化，使学生大大提高对仪器内部原理的深入理解，对各种仪器功能和使用仪器方法进行可多次重复的基础训练。在虚拟仿真物理实验中多种仪器都实现了实验教学的模块化。学生们可以对虚拟仿真物理实验提供的各种不同仪器进行优化选择和多种布置组合，利用不同的实验方法来完成基本相同的物理实验目标，这样就可以培养学生的独立创新思维方式以及物理实验设计能力。然后通过对各种不同实验方法优缺点的具体比较和误差大小的横向比较，来提高学生的实验技术水平和思维判断能力。

（5）虚拟仿真软件能够通过深入剖析实验教学过程，在实验设计上能够充分体现实验教学思想的宏观指导，大部分学生必须在深入理解实验原理的基础上，通过广泛思考才能进行正确实验操作，这样就能够克服在真实实验中经常出现的盲目操作和不认真实验现象，极大提高了大学物理实验教学的教学水平和实验质量。物理虚拟仿真实验对大学物理实验相关的各种理论都进行了必要直观演示和教学步骤讲解。对大学物理实验的时代背景和重要意义、在生活中的具体应用等各方面都做了较为详细明确的介绍和讲解，使物理虚拟仿真实验成为了连接生动形象的大学物理实验教学与比较枯燥大学物理理论教学的桥梁。物理虚拟仿真实验也成为了培养学生物理实践与物理理论相结合、广泛提高学生多种创新思维的一种崭新的教学模式。虚拟仿真实验为大面积开设研究性、设计性实验提供了优秀的教学环境及教学平台。虚拟仿真实验一般具有操作指南和相关教学录像、示例等手段，使用者可以对实验结果进行多次研究测试，达到熟练掌握的目的。

二、虚拟实验室的优势

（1）虚拟仿真实验有利于扩大观察实验的范围。很多大学物理实验操作困难、微观现象不易观察，有些具有危险性不可能在现实中进行。而利用虚拟仿真实验就可以进行大部分常规环境中无法进行的大学物理实验，能够比较彻底的打破时间上和空间上的一些具体限制。小到各种微观粒子如电子原子，大到各种宇宙中的天体，例如太阳、月亮，使用者均可以进行多次重复的“观察”。那些需要几十年或者上百年才有可能观察到的一些现象变化的过程，在虚拟仿真实验过程中能够在比较短的时间内呈现给使用者。过去那些危及人身安全的实验或者对于人体健康有危害的试验，一般都采用观看视频录像等方式来进行。看视频不具有交互性，使用者不能深入参与，效果不是特别好。

（2）虚拟仿真实验便于使用者自主进行实验探索和研究：比如传统的大学物理实验教学模式，一般受地点和时间上的各种限制，有很强的局限性。而对于虚拟仿真实验来说，使用者可以在任意有计算机的环境中，根据自己的物理实验具体情况来进行有针对性的相关的大学物理实验研究，获得最接近真实的物理实验体会，从而能丰富使用者的直观感性认识，加深使用者对实验教学内容的深刻理解。

（3）利用虚拟仿真实验可弥补现有实验教学条件的不足：目前许多规模不大的学校缺乏物理实验器材，对学生物理实验的进行造成影响，对物理实验教学制约严重。虚拟仿真实验室可以让大学生不受真实实验课堂的限制，可以自主地进行模拟仿真物理实验，达到促进物理教学目标的达成，而且能减少物理实验仪器的购置以及维护费用。

（4）虚拟仿真实验能够激发大学生的物理实验兴趣和物理学习热情：虚拟仿真实验一般具有很强的交互性和直观性，并且实验操作便捷，富有趣味性。所以能够激发大学生的物理实验兴趣和物理学习热情。大学生不参与物理实验，那么就无法获得直观感性的认识。进行虚拟仿真物理实验，就可以弥补这个问题。大学生在虚拟仿真物理实验环境中，可以重复地去做各种实验，而不用担心损坏仪器。

（5）虚拟仿真实验能够培养大学生的现代信息处理能力：虚拟仿真物理实验能够记录整个实验过程每个时刻的实验数据，而且能够利用软件系统内部的数据处理系统或其它实用的软件来进行数据处理，并且能够根据数据处理需要绘制波形图或者时序图，大大提高学生的现代信息处理能力和分析能力。

