大学物理实验教学对虚拟仿真实验更多期待

1、大学物理实验教学对虚拟仿真实验更多期待摘要：虚拟仿真实验可以弥补传统实验教学环节的 不足，完成传统实验教学中无法实现的条件和内容，突破传 统的实验教学模式，提高实验教学质量，在大学物理实验 课程教学中得到了广泛的应用。通过对虚拟仿真实验的使用 发现，其在虚拟仪器的真实性、对实验原理的体现、对实验 环境的模拟及对创新能力的培养等方面有待进一步改善。关键词：虚拟仿真实验 大学物理实验教学中图分类号：g64文献标识码：a文章编号：1673-9795(2013) 08 (a) -0068-021简介大学物理实验课程是高等理工科院校对大学生进行 科学实验基本训练的必修通识课程，是学生进行物理课程学 习以

2、及专业课程学习的基础。它具有多样化的实验方法和手 段以及综合性很强的基本实验技能训练，对于培养学生严谨 的科学思维、创新能力和理论联系实际能力，引导学生确立 正确的科学思想和科学方法，提高学生科学素质以适应科技 发展与社会进步等方面有着十分重要的意义。高校扩招及社会对高校实验教学提出更高要求，使得各 高校实验教学方面的缺陷凸显，学校面临实验设备的质量和 数量不足，无法为广泛的实验教学提供有效的支持，学生实 验能力培养欠缺等严峻形势。2001年，教育部提出了积极开 展网络实验室建设的建议，鼓励各大高等院校搭建网络实验 室，实现资源的共享与互补。基于虚拟仪器的仿真实验系统及网络实验室是利用虚 拟仪

3、器技术和互联网技术的实验平台，整个实验系统由客户 端、实验管理服务器、互联网、实验单元和实验仪器单等部 分组成，具有良好的资源共享性、互动操作性、扩展性和安 全性，允许多用户、多实验同时进行，可以让学生在任何时 候、从任何地点访问实验室，从而大大提高实验教学的伸缩 性和适应性。虚拟仿真实验系统在实验方式上可以弥补普通教学中 的实验教学环节不足或辅助实验教学；在教学模式上可综合 利用计算机技术，完成传统教学中无法实现的实验条件和实 验内容，突破传统的实验教学模式，提高实验教学质量，因 而在各高校的实验教学中得到了长足的发展，在大学物理 实验课程教学中也得到了广泛的应用。在对大学物理虚拟仿真实验的

4、使用过程中，我们发现了 一些虚拟仿真实验值得改进和加强的地方，在此提出，以供 商榷，期望虚拟仿真实验能日臻完美，更贴近大学物理实 验课程教学的要求，在课程教学及创新人才培养方面发挥 更大作用。2大学物理实验教学对虚拟仿真实验的更多期待2.1虚拟仪器更趋真实虚拟仿真实验及网络实验室的基础是虚拟仪器。虚拟仪 器是在美国国家仪器公司1986年提出的“软件就是仪器” 这一口号的基础上发展起来的，其概念是用户在通用计算机 平台及必要的数据采集硬件的支持下，根据测试任务的需 要，通过软件设计来实现和扩展传统仪器的功能。与厂家设 计并定义好功能的、有固定的输入输出接口和操作面板的、只能实现一类特定测量功能的

5、传统仪器不同，虚拟仪器的用户可以根据自己的需求设计仪器系统，并可通过修改软件来 改变或增减仪器的功能，真正体现“软件就是仪器”这一概 念。虚拟仪器应用于物理实验教学将有助于改革传统的实 验教学，充分利用网络资源开展网上实验，并可开出符合课 程内容的许多新实验，改变实验技术跟不上新技术的局面， 使学生的创新能力及掌握新技术、新知识的能力得以提高。 但目前虚拟实验仪器模型的种类比较缺乏，无论就外观还是 功能而言，其真实性与实验室的具体实验器材相比都还存在 欠缺之处，这会导致学习者在现实环境下进行实验操作时产 生疑问，无所适从，不利于知识的迁移。比如光学中的迈克 耳逊干涉仪实验，不同厂家生产的仪器在

6、外观、调节部件及 功能等方面有较大的差别，如果学生在虚拟实验中接触的仪 器与实际操作所使用的仪器相去甚远的话，学生的困惑是可 想而知的。因此，完善虚拟元件模型，丰富虚拟器材品种， 增强虚拟仪器的仿真效果，是一般认知过程的需要，它既可 加深学生对仪器本身设计原理的理解，也有助于学生发现实 验设备设计的优势和缺陷，激励学生探索性思维。2. 2包含更丰富的实验原理大学物理实验课程教学的主要任务是培养与提高学 生科学实验基本素质，确立正确的科学思想和科学方法；培 养与提高学生创新思维、创新意识、创新能力；培养与提高 学生的科学素养。课程教学的基本要求是学生具有理论联系 实际和实事求是的科学作风，严肃认

