虚拟仿真实验在物理实验课教学中的作用
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作者:张金凤 赵云飞 范海英 贾小文
摘 要：根据现代教学理念，分析了虚拟仿真实验的特点、优势，虚拟仿真实验在物理实验课教学中的作用，实践表明，虚拟仿真实验能充分发挥资源优势，能够发挥学生的主体作用，起到了资源共享作用，推动了实验考核改革，开展虚拟仿真实验改革与探索，提高了实验课教学质量。
关键词：虚拟仿真实验 实验教学 作用
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章編号：1674-098X（2020）03（b）-0220-02
随着计算机技术的迅猛发展，以网络技术为基础的物理虚拟仿真实验不断兴起，迅速进入物理实验课教学。根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020）》及《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教育项目建设的通知》精神，在教育网络化的时代大背景下，更新实验教学理念，积极建设物理虚拟仿真实验室并进行物理虚拟仿真实验教学改革与探索成为各大高校积极推进的方向，国内各类高校充分利用虚拟仿真技术的强大功能开创实验教学的新局面。
1 虚拟仿真实验的特点
虚拟仿真实验是基于虚拟现实技术的实验，随着虚拟现实技术的不断成熟，人们不断意识到虚拟仿真实验在教育教学领域的实用价值，虚拟仿真实验不但可以辅助科研工作，而且在实验教学上也具有许多独特的优点，从而，国内许多高校不断建设虚拟仿真实验室用于实验课教学。虚拟仿真实验一般情况下主要用于昂贵、精密的实验，成本较高的破坏性实验，实验条件受限的实验，由于种种原因（法律的、政治的、伦理的）不允许或不能通过现实实验达成实验目的的实验。随着科技的飞快发展，虚拟仿真实验已经由桌面式虚拟仿真实验发展到沉浸式虚拟仿真实验，沉浸式虚拟仿真实验具有高逼真虚拟仿真实验平台及环境的支持，并可开设具有设计性或研究性含有高新技术应用型的实验及探究型实验项目。虚拟仿真实验的开展旨在深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，着力提高实验课教学质量和实践育人水平。
2 虚拟仿真实验在物理实验课教学中的作用
近年来随着高等教育信息化教学改革的逐步推进，实验教学作为高等教育的重要组成部分，也自然进行了信息化、网络化教学改革的探索与研究。其中，虚拟仿真实验教学由于其独特的优势，比如可重复性、安全性、灵活性等，正在成为当今许多高校积极开发的重要内容。
2.1 虚拟仿真实验能充分发挥资源优势
实体实验教学依赖于实体实验仪器设备，实验仪器是制约实验教学的重要因素之一，实验仪器设备需要占用较大的空间，且部分实验仪器设备较庞大、昂贵、危险，很多高校由于空间及资金问题难以普及所有实验仪器设备，比如低真空实验、GM计数管实验、塞曼效应实验等物理实验，同时实验仪器设备也会因为老旧、老化无法完成实验，更新换代滞后，从而造成能开展的实验个数比较少，有些实验由于台、套数的不足，也只能采取多人一组的形式完成，从而难以达到良好的实验教学效果，难以按照要求顺利完成实验课教学任务。
虚拟仿真物理实验可以突破时间、空间等的限制，弥补实验仪器设备台、套数不足的局限性，并且可以开设多项物理实验项目，可以弥补有些实验仪器设备成本昂贵或者危险系数较高等因素带来的不足。虚拟仿真物理实验可以充分发挥资源优势，管理维护方便，给实验排课带来了便利，由于虚拟仿真实验的重复可操作性，也可以让学生在网上远程提前预习演练，完成预习环节，再进行实体实验，做到虚实结合，提高实验教学效果。虚拟仿真实验正在逐步成为理论研究和实验研究之后的高校实验的第三种科学研究方法[1]，可以让学生任意组装实验仪器设备，开展探索创新性实验。
2.2 虚拟仿真实验能充分发挥学生的主体作用
目前实验教学中有限的实验设备与课时难以让所有学生同时完全了解实验原理并进行实验;实验操作需要学生先熟悉实验仪器设备，难以迅速进行实验，降低了学习效率;固定的实验室让学生的学习地点固定，由于受空间、时间的限制，导致难以合理排课;危险系数较高的实验难以让学生实际操作了解实验过程和现象，而只是停留于对原理的学习与了解，实验仪器设备的利用率不高，学习效果较差;大型、贵重实验仪器设备更是存在类似的情况。
