我校大学物理虚拟仿真实验室建设

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摘要：本文分析了目前大学物理实验教学的不足及我校的实际情况，提出开设出大学物理虚拟仿真实验课程的必要性，认为虚拟仿真物理实验为多元化实验教学模式提供了更有力的工具，丰富了物理实验内容。

关键词：虚拟仿真；物理实验；多元化

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0230-02

一、引言

实验教学是高等教育的重要组成部分，是学生实践能力和创新能力培养的必需环节。1961年摩根扎特（G.W.Morgenthater）首次对“仿真”进行了技术性的定义；1984年Oren给出了仿真的基本概念，提出了“仿真是一种基于模型的活动”的定义，被认为是现代仿真技术的一个重要概念[1]。近年来，随着计算机普及和网络技术的发展，虚拟仿真技术被广泛应用于实验教学，开创了一种新的实验教学方式――虚拟仿真实验[2，3]，它打破了实验时间、空间、仪器套数的限制，采用虚拟仿真实验与实物实验相结合的教学模式，激发了学生的实验兴趣，提高了实验教学质量[4，5]。本文就我校建设虚拟仿真物理实验取得的经验和成果作一介绍。

二、我校大学物理实验教学的现状

大学物理实验课程是理工科学生进入大学后最先接触的实践课，是学生接受系统的实验方法和实验技能训练的开端。该课程中所涉及的实验知识、实验技能和实验方法是后继实践训练的基础，也是学生以后从事各项科学探索和工程实践的基础，同时该门课程涉及知识面广，接触各种类型仪器机会多，为后续课程内容的学习和知识扩展打下基础，是其他课程的实验环节所难以替代的。大学物理实验课在实现我校的人才培养战略中承担如下任务：（1）物理实验的基本理论和知识的学习；（2）实验技能的学习和动手能力的培养；（3）实验数据处理能力的培养和提高；（4）实验结果的综合分析和表述能力的培养；（5）针对我校的研究型大学定位，突出以物理实验为载体，进行实验设计能力、实践探索精神、创新意识和创新能力的培养。根据大学物理实验课程在我校人才培养过程中的的地位、作用和任务，我校物理实验教学中心在实验教学队伍建设和优化、层次化课程体系建设、实验开放教学模式探索、研究性教学实践和实施创新教育以及实验室开放运行与管理机制健全等方面进行改革，取得了长足的进步及具有推广价值的成果。2007年被评为北京市实验教学示范中心。但相比同类院校而言，我校物理实验教学中心所开放的实验项目（40个实验项目）还远远不够。鉴于增加实验开放项目总数所带来的资金的投入、实验用房面积的增加和人员编制等问题及我校实际办学条件，建设虚拟仿真实验室，开设仿真物理实验课是目前解决这些问题的有效途径。

三、虚拟仿真实验概述

虚拟实验室（Virtual laboratory）最早是由美国的William Wolf教授在1989年提出的概念。计算机、多媒体网络技术在网络教育中的广泛运用，使得学习的资源更加丰富，学习的形式更加多样化，学习的安排更加灵活，这些都大大促进了网络教育的迅速发展。同时虚拟仿真技术的蓬勃发展，为成功建设虚拟仿真实验室提供了基本条件。虚拟仿真实验模式有如下特点与优势[3]：（1）降低实验成本，减少校院财政支出。（2）解放学生思想，开发创造性思维。虚拟仿真物理实验系统不会让学生因为担心元器件的损坏而畏首畏尾，为学生提供大胆探索的实验环境。（3）增强学习兴趣，理论与实践有机结合，预习及复习筑固所学知识[6]。我校的学生生源，很大部分来自边远地区，学生在中学时代几乎没有走进过实验室，对实验方面的知识基本上来自课本，对实验没有感性的认识。虚拟仿真实验室的建设提前让学生通过网络了解所作实验，带着问题走进实验室，既提高了学生实验操作效率，又激发了学习兴趣。（4）弥补现实教学中内容的不足，解决供需矛盾，丰富实验内容，拓宽学生学术视野。（5）虚拟仿真物理实验教学可实行网络远程教学[3，6]。学生在本地计算机上通过安装一定的程序便可使用安装在远程服务器上的虚拟仿真实验，完成实验过程。（6）开放性[7]。网络实验打破了传统实验的模式，学生不再受时间、空间的制约，可随时、随地进入虚拟实验室进行虚拟实验操作。

