民族高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐

鄭建洲，張　萍，何洋洋，吳云峰，魏心波，潘　靜

(大連民族大學(xué)，遼寧 大連　116600)

?

民族高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)踐

鄭建洲，張萍，何洋洋，吳云峰，魏心波，潘靜

(大連民族大學(xué)，遼寧 大連116600)

大連民族大學(xué)隸屬于國(guó)家民族事務(wù)委員會(huì)，是以工科和應(yīng)用學(xué)科為主要特色的綜合性民族高等學(xué)校。因此，不論是教學(xué)模式，還是教學(xué)方法，都要從實(shí)際出發(fā)充分考慮民族高等教育的特點(diǎn)。文章以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為依托，針對(duì)我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中存在的問題，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，分析了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，探討了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮的作用。實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式是未來民族高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方向。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；教學(xué)模式；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

1　大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

物理學(xué)是研究物體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律以及物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的科學(xué)，是一門典型的實(shí)驗(yàn)科學(xué)?！洞髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)》是教育部規(guī)定的普通高等院校理工科學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課程，在人才培養(yǎng)的過程中發(fā)揮著不可替代的重要作用。首先，學(xué)生可以驗(yàn)證《大學(xué)物理》理論課程中學(xué)過的物理學(xué)原理，重現(xiàn)經(jīng)典的物理學(xué)現(xiàn)象，體驗(yàn)物理學(xué)家彼時(shí)的成就感；更重要的是，通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，既動(dòng)手又動(dòng)腦；另外，使學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和踏實(shí)的工作作風(fēng)，為后續(xù)實(shí)踐課程的順利開展打好基礎(chǔ)。

2　虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用實(shí)踐

我校作為面向全國(guó)招生的民族高等院校，有相當(dāng)比例的學(xué)生來自偏遠(yuǎn)落后的少數(shù)民族地區(qū)。各地教育水平不同，導(dǎo)致學(xué)生的基礎(chǔ)差異大，很多學(xué)生在初高中階段接觸物理實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)很少，甚至只觀看過教師做的演示實(shí)驗(yàn)，沒有親自動(dòng)手操作的經(jīng)歷。為了提高物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心曾多次對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和考核制度作出調(diào)整，然而并未達(dá)到理想的效果，我們認(rèn)為傳統(tǒng)的教學(xué)模式是限制教學(xué)質(zhì)量提高的瓶頸所在。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)形成的一種現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?014年3月，教育部首次批準(zhǔn)了100個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，其中就包括針對(duì)于大學(xué)物理的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于物理學(xué)、教育技術(shù)學(xué)、軟件開發(fā)等相關(guān)學(xué)科的理論，利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)造一個(gè)可視化的操作環(huán)境，學(xué)生可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)來操作，進(jìn)行相關(guān)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)。由于各校的現(xiàn)代化教學(xué)水平有差異，人才培養(yǎng)目標(biāo)又不同，因此，有必要根據(jù)各自的實(shí)際情況和人才培養(yǎng)目標(biāo)來開發(fā)符合本校特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，依托遼寧省普通高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目，組織建設(shè)了大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，成功地引入大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過兩年的探索，取得了顯著的效果，下面從五個(gè)方面總結(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在民族高校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐探索：

(1) 教學(xué)狀態(tài)由封閉式轉(zhuǎn)向開放式

已有的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程包括課前預(yù)習(xí)、課堂操作和課后總結(jié)三個(gè)部分。課前預(yù)習(xí)針對(duì)教材書面內(nèi)容進(jìn)行，欠直觀形象；課堂上，學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)既要掌握實(shí)驗(yàn)原理，熟悉各種實(shí)驗(yàn)儀器，又要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；課后，學(xué)生再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室重復(fù)操作或者開發(fā)新現(xiàn)象的機(jī)會(huì)有限?？傊芸陀^條件所限，教師要在特定時(shí)間特定地點(diǎn)組織學(xué)生完成特定的教學(xué)任務(wù)。

引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)，在課前做好充分的預(yù)習(xí)，例如觀看實(shí)驗(yàn)過程的演示視頻，自己動(dòng)手嘗試操作。這樣極大地方便了基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)，使他們“提前起跑”進(jìn)課堂；對(duì)于所有同學(xué)來說，經(jīng)過了這樣的預(yù)習(xí)，使課堂時(shí)間變得充裕，能夠多動(dòng)手多操作，享受實(shí)驗(yàn)帶來的樂趣；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，如果學(xué)生仍有興趣或者疑問，都可以隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)。也就是說，大學(xué)物理的教學(xué)狀態(tài)變成了開放式的，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的大門永遠(yuǎn)向?qū)W生敞開。

