張納+任大慶

摘要：基于網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)物理虛擬實驗中心建設(shè)已經(jīng)起步，虛擬與真實的實驗中心的建設(shè)為大學(xué)物理實驗教學(xué)構(gòu)建新的全方位立體化的教學(xué)模式。隨著高等教育的大眾化，虛擬實驗中心建設(shè)的深入化和普及化成為新的課題。本文主要分析虛擬與真實的實驗中心的發(fā)展現(xiàn)狀和存在問題，指出創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗中心是少投入多受益、資源共享的一種全新的辦學(xué)理念，是高校未來發(fā)展的必然趨勢。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗中心；大學(xué)物理；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0218-02

一、引言

真實的大學(xué)物理實驗是一門理工科學(xué)生進行系統(tǒng)科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的實踐課。隨著信息時代的到來，計算機技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，該課程的原有課堂教學(xué)模式已不能適應(yīng)時代的要求。虛擬仿真實驗教學(xué)模式在高校教學(xué)中悄然興起，它是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。2014年3月，教育部首次批準(zhǔn)了100個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，其中只有中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)一所院校的物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心獲批。大學(xué)物理虛擬實驗中心普及化的建設(shè)正在起步，虛擬與真實（虛、實）的實驗中心的建設(shè)對大學(xué)物理實驗教學(xué)帶來重大的變革。

二、虛、實結(jié)合，構(gòu)建全方位立體化的教學(xué)模式

1.實驗室管理（儀器、教務(wù)）數(shù)據(jù)化。虛擬實驗中心的建設(shè)為實驗教學(xué)的教務(wù)、固定資產(chǎn)的管理提供數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化的管理模式。目前，大學(xué)物理實驗網(wǎng)上選課系統(tǒng)在大部分高校已經(jīng)普及，學(xué)生可以在網(wǎng)上根據(jù)自己的時間、興趣預(yù)約所學(xué)實驗項目，實現(xiàn)了網(wǎng)上自主選課。教師根據(jù)學(xué)生預(yù)習(xí)、課堂操作、數(shù)據(jù)處理的情況給出成績，錄入選課系統(tǒng)中。學(xué)生能第一時間知道成績，如果其對成績有異議，可以網(wǎng)上留言或找教師詢問，實現(xiàn)有問題可以及時解決，讓師生之間的溝通更及時、暢通。大學(xué)物理實驗儀器、設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)化管理，可以面向社會共享資產(chǎn)，實現(xiàn)資源利用率的最大化。

2.師資隊伍多元化。大學(xué)物理虛擬實驗中心與實驗教學(xué)系統(tǒng)是并行發(fā)展、相互促進的關(guān)系。虛擬實驗中心的建設(shè)除了需要物理專業(yè)教師、教務(wù)管理人員，還需要計算機技術(shù)人員、網(wǎng)絡(luò)維護人員等。師資隊伍的組成向多元化發(fā)展，大學(xué)物理實驗中心要同時進行虛、實實驗中心的建設(shè)、發(fā)展與維護，使兩者相互融合，更好地為教學(xué)服務(wù)。

3.時空間延展跨越校園。隨著網(wǎng)絡(luò)走進千家萬戶，基于網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)物理虛擬實驗中心的建立使得校園的圍墻不復(fù)存在。虛擬實驗中心不受地域、人員、儀器、設(shè)備、時間的限制，如果24小時運行，訪問者可以全天候地進入虛擬實驗中心學(xué)習(xí)、交流，尤其是對教育發(fā)展較落后地區(qū)的人員來說可以身臨其境地開展物理實驗的學(xué)習(xí)。虛擬實驗中心的建立能實現(xiàn)資源利用的最大化，體現(xiàn)教育面向大眾的教育理念。