7、真的工作态度，主动研 究的探索精神，遵守纪律，团结协作和爱护公共财产的优良 品德。要完成上述教学的主要任务和基本要求，教学过程的 一个基本出发点就是学生要对实验原理有一个比较正确、全 面和清晰的认识理解。目前，主流的仿真虚拟软件在知识导航的设计上基本上延续了传统多媒体课件的导航模式，通过使用图片、动画、 语音等多媒体元素，以线性结构展示整个实验的过程。这种 模式不仅使学生比较难于在短时间内掌握实验的整体框架 和关键操作要领，而且忽略了实验原理对实验的主导及指导 作用，不利于学生对实验原理的认知和理解。虚拟仿真实验 如果能充分利用易于被学生接受的视觉及听觉技术来展示 实验原理，并在整个实验过程中

8、贯穿实验原理这一条主线， 让学生认识到全部的实验都是基于实验原理进行的，都是在 实验原理的框架下完成的，学生对实验原理的认识和理解无 疑会更上一层楼，对科学思想和科学方法方面的领悟会更深 入，对理论联系实际能力的培养也会更有效。2.3能够再现复杂具体的实验环境实验是人类认识万千世界的重要方法。实验研究和理论 研究作为两种相辅相成的科学研究方法，是推动社会进步和 科技发展的重要力量。实验教学以其直观性、实践性、创造 性等优点，在培养学生学习基础知识、提高动手能力、掌握 科学研究方法等方面发挥着重要作用。虚拟实验将计算机技 术、软件技术以及网络技术和传统实验仪器结合起来，改变 了实验系统的构建模式

9、，可提升实验仪器的整体性能，突破 实验操作的时空限制，是传统实验的变革。虚拟实验的最终目的是为了认识现实世界，也就是说，虚拟实验最 终是要回到复杂具体的真实实验环境中的。我们从虚拟世界 获得的知识，其在现实世界中的有用，或者说有效程度，取 决于虚拟对现实的模拟程度。目前的虚拟大学物理实验基本 上都是理想化的：仪器是标准的，方法是正确的，环境是理 想的，结果是完美的，一切都是无误差的，因为都是由设计 好的程序来实现的。但真实的实验环境却是复杂而具体的： 实验仪器需要组装、调试和校准，同一套实验方法的施行也 会因人而异，实验环境会因时因地而改变，实验结果也就包 含了多方面的误差在内。所以，如果能在

10、虚拟大学物理实验 中增加对一些对常见环境变化的模拟，考虑一些可预知的人 的因素，使其所虚拟的实验更加接近真实，其教学效果或许 会更加优秀。仍以迈克耳逊干涉仪实验为例，如果能把底座 不水平、两端镜距离过大（即超出相干长度）、两镜不平行 时如果夹角逐渐增大或减小、没放置补偿板等情况都模拟实 现的话，该虚拟实验与真实情况的差距即可得到进一步的改 善。2.4对创新实验能力的更多培养培养与提高学生创新思维、创新意识和创新能力是大 学物理实验课程教学的主要任务之一。与所有的实验教学 一样，创新能力的培养在大学物理实验课程教学中尤为 重要。在传统实验教学过程中，开展探索型实验是使学生获 得创新能力培养锻炼的

11、有效方式之一。与传统实验一样，虚拟实验也可分为演示型实验、动手 操作型实验和探索型实验。在探索型实验中，学生要经历从 实验设计到实验结果的整体过程，他们必须自己思考如何选 择及操作实验仪器，如何实施及改进实验过程，如何判断实 验数据的准确性和误差程度，如何总结规律或发现问题等 等。所以这类虚拟实验应该具备极强的交互能力：虚拟仪器 应具有真实设备的所有功能属性；实验操作应该可以自主调 整；测量结果应反映真实情况等。如此，学生方可通过虚拟 而探索出真知，达到对创新能力培养的目的。3结语在大学物理实验课程教学中，为了利用虚拟实验， 达到较好的教学效果，期望虚拟实验能在虚拟仪器的真实 性、对实验原理的更好体现、对实验环境的模拟，及对创新 能力的更多培养等方面做得更多更好。参考文献1 刘志远大学物理仿真实验的定位研究j.吉林省 教育学院学报，2011, 27 (11)： 133-134.2 原安娟，段苹，王吉友基于大学物理实验的虚拟 仪器探讨j.大学物理实验,2007, 20 (4)： 70-72.3 吕红英，吴先球，李凌燕，等利用虚拟仪器技术, 改革物理实验教学j.中山大学学报论丛，2006, 26 (5)： 66-