虛擬仿真技術在物理實驗教學中的合理應用

孫金芳 張 侃 韓玉龍

（安徽信息工程學院 通識教育與外國語學院， 安徽 蕪湖 241000）

物理學是一門以實驗為基礎的學科，實驗是學生進行自主探究、實踐的平臺。學生可以將課堂中學習的理論知識應用到實踐操作中，提高對知識的理解和應用能力；對于教師而言，開展物理實驗教學是培養學生創新思維、實踐能力的有效途徑。隨著現代科學技術的發展，信息技術為學生的學習帶來了全新的體驗，學生獲取知識的途徑變得更加多元化。目前，教育信息化已經成為各個院校教育改革的目標之一，信息技術的應用不能局限于PPT、視頻、音頻教學，學生也不再滿足于演示實驗?；谔摂M現實技術的物理實驗教學，以建構主義理論、具身認知理論、“做中學”理論為指導，認為學生認知的建構，需要從自身實際操作過程中獲取，強調了物理實驗教學在學生個人發展過程中的重要性[1]。虛擬仿真技術具有介入性、交互性和互動性，教師可以根據需求，在傳統物理實驗教學中注入新的活力，引導學生根據自己的興趣開展虛擬實驗，提高物理實驗教學的有效性，培養學生的創新思維和實踐能力，調動學生的學習積極性，以適應快速發展的社會對高質量人才的需求。以電學實驗為例，從物理實驗教學出發，探究利用數字化技術構建虛擬仿真物理實驗課堂的策略，為虛擬仿真技術在物理實驗教學領域的應用提供參考。

一、傳統大學物理實驗教學的不足

受到傳統教育觀念的影響，多數物理教師注重于對理論知識的傳授，忽視了實驗在物理教學中的重要作用，導致學生的創新思維和綜合能力沒有得到較好的提升。學生對實驗原理、實驗注意事項等的理解較為膚淺，只會以教師給出的步驟為標準機械的操作儀器，降低了學生對物理實驗的興趣。

（一）教學模式較為單一

由于學校對物理實驗重視程度不夠，導致物理實驗教學模式較為單一，幾乎所有的物理實驗都是預習、操作、處理實驗數據、撰寫實驗報告幾個基本流程。開展實驗課程之前，學生必須預習與實驗相關的知識，了解實驗目的和具體操作步驟和方法，是提高實驗成功率的重要因素[2]。但在實驗預習中，學生并沒有以具體實驗設備為參照，只是反復研究教材中抽象的實驗原理，導致學生對物理實驗出現畏懼情緒，以敷衍的態度完成實驗預習工作，并沒有真正理解和掌握實驗相關的原理，為實際操作留下諸多隱患，降低了實驗的成功率與準確率。實驗課堂中，教師會為學生講解并演示具體實驗步驟，學生只需要復制操作步驟即可完成實驗，操作過程中學生不會主動思考該步驟實施的意義與目的，更不會對實驗進行創新。實驗結束后，學生只需根據教材給出的公式代入實驗數據，便可完成對實驗數據的處理，撰寫的實驗報告是統一的模板，學生對實驗報告的態度敷衍，甚至存在抄襲現象，對數據處理的能力和對實驗原理的理解不佳，難以將所學知識真正的運用到實踐中。

（二）實驗內容缺乏創新性

多數學生和教師都覺得物理實驗，具有非常明顯的程序性，完成實驗難以帶給學生成就感。究其主要有：原因一，學生使用的實驗教材需要長期的積累與編撰，且同一版教材會使用許多年，缺乏創新性，教師年復一年的將相同教學內容傳授給不同的學生，使其在常年教學工作中逐漸出現疲勞感[3]。其二，現階段，物理實驗多為驗證性實驗，缺少設計性、探究性實驗。課堂教學的每一個實驗都有明確的實驗目標、實驗步驟和數據處理方式，使用的實驗設備、器材、數量等已經為學生提前備好，限制了學生的創新思維發展，學生沒有機會自主設計實驗，并完成實驗。此外，學生如果不根據教師給出的步驟進行操作，可能會出現實驗安全問題、導致實驗設備出現故障，限制了學生對未知事物探索的能力。

