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【摘 要】通过对我校 “大学物理仿真实验”的教学实践与研究，探讨了仿真实验在大学物理实践教学中的作用。
【关键词】仿真实验；实际实验教学；模拟
一、 我校实际实验教学中存在的问题
在从事大学物理实验教学的过程中，我们发现我校实际实验教学模式存在着诸多问题：例如学生在写预习报告的时候，会感到书上一些概念性的介绍很抽象，以至于对实验原理并不能真正的理解。另外书中介绍的实验仪器虽然附有图片，但是仍然显得很单调，学生预习起来容易缺乏兴趣。所以在上课时对于仪器的部件、操作方法等学生还是知之甚少，大多时候还需要实验教师来详细讲解。再次由于实验仪器复杂、精密与昂贵，往往不能允许学生自行设计实验参数、反复调整仪器，这对学生剖析仪器性能和结构、理解实验的设计思想和方法是很不利的。这些导致了学生对实验思想的理解不足，对实验数据的物理意义不清，对实验数据处理及分析存在困难等，降低了学生的学习兴趣[1]。
基于以上原因，我们申请了我校本科生科研训练项目“大学物理仿真实验”，在为期三年的教学实践中，我们发现仿真实验可以在一定程度上可以弥补实际实验教学的缺陷。
二 、 大学物理仿真实验在我校开展情况分析
我校物理实验室的仿真实验系统包括近60个仿真实验内容，从误差分析到力、热、光、电学的常见基本实验，再到核磁共振、塞曼效应、拉曼光谱、扫描隧道显微镜等等多个近现代物理实验，涵盖了物理学的各个层面。每项具体实验的内容也非常丰富，实验前学生可选择查看图文并茂的实验原理、实验步骤、注意事项，学生可以对照着仪器边看边学。预习完毕还有一些与实验相关的练习题供学生自测能力。开始实验时还配有语音指导和提示，可以利用鼠标按键对仿真仪器线路进行各种调节，需要仔细观察的仪器部分还可以打开子窗口进行放大查看，有的仪器还可以观察到内部结构。需要记录仪器数据也非常方便，只需将测量，结果填入已有的电子表格内，高阶实验甚至可以自动读数并进行记录处理、生成图线。与实际物理实验相比，仿真实验对实验背景及原理的阐述更全面生动，对实验仪器及实验内容与步骤的介绍，更能让学生容易熟悉，操作过程更为顺利，因此学生对仿真实验也更为认可。
我校本科生科研训练项目“大学物理仿真实验”教学为20个学时，学生可以利用课余时间采用预约的方式在物理实验室来完成该项目。在教师的指导下，参加此项目的学生利用仿真软件对“利用光电效应法测普朗克常量、弗兰克-赫兹实验、长螺线管磁场的测量、空气热熔比的测定、用单摆测定重力加速度、偏振光等”多个实验进行了研究及测定，并认真地对实验数据进行了处理与分析。由于学生可自行选择感兴趣的实验，而时间安排也比较灵活，所以学生的积极性都很高，有的学生也挑选了一些在实验室中进行过的实验，并对这两种方法进行了对比，取得了较好的教学效果。
三、大学物理仿真实验教学的优势
在我校本科生科研训练项目“大学物理仿真实验”教学中，学生们对仿真实验有浓厚的兴趣，在对教学效果进行调查中，他们对仿真实验给予了很高的评价，归纳起来有如下几点：
1.仿真实验可以激发学生的学习兴趣
学生们认为实际实验在阐述原理方面仅有一大堆文字，非常枯燥无味。而仿真实验图文并茂，可操作，还设有动态的原理图，形象地展示了不可见的物理过程，使这些内容变得生动、易于理解和接受。
仿真实验是利用计算机对实验的整个过程进行模拟，包括实验目的、原理、仪器操作、实验报告。通过对实验环境的模拟，使学生通过仿真软件对实验的整体环境、所用仪器的整体结构能建立起直观的认识[2]。在仿真实验中，仪器的关键部位可拆卸，可解剖进行调整，并可实时观察仪器的各种指标和内部结构，增强了熟悉仪器功能和使用方法的训练。仿真实验可以提供较为直观的学习环境，图文并茂的实验内容，促进学生对实验仪器的熟悉和对实验原理的理解。学生可按其步骤一步一步的做下去，这样既让学生明白了如何进行实验，包括预习、实验操作、数据记录、数据处理以及实验报告形成，同时也让学生在不破坏仪器的情况下熟悉了实验仪器，从而增加了学生的学习兴趣，调动了他们学习的积极性。
2.仿真实验可以提高教学效率
