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大学物理虚拟仿真实验的教学实践探讨
作者：周晓云 景素华
来源：《读与写·教师版》2018年第06期
摘要：介绍了大学物理虚拟仿真实验的利与弊，并探讨了利用虚拟仿真进行实验教学应当注意的事项。
关键词：大学物理实验；虚拟仿真；实物实验
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-1578（2018）06-0232-02
虛拟仿真技术（Virtual Reality technology），是20世纪80年代崛起的一种计算机集成技术，涉及计算图形学、人机交互技术、传感技术和人工智能等集成技术，伴随产生的是虚拟仿真实验技术。早在1993年，中国科学技术大学霍剑青教授负责的教学团队研制了国内外第一套虚拟实验教学软件“大学物理仿真实验”，虚拟实验开辟了实验教学的新模式，在设计性、创新性、可重复性和安全性等方面极大地丰富了大学物理实验的教学[1]。
虚拟仿真实验虽然以较成熟的技术进入到各高校物理实验教学当中，但这种人机交互的虚拟教学模式仍然存在不可忽略的问题，本文主要介绍在大学物理实验教学中引入虚拟仿真实验存在的利弊，并以虚拟仿真实实验教学为出发点，对教学注意事项等方面进行了探讨。 1.虚拟仿真实验是对传统教学模式的有益补充 1.1 虚拟仿真实验使得实验教学变得灵活
传统的实验教学是以教师为主导在指定的时间和地点集中进行教学和实践，但由于教学持续时间较长且教授人数多使得教学受到时间和空间限制。而虚拟仿真实验具有简单零活的特点，即学生只需通过联网电脑就可以学习实验简介、实验原理、实验内容、实验仪器和实验指导等方面内容，不再受时间和空间的限制。这样的自由学习模式即节约了资源，又提高了效率。
1.2 虚拟仿真实验弥补抽象预习
在大学物理实验的教学中，学生进行课前预习十分重要。预习不仅能够让学生了解实验的基本原理、思想和实验目的，还能够在一定程度上掌握实验仪器的使用方法，避免在操作过程中由于疏漏而损坏仪器。但在传统的教学模式中，学生的实验预习仅停留在书面阅读理解层面，并不能够直接接触到实验仪器，关于实验的大部分问题都只能在接触到实验仪器后才能解决，这也就造成了传统的实验教学模式中教师的讲授至关重要且通常占用时间较长，否则不当的操作会直接损坏仪器。
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虚拟仿真实验则可以有效支持学生预习阶段的知识准备[2]。例如，在分光计的调节与使用实验当中，难点之一在于分光计的调节，而分光计的调节螺钉多达20个，每个螺钉所起到的作用通过简单的书面预习并不直观，而学生可以通过虚拟仿真实验技术中的视频演示、虚拟操作可以快速、直观地了解掌握，便于实物操作时准确判断与调节。分光计的调节与使用难点之二在于十字叉丝与狭缝像的清晰度理解，学生同样可以借助虚拟仿真实验获得直观印象，减少教师的教学时间。
1.3 虚拟仿真实验有效延伸课堂教学
由于课堂教学课时的限制，学生在操作过程中并没有充分的时间去消化理解一些具有启发性的实验步骤、操作环节，同时，对实验结果也缺乏反思性的再重复。同样以分光计的调节实验为例，在十字叉丝的调节过程中，通常是找出平面镜反射回来的像后直接利用各半调节法进行分步调节，但在实验中有无更为快捷的调节方法，带着这样的问题学生可以借助虚拟仿真实验在课余时间进行探索与验证，进而培养学生的创新探索精神。 2.大学物理虚拟仿真实验存在的不足 2.1 虚拟仿真实验的真实性尚有欠缺
虚拟仿真实验虽高度还原了实验仪器和实验操作流程，但与实际过程相比，真实性还存在欠缺。这些欠缺可能正是实物实验过程中产生系统误差或者影响实验准确度的关键因素。举例来说，在拉伸法测量金属丝的杨氏模量实验中，实物实验时通常在测量之前就会在金属丝下端加上一定质量的砝码，使金属丝处于伸直状态以防金属丝本身弯曲造成测量时的系统误差，学生很容易通过对实物实验的观察获得实验操作经验从而产生知识迁移，但在对应的虚拟仿真实验当中，数据记录是直接从未加砝码开始，忽略了真实环境中的上述系统误差因素，致使虚拟仿真实验存在“真实性”误差。