（三）學生對物理實驗態度消極

受應試教育的影響，學生對實驗課程的重視程度遠低于基礎的理論課程，教師需要在非常短的課時內為學生演示實驗、介紹實驗設備和儀器的使用方法、注意事項，并引導學生根據實驗內容完成操作，學生必須緊跟教師步伐才能完成實驗，幾乎沒有獨立思考、分析問題的時間，更沒有機會設計實驗，導致實驗課程教學效率較低。因此，多數學生參加物理實驗課程僅是滿足教學要求，對實驗的態度消極，沒有嚴格按照教師要求操作，導致得出的實驗數據和結論精確度較低，對實驗設備造成損傷。為了幫助學生掌握實驗原理和儀器基本操作方法，教師會選擇班級中學習能力較強的學生進行指導，然后由他們利用課余時間向其他同學講解實驗原理、操作步驟等，便于學生溝通和學習。但學生彼此講解實驗相關內容時，沒有對應的實驗儀器可以操作，抽象的理論知識難以激發學生的學習興趣，教學效果依舊難以達到預期[4]。

（四）物理實驗設備不完善

與理論課程相比，開展實驗課程需要投入大量資金，學生人數與實驗儀器的比例失調，學生只能通過小組合作的形式完成實驗，且不是每個學生都有機會進行實驗操作。難度較大的實驗一般由教師演示完成，學生只能通過觀察獲取相關的知識，不能親自動手操作，學生對物理的探究興趣和創新意識會逐漸減少。此外，學校專業的物理實驗教師數量有限，對于實驗器材、設備的維護存在滯后性，且實驗室中的部分儀器過于陳舊，學生使用多次維修的設備得出的實驗數據精確度較低，影響了學生對實驗原理和實驗結論的理解和認識。

二、虛擬仿真技術應用于大學物理實驗教學的優勢

虛擬仿真技術也被稱為虛擬現實技術，是一種由傳感技術、人工智能、計算機技術、多媒體技術等結合形成的一種具有視覺、觸覺、聽覺等多重感知的高度仿真虛擬環境。目前，多數高等院校均專門設立了虛擬仿真多媒體機房，以供學生操作實驗難度較大、危險性較大、實驗現象不明顯或所需儀器昂貴的物理實驗，幫助學生與虛擬環境中的事物產生交流、互動，使其產生身臨其境的感覺，增加學生動手實踐的機會，提高物理教學效率，培養學生的實踐能力和創新思維[5]。

（一）創設直觀的教學情境

與傳統物理實驗教學模式相比，虛擬仿真技術可以幫助學生創設更為直觀、具體的實驗學習情境，讓學生獲得更好的操作體驗。教師可以利用虛擬仿真技術為學生營造出與實驗內容相適應的教學情境，例如，以音頻、動畫、游戲等方式將物理實驗原理呈現給學生，活躍課堂氣氛，吸引學生的注意力，提升學生的課堂參與度，培養學生對物理實驗的學習興趣和學習動力，使學生形成對實驗原理、實驗步驟、實驗注意事項等的長期記憶。將虛擬仿真技術應用于物理實驗教學中，不僅可以營造生動的教學情境，還可以增加學生獲取相關物理知識的渠道，主動融入實驗情境中獲取知識，自主探究實驗中遇到的問題，逐步形成自己的知識體系[6]。

（二）突破實驗的時空限制

教師將虛擬仿真技術和物理實驗聯系起來，利用多媒體計算機將實驗室移動到教室中，突破現實中開展物理實驗的時空限制，學生可以在任何時間、任何地點，登錄校園虛擬仿真實驗平臺，根據自己的興趣和學習中的薄弱環節開展虛擬仿真實驗，拓寬物理實驗的覆蓋范圍，降低了有限的教學課時對物理實驗教學的影響。就實驗操作空間而言，虛擬仿真技術突破了現實中客觀因素或實驗難度的限制，學生不僅可以通過虛擬仿真實驗室了解宇宙星體的奧秘，還可以觀察原子的內部結構。就開展實驗的時間而言，在虛擬仿真實驗平臺可以追溯古今，且可以充分利用碎片時間，通過大數據、計算機摸擬等科技迅速獲得實驗現象和數據處理結果，得出正確的實驗結論[7]。例如，開展邁克爾干涉實驗，利用虛擬仿真實驗創建激光器、擴束透鏡和邁克爾干涉儀，通過調整反射鏡的位置，模擬出干涉現象，得出實驗結果。