学生认为仿真实验比实际实验操作简便、快捷，突出了物理思想和原理，提高了教学的效率，减轻了他们的负担，真正做到了短小精悍。仿真实验系统能提供一个虚拟的实验环境，较贴近实物实验，学生可逼真地模拟出实验操作的整个过程，同时仪器实现了模块化。学生可对提供的仪器进行选择和组合，用不同的方法完成同一实验目标，可以实现更灵活的操作。通过做仿真实验使学生对物理实验有了新的认识和兴趣，学生认为实验课也成了一门象数学物理一样理论严谨的学科。
3.仿真实验可以培养学生的设计能力
在实际实验教学中，大多数综合性实验原理、实验步骤都是给出的，学生需要按照要求按部就班地去做。即使是设计性实验，例如我校第二学期学生进行的设计性实验“伏安法测电阻”，也基本上是按老师给出的实验条件下完成的。这在很大程度上扼杀了学生创造能力的发展，不利于学生掌握实验的设计思想和实验技能。而在仿真实验中学生可以自行设定实验参数，反复调整后，观察实验现象，分析实验结果[3]。另外在仿真实验中待测的物理量也是随机产生，以适应同时实验的不同学生和同一学生的多次操作，这些都培养了学生的设计能力。
4.仿真实验数据处理简便快捷
对实验数据进行分析处理，得出实验结论，是整个实验成功与否的关键性环节。在实际实验教学中，学生完成实验操作后往往要花费更多的时间去处理数据，进行误差分析。例如“光电效应”实验，需要通过作图来求出普朗克常量。如果学生作出的图形不准确，那么求解出的普朗克常量误差非常大。这就要求学生要非常细心地来作图形，需要消耗的时间也比较多。而在仿真实验中，学生测量出数据后，实验结果可自行生成。同时仿真实验具有误差模拟功能，可以对同一个实验所采用不同方法和不同操作产生的误差大小进行比较[4]。因此学生们认为仿真实验中数据处理更为简便快捷，大大提高了实验教学的质量、速度和水平。 5.仿真实验可以开阔学生的视野。
大学物理实验在我校属于基础课，由于受课时的制约，实验室开设的实验数量较少。另外一些现代物理实验，由于实验设备贵重，无法实施开设，这些都在一定程度上了限制了学生对物理实验的需求。仿真实验具有丰富的内容，它涵盖了从力学的刚体转动惯量、杨氏模量到电磁学的霍尔效应法测磁场、惠斯登电桥；从热学的热膨胀系数到光学的干涉、衍射实验以及核磁共振等多个近代物理实验。仿真实验具有多媒体配音解说，对实验的相关理论进行了演示和讲解，对实验的历史背景和意义，现代应用等方面都作了介绍，因此仿真实验成为连接理论教学与实验教学，培养学生理论与实践相结合思维的一种崭新教学模式[5]。另外对于那些无法开设的实验，利用它可以让学生了解前沿科学知识，开阔视野，学生们认为仿真实验激发了他们的创造热情，增强了他们将来自觉应用高科技去解决科学研究和工农业生产的各种实际问题的意识。
四、仿真物理实验需要改进的一些思路
虽然仿真实验有着不少优势，但它测量模拟过程还比较僵化，无法真正模拟出实际的物理实验操作环境和真实的实验现象，因此只能作为常规教学手段的补充，并不能完全取代真实实验。针对当前仿真物理实验系统的不足，应合理选择教学方法，提高教学质量，改进完善仿真软件系统。
在我校本科生科研训练项目“大学物理仿真实验”教学中，学生通过对弗兰克-赫兹实验、长螺线管磁场的测量、空气热熔比的测定、光电效应、偏振光等多个实验的实践，一致认为：与实际实验相比，仿真实验具有直观性、全面性、简便性、快捷性等优点，更注重理论和动脑能力，而在实际操作方面略有逊色。在仿真实验中，学生面对的是虚拟的教学环境，实际动手能力和应变能力得不到提高，而仿真实验应与实际实验教学相结合才能取得最佳的教学效果。实践中应该着重把仿真实验选作预习、复习实验的途径，而主要的学习过程还是采用传统的实验室教学效果较好。这就需要我们一方面要保持原有的实验教学模式，让学生在对仪器设备的具体操作中来提高观察力和动手能力，提高实验素养。同时也要继续开设开放性实验，让物理仿真实验作为一种先进的教学手段，充分发挥其作用，更好地服务于实验教学，提高实验教学质量。
参考文献：
[1]刘海涛.关于大学物理实验课教学改革的思考[J].科技信息， 2010（3）.
[2]刘志远.大学物理仿真实验的定位研究[J].吉林省教育学院学报，2011，27（11）：133-134.
[3] 李晓宇.LI Xiao-Yu 关于物理仿真实验的探讨[期刊论文]-中国科技纵横2010（22）.
[4]王月明，刘官元，董大明.网络背景下大学物理实验教学模式探讨[J].大学物理实验，2010，23（3）：15—18.
[5]裴明旭，刘波.大学物理仿真实验的应用与反思[J].江苏技术师范学院学报，2010，16（6）：73—74.