(2) 課堂教學(xué)從教師主體轉(zhuǎn)向?qū)W生主體

在目前的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂上，教學(xué)過程以教師為主體，學(xué)生處于被動(dòng)接受狀態(tài)，即按照教師的講解，遵循教材內(nèi)容來完成實(shí)驗(yàn)。這種模式對(duì)于學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)理論和實(shí)驗(yàn)方法是有利的，但是對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力方面，尚有缺陷。

對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生成為了主體，學(xué)生按照系統(tǒng)的提示進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，給了學(xué)生更多獨(dú)立思考的時(shí)間和空間，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。

(3) 實(shí)驗(yàn)環(huán)境從實(shí)物拓展到虛擬

在物理實(shí)驗(yàn)課中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于學(xué)生錯(cuò)誤操作導(dǎo)致的儀器設(shè)備損壞，這會(huì)在一定程度上影響學(xué)生繼續(xù)實(shí)驗(yàn)的積極性，也需要教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員課上課下花費(fèi)大量的時(shí)間精力來維護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀器和操作環(huán)境都是有計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行產(chǎn)生的，不怕錯(cuò)誤操作引起設(shè)備的損害。因此，學(xué)生的壓力小，更敢于動(dòng)手操作，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還可以方便地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，幫助學(xué)生快速準(zhǔn)確地揭示自然界的本質(zhì)和規(guī)律；對(duì)于教師而言，既不擔(dān)心儀器損壞，又不擔(dān)心操作者的安全，更能把全部精力投入到教學(xué)工作中。尤其是對(duì)于危險(xiǎn)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，以及設(shè)備價(jià)格昂貴的實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ骄哂胁豢商娲莫?dú)特優(yōu)勢(shì)。

(4) 自主開發(fā)實(shí)驗(yàn)題目

基于大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷探索實(shí)踐，接下來要把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)推進(jìn)到近代物理實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等課程領(lǐng)域，充分發(fā)現(xiàn)虛擬仿真平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)。充分利用學(xué)生對(duì)軟件開發(fā)的興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，把學(xué)生吸引到大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試開發(fā)中來，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)驗(yàn)題目，組織虛擬物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等，對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)起到“拔尖”的作用。

(5) 校企合作

物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的軟件通常是由專業(yè)的軟件公司負(fù)責(zé)開發(fā)的，但是其中的物理原理和物理思想是由高校教研團(tuán)隊(duì)提供的，這是校企合作的成功典范，雙方必將互相促進(jìn)，提高受益。

(6) 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)既有利于教師教，又有利于學(xué)生學(xué)，猶如一支強(qiáng)心劑，給大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)注入新的活力。但是，虛擬實(shí)驗(yàn)不可避免地有其局限性，與實(shí)物實(shí)驗(yàn)有一定的差距。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的完善，絕對(duì)不能因?yàn)樘摂M而拋棄實(shí)物。

3　結(jié)　　論

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輔助大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作，可以完成傳統(tǒng)教學(xué)中無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，突破傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，采用實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式，更好地為民族高等教育服務(wù)。

[1]張林.虛擬仿真技術(shù)對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)影響的探究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015,28(1):116-118.

[2]段雪松,張旭,張志東.面向?qū)W生自主學(xué)習(xí)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(9):187-190.

[3]張明,李良榮.在大學(xué)物理教學(xué)中引入仿真測(cè)試技術(shù)提高教學(xué)成果[J].大學(xué)物理,2011,30(6):32-37.

[4]周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2008,22(5):106-109.

[5]譚守標(biāo),霍劍青,王曉蒲.計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,35(3):429-433.

[6]呂正.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2010.23(4):59-62.

Research and Application of Virtual Simulation Experiment in CollegePhysicsExperimentTeachinginDalianNationalitiesUniversity

ZHENG Jian-zhou,ZHANG Ping,HE Yang-yang,WU Yun-feng,WEI Xin-bo,PAN Jing

(Dalian Nationalities University,Liaoning Dalian 116600)

DalianNationalitiesUniversitywhichisunderthedirectadministrationoftheStateEthnicAffairsCommissionisacomprehensiveinstitutionofhigherlearningforethnicminoritiesstronginthedisciplinesofengineeringandappliedsubjects.Itisnecessarytoconsiderthecharacterizationsofethnichighereducation,eitherteachingmodel,orteachingmethod.Virtualsimulationexperimentisappliedinourcollegephysicsteachingsysteminordertomodifythedeficiencyoftraditionalphysicsexperimentteachingmodel.Theinfluenceandadvantagesofvirtualsimulationexperimentarediscussed.Strongincorporationbetweenphysicalexperimentandvirtualsimulationexperimentshouldbecarriedoutinfuturework.

collegephysicsexperiment；teachingmodel；virtualsimulationexperiment

2016-05-09

遼寧省教育廳遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(JG1 5DB083)；遼寧省普通高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目([2014]108號(hào))

1007-2934(2016)04-0123-03

O4-39

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.037