（三）減少實驗儀器損壞率

受到傳統教育理念和升學考試壓力的影響，一些偏遠地區的教育資金投入不足，基礎教學、實驗設備相對落后，導致傳統實驗教學難以進行，與新課程標準要求脫節。此外，隨著素質教育的普及，學生的數量不斷增加，師資力量不足，實驗教學和理論教學一般會由同一個教師完成，實驗室的維護和管理需要消耗大量的時間和精力，導致多數學校物理實驗教學內容不豐富，利用虛擬仿真技術進行難度較大的物理實驗，能夠有效減少對實驗設備、器材等的消耗，避免實驗過程中由于儀器故障或操作不當引起的安全事故，學生可以根據學習內容和興趣大膽的操作實驗，培養和提升學生的探究意識和創新思維。

三、虛擬仿真技術應用于大學物理實驗教學的原則

虛擬仿真技術應用于物理實驗教學必須與物理課程特點和學生的學習特點相結合，充分發揮虛擬仿真技術的優勢，以學生為教學主體，選取難度適中、具有典型性、探究性的物理實驗，幫助學生加深對理論知識和實驗原理的理解，提高學生的學習效率，培養學生的實踐能力和創新思維。

（一）學生為主體的原則

現階段，教學已經由“教師為主體”轉變為“以學生為主體”，教學過程中所有的教學活動都應該圍繞學生展開，虛擬仿真技術的應用，能夠幫助學生更深入的理解物理知識，掌握物理規律和原理。開展虛擬仿真物理實驗前教師需要詳細了解學生對物理知識的掌握程度、認知水平，對實驗內容、實驗原理的理解程度，學生自主實驗過程中可能出現的錯誤或疑問，設計具有針對性的物理實驗教學內容和與學生認知能力相適應的教學模式，充分發揮虛擬仿真技術在物理實驗教學中的輔助作用，幫助學生更好的理解學習難點，掌握重點內容，學會利用物理知識解決實際問題的技巧和方法[8]。

（二）實驗典型性的原則

物理學科知識較為復雜，學習難度較大，實驗內容也相對較多，完成部分實驗時需要學生具備一定的實驗基礎，對實驗目的、實驗原理、實驗步驟、數據處理方法等有較為完整的理解和認識。因此，使用虛擬仿真技術進行物理實驗教學時應當將學生的學習能力和認知水平置于首位，提取實驗教學中較為抽象、學習難度較大的實驗，引導學生進行虛擬仿真實驗，理解相關的理論知識，對于實驗原理簡單，操作步驟易于理解的驗證型實驗，可以讓學生根據自己的興趣在課余時間自主完成[9]。利用虛擬仿真技術幫助學生完成物理中具有典型性的實驗，將抽象的概念具體化，培養學生“舉一反三”的學習方法和能力，提高實驗教學的有效性與針對性。

（三）自主探究學習原則

開展物理實驗課程的目的是培養和提升學生的實踐能力、分析和解決問題的能力以及自主學習能力。虛擬仿真技術引導下的物理實驗教學應當圍繞實驗課程教學目標，適當減少演示實驗比例，提升學生的課堂參與度和操作實驗的體驗感，鼓勵學生向他人展示自己，選取優秀的學生代表設計實驗，并利用虛擬仿真技術向其他人展示實驗現象和實驗操作過程，將自己實驗中總結出的知識、規律和注意事項講解給同學，教師對學生講解中存在的不足及時進行糾正與補充。此外，教師可以將虛擬仿真物理實驗平臺賬號留給學生，使其利用課后時間反復練習，復習所學知識，或者根據自己已有認識水平和興趣，設計不同類型的物理實驗，自行組成學習小組，開展探究實驗，形成自主學習、思考的習慣，培養學生自主探究能力。

四、開展虛擬仿真物理實驗教學的路徑

虛擬仿真技術的發展為物理實驗教學帶來了新的機遇，高危、不可逆、高耗能、高成本、大型實驗都可以利用虛擬仿真技術來實現。通過虛擬仿真技術開展的實驗具有立體、逼真、生動、高效的特點，使學生在實驗過程中理解理論知識、實驗原理和規律[10]。因此，虛擬仿真技術在各院校的普及率與利用率，建設專業的實驗教學團隊，與大型企業建立合作，為學生提供更好的實驗學習環境，為國家和社會培養出創新型、實踐型高素質人才。

（一）發揮虛擬仿真技術的輔助作用

將虛擬仿真技術應用于物理實驗教學，不僅可以引導學生完成現實中無法完成的實驗，還能夠為真實的物理實驗做資源、數據補充，將現實實驗與虛擬實驗資源結合，發揮虛擬仿真技術對實驗教學的輔助作用，節約實驗教學成本，提升實驗教學的有效性。學生可以充分利用自己的碎片時間在虛擬的實驗環境中反復練習基礎實驗操作步驟，了解實驗操作中的注意事項、實驗目的和數據處理方法等內容，提高實際操作的成功率，緩解實驗資源不足現象。教師在虛擬實驗環境中設置與實驗內容相關的問題，及時檢查學生的學習效果，糾正學生進行仿真實驗時存在的錯誤，提升學生的學習效率。

