余觀夏，林楊帆　駱敏　蘇峻　濮興庭　張林

摘要：網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗教學(xué)是在計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上采用的一種新型的物理實驗教學(xué)模式，其獨特的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、共享性、高效性和開放性，可以彌補(bǔ)實體實驗的不足。將其有效地和實體物理實驗相結(jié)合，可促進(jìn)物理實驗教學(xué)改革，提高物理實驗教學(xué)的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；虛擬實驗；物理實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）26-0276-02

一、引言

近幾十年來，隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息技術(shù)的迅速發(fā)展，運(yùn)用計算機(jī)軟件技術(shù)和通信手段將傳統(tǒng)物理實驗內(nèi)容做成虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗項目，不僅迎合現(xiàn)代大學(xué)生對信息技術(shù)的需求，同時作為一種新型的實驗教學(xué)手段，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗教學(xué)在硬件、空間和時間上的不足，拓寬實驗教學(xué)新模式，使傳統(tǒng)而又經(jīng)典的物理實驗教學(xué)煥發(fā)新的活力。對網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗教學(xué)進(jìn)行深入研究，在促進(jìn)物理實驗教學(xué)改革，提高物理實驗教學(xué)質(zhì)量和效率，推動和促進(jìn)物理實驗教學(xué)發(fā)展，具有重要意義。

二、網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗的優(yōu)勢

1.虛擬物理實驗的經(jīng)濟(jì)性。設(shè)立在計算機(jī)中的虛擬物理實驗沒有場地限制，學(xué)生既可以在實驗室的虛擬實驗室中完成，也可隨時隨地在任何有網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)和手機(jī)上完成實驗內(nèi)容，沒有空間、耗材使用和儀器損耗的問題，不受空間和時間等外界條件的限制，降低了實驗經(jīng)費(fèi)。同時，虛擬物理實驗項目僅需要進(jìn)行定期的計算機(jī)維護(hù)，降低了實驗技術(shù)人員在儀器維修和耗材購置上的人員成本。

2.虛擬物理實驗的可靠性。物理實體實驗中，客觀條件對實驗的影響很大，例如不同的溫度、濕度和氣壓條件，以及市電的波動，都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。由于學(xué)生缺乏對復(fù)雜條件下實驗結(jié)果不確定的分析，不能理解不同條件下獲得的不同實驗結(jié)果，就會對整個實驗過程產(chǎn)生懷疑。虛擬實驗的標(biāo)準(zhǔn)條件的設(shè)置，可以克服客觀條件的不確定性，使得初次進(jìn)行實驗的低年級學(xué)生對實驗過程的原理、操作過程和實驗結(jié)果有了確定性的積極認(rèn)識。同時，物理虛擬實驗?zāi)軌蚩朔嶓w實驗的不安全性，虛擬實驗不會因操作失誤而造成人身事故。

3.虛擬物理實驗的共享性。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗以計算機(jī)大容量的存儲介質(zhì)為平臺，運(yùn)用計算機(jī)或計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，以軟件實現(xiàn)實驗的可視化和模擬操作。在傳統(tǒng)的實體實驗教學(xué)中，一方面由于單個實驗項目沒有實體實驗人數(shù)的限制，學(xué)生無法自由地進(jìn)入實驗室完成所需的實驗項目；另一方面，由于時間的限制，在實驗過程中，學(xué)生沒有更多地機(jī)會仔細(xì)研究實驗內(nèi)容和實驗過程，實驗教學(xué)效果很難得到保證，而虛擬實驗則不受實驗空間和時間的限制。

4.虛擬物理實驗的高效性。虛擬實驗中豐富而又集中的網(wǎng)絡(luò)實驗資源，良好的在線幫助和學(xué)習(xí)功能，可以幫助不同層次的學(xué)生根據(jù)自身的知識特點和實驗?zāi)芰?，自主、靈活地迅速掌握實驗原理所需的相關(guān)物理和數(shù)學(xué)知識，準(zhǔn)確地把握實驗的具體目標(biāo)和要求以及在操作中的注意事項，在較短的時間內(nèi)完成實驗操作。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗完全模擬現(xiàn)實的實驗環(huán)境，為學(xué)生在計算機(jī)上即點即展開的儀器性能和原理進(jìn)行說明，讓學(xué)生形成直觀的感性認(rèn)識。

三、網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的不足

網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗作為物理實驗教學(xué)的拓展和補(bǔ)充，展示了網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)在物理實驗教學(xué)中的特色和優(yōu)勢。但由于虛擬物理實驗自身存在的不足，它無法替代傳統(tǒng)實體物理實驗在實驗教學(xué)過程所發(fā)揮的作用。