（6）虚拟仿真实验能够发挥学生的创造性与想象力：虚拟仿真物理实验与一般的多媒体演示实验不同，一般可以高度仿真，能做到与真实实验一致。同时虚拟仿真仪器还具有数量不受限制、不会损坏等真实实验没有的独特优点，大学生可以反复观察，进行多次重复实验，具有较强的可重复性和灵活性。通过优化设计多种不同的物理实验方案进行比较实验，能够全方位锻炼大学生的动手操作能力和独立思考能力，全面发挥学生的创造性、想象力和创新能力。

三、虚拟仿真实验的实现及教学方式

（1）基于实验室计算机的虚拟实验室：利用本地计算机可以进行大部分的物理课堂教学实验和预习实验。提前将具有虚拟仿真物理实验功能的相关计算机软件安装到实验室的计算机中，大学生就拥有了相关虚拟仿真实验的环境和平台。这种虚拟仿真软件的独特特点是不受现有互联网的限制，操作容易，安装简单。通过虚拟仿真软件的实验操作，能够帮助大学生建立相关物理模型，这样可以进一步加深学生对大学物理实验项目以及物理原理的深刻理解和研究运用。

（2）基于互联网的虚拟仿真实验室：目前有许多高校已经成功建立校园网，并与外部网络相联，资金雄厚的一些高校和相关教育教学网站还搭建和开发了基于网络的虚拟仿真实验室平台。利用基于网络的虚拟实验室，大学生就可以模拟仿真进行许多大学物理实验。这样的优势减轻了实验教师的工作负担，网站有专门人员维护，能够及时更新。

但是不管虚拟仿真实验优势多么明显，怎样接近真实实验，都不能完全取代真实的物理实验。因为在真实物理实验过程中，通过对仪器故障的分析和排除等来培养大学生的实际操作能力，在虚拟仿真实验中是不能完全做到的。虚拟仿真实验仅是一种比较新的实验教学辅助手段。认识到虚拟仿真实验的这一特点，才能够更合理更好地利用这种手段，不能让学生只会纸上谈兵。

四、虚拟仿真实验在大学物理教学中应用的重点难点

（1）首先，要完善物理实验教学的管理与共享物理实验平台：虚拟仿真物理实验教学系统一般是依托于高校校园网的公共物理实验教学平台，我们要保证物理虚拟仿真实验各类物理实验教学资源的充分使用和开放共享。坚持“持续发展、共享资源、科学规划、突出重点、提高效益”的物理实验教学指导思想，然后结合高校物理教学培养目标和物理办学理念的物理学科特点，采用自制物理虚拟仿真实验或引进物理虚拟仿真实验项目方式，打造适应现代物理教育新发展的物理实验虚拟仿真教学平台。最终建成包含物理实验室资产、物理课程体系管理、物理设备维护、物理实验室日常管理等多项内容的现代信息化物理实验管理平台，达到构筑现代教育网络信息化大学物理实验体系的目标。

（2）其次，凭借大学物理虚拟仿真实验信息化管理平台，建立大学物理虚拟仿真实验室优质物理教学资源共享系统，可以通过多种激励机制，广泛调动高校的各级不同单位共同参与大学物理虚拟仿真实验共享的积极性。一方面要推进不同区域内高校之间的虚拟仿真物理实验资源共享，同时要整合高校内各部门多种实验资源，以促进各院系间多种实验资源的共享。

（3）最后，要加强物理实验教师网络信息化水平与大学物理实验教学水平建设:为了保障大学物理实验室的物理实验教学质量，在每个不同物理实验室的负责人要求大学物理实验教学水平与网络信息化科研水平和一定的软件开发能力兼备。要用物理实验核心技术队伍的现代化建设做为大学物理实验室的工作重点，来带动大学物理实验室技术队伍现代综合网络素质和大学物理实验技能的整体全面提高。然后选拔物理实验教学骨干优秀教师充实物理实验教学和物理实验管理队伍。根据大学物理实验工作实际需要和大学物理实验相关岗位的规划，来吸引多种不同能力、各种学历、各种不同技术特点的大学物理相关人才应聘不同大学物理实验岗位，来进一步优化大学物理实验教学中心的相关人员组成结构。然后建立合理科学的大学物理青年教师培养计划，高度发扬老教师带新教师的优良传统，确保大学物理虚拟仿真实验室长期并有序的建设和可持续发展，而不是搞形式主义，一阵风上马各种项目，然后没有实际的应用。