虚拟仿真物理实验立足于实体实验，能充分发挥学生的主体作用，即以学生为中心的教学理念，在教学中更便于激发学生学习兴趣，充分体现了启发式教学、研讨式教学等教学方法的作用。虚拟仿真物理实验软件可以实现网络化统一管理，软件平台共用，使用不受空间和时间的限制，可以提供相关的物理实验器材库，让学生可以自由联想，设计并创新实验，易于培养学生的创新思维，引导学生主动学习，主动思考。特别是当今兴起的VR虚拟仿真实验模式，实验原理采用3D动画形式来说明，把抽象的概念转变为具体的形象，让学生更便于理解，支持虚实交融情景、3D的显示效果、好的沉浸体验，发挥了学生的主体能动作用，教与学互动性强，可以全方位地进行交流沟通，提高了课堂效率。目前，VR虚拟仿真物理实验在国内多所高校中已有应用，解决了现有虚拟仿真实验软件僵硬的虚拟仿真环境，功能简单老旧，无法反映最新的实验技术和计算机技术发展的现状，可以开设场景逼真的虚拟仿真实验项目，明显提升了物理实验教学效果。
2.3 虚拟仿真实验能充分发挥资源共享作用
实验课教学因为实验仪器设备问题而影响实验教学效果的难题一直以来是困扰大家的一个问题，虚拟仿真实验的开展无疑是一个较好的尝试，由于其网络性、开放性、自主性的特征，虚拟仿真实验起到了平台的作用，能够多人共享教学资源与学习资源，实现了资源共享。目前很多高校正致力于建设示范性虚拟仿真实验中心，并开通共享模式，真正实现了资源共享交流的作用。很多高校在建设虚拟仿真实验室的同时，引入智慧教室的环境，实现创新教学模式，在此基础上能够开设实验必修课与选修课教学共用资源，做到了开放式的应用环境，实现了跨学科应用，实现了新技术平台的引进与共享。 建立共享机制，进一步提高教学资源的利用价值和利用效率是未来虚拟仿真实验的发展趋势[2]。虚拟仿真实验在提高师生学习兴趣的同时，也将极大优化和丰富高校实验教学资源，对培养学生的实践、研究、创新能力起到不可估量的作用[3]。南开大学物理科学学院充分利用了互动性、可视化等智慧教室理念建设并投入使用TEAL教室，這种基于现代技术的教室及教学方法推动了教学改革，进一步提升了教学质量和教学效率，受到各高校的高度关注。华东师范大学也已经建设了基于智慧教室环境的物理VR虚拟仿真实验室用于物理实验课教学。受此启发，本院拟进行虚拟仿真实验室的升级改造，建设基于智慧教室环境的虚拟仿真实验室，并力推资源的共享作用。
2.4 虚拟仿真实验推动实验考核改革
实验实操考核一直以来存在较大的难度，由于实验仪器设备台、套数不足，导致实现所有学生同时进行实验考核难以开展。虚拟仿真实验考核模式，由于其资源共享的特点，充分利用了网络资源的优势，采用线上线下相呼应，能够顺利承担所有学生同时进行实验操作考核的任务，实现了实验考核的改革创新。北京联合大学以激发兴趣为目标，创设浓厚科学文化氛围，充分利用虚拟仿真实验平台开展预习及实验考核。本院现有仿真实验考核系统为自主研发，已投入使用于物理实验课考核，下一步加入实操仿真实验考核，必将大大解决实操考核一直比较困难的问题。
3 结语
虚拟仿真物理实验教学将先进技术与物理实验教学相融合，符合教育改革创新要求，提高了实验课教学质量，充分体现了其建设的意义和必要性。教育部决定在2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，计划认定1000项左右示范性虚拟仿真实验教学项目。2017年共有303个项目参与申报，最终认定105个社会评价高、应用效果好、示范性强的项目。由此可见，虚拟仿真技术作为新型实验教学模式正在支撑高等教育教学质量的全面提高，正在逐渐引起国家的重视。开展虚拟仿真实验课教学改革无疑是顺应时代，提高实验课教学质量的良好举措。
参考文献
[1] 吕习栋.关于提升高校虚拟仿真实验室作用的思考[J].现代职业教育，2018（22）：137.
[2] 韩璐.“互联网+”背景下虚拟仿真实验在物理实验教学中的应用和发展[J].吉林省教育学院学报，2018（12）：101-103.
[3] 张苹，杨海峰，丁雷.理工类虚拟实验建设问题初探[J].亚太教育， 2016（1）：141.
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