4.教學(xué)模式多樣化。物理虛擬仿真實驗是中心建設(shè)的重要組成部分，通過計算機仿真或模擬現(xiàn)實中的物理實驗環(huán)境，使實驗者有身臨其境的感覺，突破原有的教師現(xiàn)場講實驗、學(xué)生做實驗的單一教學(xué)模式。學(xué)生可以在計算機上模擬完成整個實驗過程，實時顯示實驗結(jié)果，如果出現(xiàn)錯誤，會給出提示，讓學(xué)生進行修改，當(dāng)正確時可以進行下一步。學(xué)生在虛擬的未知環(huán)境中探索，無須擔(dān)心誤操作，損壞儀器，使其好奇心可以得到充分滿足。虛、實實驗的結(jié)合使學(xué)生在課堂外有機會模擬實驗儀器操作，有充分的時間消化實驗內(nèi)容，而且課堂內(nèi)也可以獨立完成實驗操作，解決真實實驗中出現(xiàn)的問題。虛擬仿真實驗可以完善真實實驗教學(xué)中預(yù)習(xí)、測試的薄弱環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在虛擬實驗中完成并給出相應(yīng)成績，是對真實實驗教學(xué)的有益補充。

三、大學(xué)物理虛擬實驗中心發(fā)展存在的問題及思考

虛擬仿真實驗最早可以追溯到1996年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制出版了《大學(xué)物理仿真實驗》DOS版本，同年創(chuàng)建了國內(nèi)第一個仿真虛擬物理實驗室。經(jīng)過十多年的發(fā)展，該套實驗系統(tǒng)包括近60個仿真實驗內(nèi)容，并且開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)版軟件，基于網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)物理虛擬實驗中心已初具規(guī)模。該系統(tǒng)已在20多所高校使用，并取得較好的教學(xué)效果。同時，全國多媒體課件大賽的成果為虛擬實驗中心的建設(shè)提供非常好的素材。虛擬實驗中心的建設(shè)不是一蹴而就的，它需要一代甚至幾代人的建設(shè)與完善，才能構(gòu)筑出信息高速公路上暢通運行的大學(xué)物理虛擬實驗中心。

1.師資結(jié)構(gòu)要符合虛、實實驗中心的發(fā)展要求。大學(xué)物理虛擬實驗中心，依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能。以中科大物理類國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心為例，它主要依托物理學(xué)院、計算機學(xué)院、核科學(xué)技術(shù)學(xué)院、信息學(xué)院等相關(guān)學(xué)科的科研力量和實驗教學(xué)資源，在國家級物理實驗教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上而組建的。由此可見，如果實現(xiàn)大學(xué)物理虛擬實驗中心的普及化，構(gòu)建一支穩(wěn)定的多元化師資隊伍勢在必行，可以打破傳統(tǒng)的以學(xué)院為編制的人員建設(shè)，組建大學(xué)物理虛擬實驗中心建設(shè)團隊，最大限度地完成技術(shù)、資源、人才、時間的有效利用。

2.虛擬仿真實驗的制作要以增加學(xué)生的主動性為目的?，F(xiàn)階段，虛擬仿真實驗以獨立的實驗項目結(jié)構(gòu)模式為主，給定實驗儀器，讓學(xué)生必須按照給定的實驗步驟完成實驗，這限制了學(xué)生獨立思考的空間。在真實的實驗教學(xué)中，學(xué)生在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)比較薄弱，有的學(xué)生到實驗室做實驗做錯實驗臺還渾然不知。因此，在未來的虛擬仿真實驗制作中，應(yīng)設(shè)立儀器庫，使每個儀器可以獨立操作，也可以組合使用，讓學(xué)生可以自己組裝實驗項目所需的儀器。這樣制作的優(yōu)點是教師可以通過學(xué)生選取的儀器，了解其對實驗項目的掌握程度。該設(shè)計方案可以為學(xué)生完成研究性、設(shè)計性及探索性實驗提供自由發(fā)揮的平臺，鼓勵學(xué)生選擇和組織不同儀器，自主開發(fā)新的實驗項目和方法，在虛擬實驗室驗證后可以在真實的實驗室中實現(xiàn)，這有利于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力，培養(yǎng)其發(fā)散思維能力，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的主動性，把“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。