（二）構建專業的實驗教學管理團隊

虛擬仿真物理實驗對教師的綜合能力要求較高，教師需要花費一定的時間學習虛擬仿真技術，學校也應當構建專業的實驗教學和管理團隊，將虛擬仿真技術真正的運用到物理實驗教學中。因此，虛擬仿真技術在物理實驗實施初期，學校必須加強師資團隊的建設，引入跨學科教師，使物理學科教師在虛擬仿真技術普及過程中，逐漸掌握技術的應用方法，了解和領悟先進的技術在提升實驗教學效率中的優勢作用，精心設計具有探究性、實踐性、創新性的虛擬仿真物理實驗課題。此外，虛擬仿真技術在教師團隊的普及過程中，要適當引導對現代教學技術感興趣的學生，達到對虛擬仿真技術的宣傳作用。虛擬仿真技術在教學中的應用越來越廣泛，所以必須加強對虛擬仿真技術及其在實驗教學應用的宣傳，建設專業的虛擬仿真物理實驗教學管理團隊，使更多師生了解虛擬仿真技術輔助物理實驗教學的優勢，加強對虛擬實驗室的管理和維護，使虛擬仿真技術在物理實驗教學中得到長遠的發展。

（三）構建和完善虛擬仿真實驗平臺

利用虛擬仿真技術開展的物理實驗項目必須以完成實驗教學內容和教學要求為主，實驗原理必須具有高度準確性，教學內容安排要合理、難度適宜，實驗時長得當，綜合多種實驗教學方法，將線上實驗、線下交流互動相結合，提升虛擬仿真物理實驗項目的有效性、可靠性和吸引力。學生在虛擬仿真實驗平臺進行實驗時，不僅要能夠獨立完成物理實驗，還要確保學生的數據等信息安全。由于虛擬仿真實驗室建設難度較大，管理費用較高，學校構建和完善虛擬仿真實驗平臺時必須綜合考慮，使其滿足不同水平、不同層次、不同區域學生的學習需求，實現教育資源共享。平臺必須具有高度的兼容性、開放性、擴展性和前瞻性，例如，本校局域網登錄虛擬仿真實驗平臺，可免費利用虛擬仿真實驗資源操作實驗，而其他學校的學生或教師使用平臺時必須支付一定的費用，這樣不僅可以實現教育資源共享，還可以為完善虛擬仿真實驗平臺提供一定的資金支持。

（四）加強與大型技術型企業的合作

加強與大型技術型企業的合作是培養高素質人才的有效途徑，充分利用大型企業的技術和研發實力，將先進技術、物理實驗、社會工程等有機結合。學校建設虛擬仿真物理實驗室初期需要資金與技術的支持，與大型企業建立長期合作關系，利用企業的技術資源降低虛擬仿真物理實驗室的建設難度。在校企合作開發和建設虛擬仿真物理實驗室的過程中，教師需要向企業技術人員提供合適的實驗教學內容，還應當積極與企業技術人員探究虛擬仿真技術相關的問題，在學習先進技術的同時，確定裝備、技術和相關實驗內容的匹配度，使實驗平臺能夠更高效、更穩定的幫助學生完成各類物理實驗，為虛擬仿真物理實驗室的發展奠定基礎。

建設和普及虛擬仿真物理實驗室是現代教育信息化發展的必然趨勢，是物理實驗教學改革的有效方法。虛擬仿真技術和物理實驗教學的結合，必須以教學理念和信息化技術為基礎，致力于培養和提升學生的創新思維、實踐能力，提升物理實驗教學效率和教學質量，以現代先進技術助力物理實驗教學快速發展。虛擬仿真技術在物理實驗教學中的應用還處于起步階段，設計虛擬仿真實驗教學環境需要綜合考慮多種因素，加大研發力度，突破虛擬仿真技術自身存在的局限性，為學生提供更加舒適、逼真、流暢的實驗教學情境。目前，由于缺乏虛擬仿真物理實驗教學經驗，相關數據存在單一性和局限性，需要教師和相關研究者進一步深入研究，總結試點，嘗試探索虛擬仿真技術應用于物理實驗教學對學生思維能力的影響，充分發揮現代數字信息技術對物理實驗教學的促進作用。