五、虚拟仿真实验的主要教学目标

（1）虚拟仿真实验教学充分发挥高校物理学科专业优势开展教学：大学物理虚拟仿真实验一般是为本科物理教学设计和实现的。大学物理虚拟仿真实验教学依托计算机与人交互、现代多媒体技术、网络通讯技术、数据库等多种技术，来构建高度仿真的物理虚拟实验环境和多种物理实验仪器。大学生在大学物理虚拟仿真环境中开展相关物理实验，以达到物理教学大纲所要求的物理实验教学效果。结合物理特色专业和开设相关大学物理实验课程发挥学校的各种学科专业优势，然后积极有效的利用相关虚拟仿真企业的仿真软件开发实力和其他网络支持服务能力，以达到充分整合高校信息化大学物理实验各种教学资源的目的。以培养大学生物理创新能力、物理实验综合设计能力以及物理创新思维为出发点，创造性地应用与建设更高水平仪器来共享虚拟物理实验、软件共享虚拟仿真物理实验、远程控制的物理虚拟实验等多种实验教学资源。拓展物理实践领域、降低各种成本和实验风险、丰富大学物理实验教学内容、提高物理实验教学能力、开展多种安全有效的大学物理实验教学。在虚拟仿真物理实验教学中心，其建设任务是实现真实实验难以完成或不具备的大学物理实验教学功能。在涉及比较极端或高度危险的实验环境，比如高温或低温真空等、不可逆实验或者不可及，比如极细的管道海底等的操作，高消耗实验、高成本实验，比如使用贵重样本的各种实验、综合或大型训练项目器材不足等情况时，提供高度可靠、经济实用和安全稳定的多种物理综合实验项目。大学物理虚拟仿真实验教学中心的建设应充分体现虚拟与现实相互补充、虚拟与现实相结合、尽量优先现实实验的原则。

（2）虚拟仿真实验助力院校教学科研：建设技术人员、教学科研、实验团队结构合理的大学物理虚拟仿真实验教学团队，最终目的是形成一支物理学术水平高、现代教育理念先进、物理教学和科研能力强、掌握网络知识和具有软件开发能力，同时勇于进行教学创新的实践经验丰富的大学物理虚拟仿真实验管理队伍和大学物理教学团队。大学物理虚拟仿真实验教学是现代高等教育大学物理实验教学示范中心建设和物理教学信息化建设的重要内容，是现代信息技术与物理学科专业深度融合的产物。大学物理虚拟仿真实验教学建设工作坚持“突出实验重点、持续稳定发展、精心科学规划、提高实验效益、共享实验资源”的指导思想，以全面提高高校大学生物理实践能力和物理创新精神为宗旨，以共享优质的大学物理实验教学资源为核心，以建设现代信息化大学物理实验教学资源为重点，按年度来建设一批具有引领示范作用的虚拟仿真实验室，持续推进高校实验室教学信息化建设，推动高等学校物理实验教学改革与创新。

六、结论

大学物理虚拟仿真实验在大学物理实验教学中的应用能够反映网络时代特点，广泛结合现代互联网，注重大学生自主性物理学习培养的研究、对大学生物理学习能力的培养，具有很多新的物理实验内容，在大学物理虚拟仿真实验教学中培养大学生的多种观察能力、物理实验能力、物理实践能力、创新能力。每个大学物理实验的规范操作和虚拟仿真，都充分应用现代多媒体直观丰富的多角度表达方式，将模拟仿真、动画以及实验录像相关操作说明等教学手段有机结合起来。既体现实验细节，也体现仪器整体，便于大学生对物理实验操作和相关知识的充分掌握与理解，对将来进一步开展线下线上实验相结合、现实与虚拟结合起到充分的辅助作用。