3.虛擬仿真實驗要最大限度地靠近真實實驗。目前，虛擬仿真實驗設(shè)計的實驗操作較為直接化。在真實實驗操作中，以牛頓環(huán)實驗為例，實驗前學(xué)生要在光下把中央零級干涉條紋調(diào)到牛頓環(huán)的中央，如果缺省該步驟，學(xué)生將找不到干涉條紋或中央零級干涉條紋。而仿真實驗則可以直接放上牛頓環(huán)，調(diào)好顯微鏡就能實驗，實驗操作直接化。在虛擬實驗中心建設(shè)中，應(yīng)加入實驗前的各項準(zhǔn)備工作，如簽到、清點儀器、查看各儀器、設(shè)備是否完好、調(diào)試儀器初始狀態(tài)、整理儀器等，這是因為嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的實驗態(tài)度是從一點一滴的實驗習(xí)慣中培養(yǎng)出來的。仿真實驗缺乏實驗突發(fā)事件處理的教學(xué)過程。如惠斯通電橋測電阻實驗中，學(xué)生連接電路全部正確，但電路仍然是斷路，這就需要學(xué)生使用萬用表檢查電路，查找電路斷開點，發(fā)現(xiàn)電路斷開原因，如導(dǎo)線斷開、電鍵接觸不良、檢流計電量不足等。在教學(xué)中，學(xué)生遇到困難想辦法解決問題的處理過程，是他們獨立思考、活學(xué)活用知識的展示，他們能在摸索的過程中得到鍛煉，這是常規(guī)課堂式教學(xué)和現(xiàn)階段仿真實驗教學(xué)所不能比擬的。endprint

4.計算機技術(shù)不斷更新，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗中心的建設(shè)。在虛擬仿真實驗設(shè)計中，做到“所見即所得”是計算機設(shè)計者的終極目標(biāo)。很多虛擬技術(shù)可以制作虛擬實驗，如FLASH、Authorware等，但這類技術(shù)制作出的文件過大，交互性差，不適于網(wǎng)上瀏覽。目前，VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現(xiàn)實建模語言，是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言，具有平臺無關(guān)性，是目前Internet上基于WWW的三維互動網(wǎng)站制作的主流語言。用VRML語言制作虛擬模型有兩種方法：一是編寫源代碼，生成文本文件，再轉(zhuǎn)化生成以.wrl為擴展名的網(wǎng)頁文件。此方法的缺點是源代碼過于復(fù)雜，文件較大，不易掌握。二是通過輔助建模軟件，如3DStudioMax、Pro/ENGINEER、Solidworks等三維設(shè)計軟件，先建三維物體，再在虛擬世界中組合。采用這種技術(shù)開發(fā)的虛擬實驗中心是3D界面，能夠模擬真實的實驗場景和實驗儀器，能夠讓用戶有身臨其境的感覺，提供復(fù)雜的交互功能完成實驗的要求，同時開發(fā)難度小，易于實現(xiàn)。

5.摸索虛、實實驗中心可持續(xù)發(fā)展途徑。虛擬實驗中心是一項龐大的建設(shè)工程，如何將虛擬實驗中心的建設(shè)快速普及化、共享化是現(xiàn)階段的重要課題。太原理工大學(xué)大學(xué)物理虛擬實驗中心的建設(shè)經(jīng)驗值得借鑒，該校與科大奧銳公司建立長期的合作共建模式。該公司源于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)人工智能與計算機專業(yè)，研發(fā)了第一套虛擬現(xiàn)實的實驗教學(xué)軟件《大學(xué)物理仿真實驗》。太原理工大學(xué)與科大奧銳公司共建合作，公司承擔(dān)平臺的維護和升級，協(xié)助中心進行教師信息化教學(xué)應(yīng)用能力的培訓(xùn)，大學(xué)則出資共同開發(fā)新的仿真實驗資源。校企結(jié)合將知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的周期縮短，而且可以提高虛擬仿真實驗的高仿真度。

四、結(jié)束語

隨著高等教育的大眾化，創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗中心是少投入多產(chǎn)出、資源共享的一種全新的辦學(xué)理念，是高校未來發(fā)展的必然趨勢。虛、實大學(xué)物理實驗中心的建設(shè)為教學(xué)隊伍和管理機制帶來新的格局，而且隨著建設(shè)的不斷深入，將促進教師對實驗教學(xué)的重視和研究，提升教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的“自主學(xué)習(xí)”能力。網(wǎng)絡(luò)化的大學(xué)物理實驗中心，這個沒有圍墻的實驗室將更好地為社會服務(wù)，為全民族乃至全世界人民探索物理知識開辟服務(wù)平臺。

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