2.2 虚拟仿真实验缺乏动手操作能力的锻炼
在实物实验中，学生做实验的关键环节是动手操作，通过动手操作才能实现实验过程，记录数据，进而达到实验目的。而在大学物理虚拟仿真实验中取而代之的是鼠标的左右键，学生只需敲击鼠标的左右键即可完成整个实验的操作。具体以牛顿环实验为例，该实验的难点在于找到牛顿的清晰无视差的于涉图像。在实物实验中，需要配合半反射镜、调焦手轮、载物台的反光镜、钠光灯的远近高低以及目镜的旋钮等的反复调节，才有可能找到牛顿环的于涉图像，光路的调节过程持续时间较长。而在仿真实验教学中，只要将牛顿环放在载物台上，半反射镜倾斜约45°，打开钠光就一定能马上看到牛顿环的于涉图像，持续时间不到两分钟，弱化了调节实验光路的调节过程。因此，部分的大学物理虚拟仿真实验弱化对学生动手能力的锻炼，不能达到预期的实验目的。
2.3 虚拟仿真实验缺乏试错环节
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在实物实验中，由于学生不熟悉实验仪器操作，难免会出现仪器调试不成功或者读数出现坏值，但正是这种非正常情况的出现能够让学生去反思自己的操作过程，查找实验过程中存在的问题，加深对实验原理、操作过程的理解从而达到教学目的。相比较而言，虚拟仿真实验中对于“非正常情况”的技术设计难度较高，在试错环节上还有所欠缺，即使操作过程不规范仍然能获得较为准确的实验数据。
因此，部分的大学物理虚拟仿真实验只能作为是传统实验教学的课下有益补充，而不是彻底的替换。只有从实物实验出发获得直接经验再上升到虚拟仿真实验的设计与验证，才能切实发挥好虚拟仿真实验在教学中的作用。
3.应用虚拟仿真技术进行大学物理实验教学应当注意的问题
首先，虚拟仿真实验的地位作用要在教学过程中进行明确。国家教育部在关于开展虚拟仿真实验教学的通知文件中[3]指出虚拟仿真实验教学应充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。因此，针对大学物理实验的教学而言，大学物理实验的项目大多数是基础性实验，较少涉及高危或极端环境，因此虚拟仿真实验较适合作为补充教学或自主设计性实验进行开设，不能反客为主优先于实物实验进行开设。例如分光计相关实验可分为三棱镜顶角、折射率以及光栅常数的测量几部分，其中分光计的调整是全部实验的基础也是难点所在，这部分实验应当以实物实验教学，以深化学生对分光计结构及测量原理的认识并增强动手能力，在此基础上三棱镜折射率和光栅常数测量部分则可以选择虚拟仿真实验作为设计性实验进行补充，从而做到先实后虚、虚实结合使学生先有直观概念再进行设计性拓展的原则。
其次，在虚拟仿真实验教学中应适当与实物实验进行关联比较。虚拟仿真实验虽然是作为实物实验的补充进行教学，但从实验的求真性来说，虚拟仿真实验忽略了一些实物实验过程中不可忽略的细节，在教学过程中应当提醒学生关注虚拟实验与实物实验的差异，培养学生观察问题，分析问题、解决问题的实践能力。
最后，虚拟仿真实验可以作为差异性教学手段对学生进行个性化教学[4][5]。在学生完成普通的虚拟实验之外，还可以鼓励学生参与虚拟仿真实验的设计和开发，在对实验原理的深入理解基础上，利用虚拟仿真软件（例如LABVIEW，MATLAB/SIMULINK）抽象出物理模型，在虚拟环境中构建实验仪器，最后调试仪器，得到相对正确的实验结论，以此完成层次化教学目的。 参考文献：
[1]谭守标，霍剑青，王晓蒲.计算机虚拟技术在大学物理仿真实验教学系统中的应用[J].中国科技大学学报，2005.3：429-433.
[2]杨宏伟，虚拟仿真技术在物理实验中的应用[J]实验室研究与探索2005（24）：9；38-39.
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