四、我校虚拟仿真实验室建设

我校在引进中国科技大学开发的《大学物理仿真实验2.0 for windows》[8]V2.5版本基础上，架构建成网络虚拟仿真物理实验室。目前我校的大学物理虚拟仿真实验室已初具规模，拥有专门的虚拟实验室及性能良好的IBM（XSERIES_3500）服务器一台，包括力、热、电、光、电子线路、近代物理等学科的50多个实验项目及实验仪器库，不仅包含《大学物理实验》课程开设的实验项目，还开发了傅立叶光学实验、介电常数的测量、喇曼光谱实验、牛顿环测量曲率半径、透射式电子显微镜、受迫振动、扫描隧道显微镜（STM）等实验项目。学生通过我校“大学物理实验教学管理系统”点击“虚拟仿真实验”便可进入虚拟仿真实验的“实验大厅”（如图1），在此页面下双击某个实验，安装完毕后就可对该实验进行操作。如果想初步了解某个实验，单击它便可出现“实验简介”、“实验原理”、“实验内容”、“实验仪器”、“在线演示”及“实验指导书下载”等不同的功能模块。双击该实验便可进行实验操作。如图2所示，击右键在弹出的窗口选择“开始实验”即可进行实验操作，系统自动记录实验数据，完成后实验者可进行数据处理及实验报告的撰写。从2009级中部分学生抽样试运行的反馈信息来看，学生反映良好，取得了一定的教学效果；同学们对这种全新的实验方式、与实验室不一样的教学氛围以及丰富的操作内容感到满意，从而激发对大学物理实验的兴趣，提高了对该实验课程的重视程度。下一步工作，我们希望在软硬件及人员配置各个方面能得到学校的大力支持，开设出大学物理虚拟仿真实验课程，营造多元化教学环境，用更多的实验内容开扩学生的视野。

多元化教学模式必将代替保持几百年的教育教学模式成为一种主流，虚拟仿真物理实验为多元化实验教学模式提供了更有力的工具。该实验结合我校以工为主的多科性石油类高等院校的特色，发挥多元化教学模式的优势，使之在培养学生的创新能力、实践能力和研究能力上发挥重要的作用，为培养有鲜明个性的复合型石油类人才作出贡献。

参考文献：

[1]赵英侠.基于探究式学习的物理仿真实验室的设计[D].长沙：湖南大学，2007.

[2]谭守标，霍剑青，王晓蒲.计算机虚拟技术在大学物理仿真实验教学系统中的应用[J].中国科学技术大学学报，2005，35（3）：429-433.

[3]周燕.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用[J].合肥学院学报，2008，18（3）：79-80.

[4]王晓蒲，霍剑青，杨旭，等.大学物理仿真实验和教学实践[J].物理实验，2001，21（1）：28-29.

[5]霍剑青，王晓蒲，杨旭，等.发展教育技术营造多元化教学模式的研究与实践[J].物理与工程，2004，14（2）：53-54.

[6]Dongil Shin，En Sup Yoon，Kyung Yong Lee，Euy Soo Lee.A web-based，interactive virtual laboratory system for unit operations and process systems engineering education[J].Computers and Chemical Engineering，2000（24）：1381-1385.

[7]霍剑青，王晓蒲，汤家骏，等.分层次的物理实验教学研究[J].实验室研究与探索，2009，28（4）：232-235.

[8]霍剑青，王晓蒲.大学物理仿真实验2.0 for windows[M].北京：中国科学技术大学出版社，1999.