首先，雖然虛擬實驗?zāi)軌蛲耆M實物物理實驗的環(huán)境和儀器設(shè)備外形，但學(xué)生通過視頻對實驗環(huán)境和儀器的感性認(rèn)識不如親臨實驗環(huán)境和感觸儀器的真實認(rèn)識；同時在虛擬實驗過程，通過鼠標(biāo)或觸摸式搭建和操作的實驗過程，也不似實體實驗中儀器間接線連接和實驗中旋鈕旋轉(zhuǎn)力度的真實感覺，學(xué)生的動手能力得不到訓(xùn)練和強(qiáng)化。

其次，虛擬物理實驗情境中，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)資源和虛擬實驗提供的輔助材料，根據(jù)實驗步驟一步一步地完成儀器的連接和實驗操作，沒有可能出現(xiàn)實體實驗中種種無法預(yù)測的問題。同時，在完成虛擬實驗過程中，面對毫無感覺的計算機(jī)和軟件系統(tǒng)，對學(xué)生思維的正常發(fā)展和健康人格的形成將產(chǎn)生負(fù)面影響。

最后，虛擬實驗是通過軟件實驗場景和儀器圖片的再現(xiàn)，通過程序的設(shè)置讓學(xué)生按照步驟完成實驗。由于軟件不能窮盡實際實驗中出現(xiàn)的各種問題，對虛擬實驗中學(xué)生出現(xiàn)的問題只能簡單地報錯，學(xué)生可以不需要思考為什么，只是通過不斷試錯獲得正確的結(jié)果，在一定程度上抑制了學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。

四、虛實結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)

實體物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)中發(fā)揮著重要作用，是學(xué)生驗證所學(xué)知識，獲取新知識、方法和能力必不可少的課程之一。而網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗以網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助實體物理實驗，為學(xué)生提供多角度、形象的物理模型、物理過程和物理圖景。其豐富的聲像圖文信息，可以喚起學(xué)生對物理實驗課程的學(xué)習(xí)興趣。

1.先虛后實，提高實體實驗的質(zhì)量和效率。將實體實驗通過虛擬實驗的形式作為學(xué)生的預(yù)習(xí)內(nèi)容，有助于學(xué)生盡快熟悉實體實驗。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗為學(xué)生提供了全方位的實驗知識材料，能夠使學(xué)生了解實驗操作全過程，學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)記錄和處理，了解實驗中可能出現(xiàn)的問題，在培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力的同時，也為實體實驗打下基礎(chǔ)。

2.以虛補(bǔ)實，完善實驗課程體系。物理實驗中心由于場地和經(jīng)費(fèi)的限制，不能開設(shè)所有的經(jīng)典物理實驗來滿足不同專業(yè)和不同層次的學(xué)生需求。實驗中心開設(shè)的都是與學(xué)校特色和優(yōu)勢專業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)物理實驗，而其他一些經(jīng)典的與學(xué)校特色專業(yè)相關(guān)度不高的物理實驗，則很少開設(shè)。此外，一些近代物理實驗，由于儀器昂貴和占地大，所需的物理知識較多，加之實驗時間長，調(diào)節(jié)和實驗過程比較復(fù)雜，很多普通的工科院校沒有配置這些實驗。

3.以虛探實，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實驗中心的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗平臺可以提供力、熱、電磁、光和原子物理的實驗?zāi)K單元，學(xué)生可以根據(jù)創(chuàng)新實驗內(nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)哪K，在虛擬平臺上進(jìn)行創(chuàng)新實驗的搭建，然后進(jìn)行探索性研究，觀察實驗結(jié)果，對不同的指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，通過改進(jìn)和完善，提高創(chuàng)新實驗的效果。在此基礎(chǔ)上，通過實驗硬件平臺搭建和完成實驗。虛擬實驗平臺的使用，會極大提高創(chuàng)新實體實驗的成功率，還可以預(yù)知實驗可能出現(xiàn)的問題，獲得對創(chuàng)新實驗性的可行性評估，降低實體實驗失敗的風(fēng)險。

通過虛擬實驗研究探討實體實驗，不僅可以節(jié)約實驗經(jīng)費(fèi)和實驗時間，還能鍛煉學(xué)生對創(chuàng)新實驗設(shè)計、改進(jìn)的能力，提高學(xué)生的綜合科研素質(zhì)。

五、結(jié)論

隨著網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬物理實驗的功能將逐步完善和強(qiáng)大。作為傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的有益補(bǔ)充，虛擬物理實驗不僅為傳統(tǒng)的經(jīng)典物理實驗注入新的活力，還突破了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，促進(jìn)物理實驗教學(xué)理念和教學(xué)方式的改革，提高物理實驗教學(xué)質(zhì)量和效率，推動大學(xué)物理實驗教學(xué)發(fā)展。

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