作者简介： 陈辉，北京服装学院，硕士，讲师，研究方向为凝聚态物理，
【关键词】仿真实验；实际实验教学；模拟
一、 我校实际实验教学中存在的问题
在从事大学物理实验教学的过程中，我们发现我校实际实验教学模式存在着诸多问题：例如学生在写预习报告的时候，会感到书上一些概念性的介绍很抽象，以至于对实验原理并不能真正的理解。另外书中介绍的实验仪器虽然附有图片，但是仍然显得很单调，学生预习起来容易缺乏兴趣。所以在上课时对于仪器的部件、操作方法等学生还是知之甚少，大多时候还需要实验教师来详细讲解。再次由于实验仪器复杂、精密与昂贵，往往不能允许学生自行设计实验参数、反复调整仪器，这对学生剖析仪器性能和结构、理解实验的设计思想和方法是很不利的。这些导致了学生对实验思想的理解不足，对实验数据的物理意义不清，对实验数据处理及分析存在困难等，降低了学生的学习兴趣[1]。
基于以上原因，我们申请了我校本科生科研训练项目“大学物理仿真实验”，在为期三年的教学实践中，我们发现仿真实验可以在一定程度上可以弥补实际实验教学的缺陷。
二 、 大学物理仿真实验在我校开展情况分析
我校物理实验室的仿真实验系统包括近60个仿真实验内容，从误差分析到力、热、光、电学的常见基本实验，再到核磁共振、塞曼效应、拉曼光谱、扫描隧道显微镜等等多个近现代物理实验，涵盖了物理学的各个层面。每项具体实验的内容也非常丰富，实验前学生可选择查看图文并茂的实验原理、实验步骤、注意事项，学生可以对照着仪器边看边学。预习完毕还有一些与实验相关的练习题供学生自测能力。开始实验时还配有语音指导和提示，可以利用鼠标按键对仿真仪器线路进行各种调节，需要仔细观察的仪器部分还可以打开子窗口进行放大查看，有的仪器还可以观察到内部结构。需要记录仪器数据也非常方便，只需将测量，结果填入已有的电子表格内，高阶实验甚至可以自动读数并进行记录处理、生成图线。与实际物理实验相比，仿真实验对实验背景及原理的阐述更全面生动，对实验仪器及实验内容与步骤的介绍，更能让学生容易熟悉，操作过程更为顺利，因此学生对仿真实验也更为认可。
我校本科生科研训练项目“大学物理仿真实验”教学为20个学时，学生可以利用课余时间采用预约的方式在物理实验室来完成该项目。在教师的指导下，参加此项目的学生利用仿真软件对“利用光电效应法测普朗克常量、弗兰克-赫兹实验、长螺线管磁场的测量、空气热熔比的测定、用单摆测定重力加速度、偏振光等”多个实验进行了研究及测定，并认真地对实验数据进行了处理与分析。由于学生可自行选择感兴趣的实验，而时间安排也比较灵活，所以学生的积极性都很高，有的学生也挑选了一些在实验室中进行过的实验，并对这两种方法进行了对比，取得了较好的教学效果。
三、大学物理仿真实验教学的优势
在我校本科生科研训练项目“大学物理仿真实验”教学中，学生们对仿真实验有浓厚的兴趣，在对教学效果进行调查中，他们对仿真实验给予了很高的评价，归纳起来有如下几点：
1.仿真实验可以激发学生的学习兴趣
学生们认为实际实验在阐述原理方面仅有一大堆文字，非常枯燥无味。而仿真实验图文并茂，可操作，还设有动态的原理图，形象地展示了不可见的物理过程，使这些内容变得生动、易于理解和接受。
仿真实验是利用计算机对实验的整个过程进行模拟，包括实验目的、原理、仪器操作、实验报告。通过对实验环境的模拟，使学生通过仿真软件对实验的整体环境、所用仪器的整体结构能建立起直观的认识[2]。在仿真实验中，仪器的关键部位可拆卸，可解剖进行调整，并可实时观察仪器的各种指标和内部结构，增强了熟悉仪器功能和使用方法的训练。仿真实验可以提供较为直观的学习环境，图文并茂的实验内容，促进学生对实验仪器的熟悉和对实验原理的理解。学生可按其步骤一步一步的做下去，这样既让学生明白了如何进行实验，包括预习、实验操作、数据记录、数据处理以及实验报告形成，同时也让学生在不破坏仪器的情况下熟悉了实验仪器，从而增加了学生的学习兴趣，调动了他们学习的积极性。
2.仿真实验可以提高教学效率
学生认为仿真实验比实际实验操作简便、快捷，突出了物理思想和原理，提高了教学的效率，减轻了他们的负担，真正做到了短小精悍。仿真实验系统能提供一个虚拟的实验环境，较贴近实物实验，学生可逼真地模拟出实验操作的整个过程，同时仪器实现了模块化。学生可对提供的仪器进行选择和组合，用不同的方法完成同一实验目标，可以实现更灵活的操作。通过做仿真实验使学生对物理实验有了新的认识和兴趣，学生认为实验课也成了一门象数学物理一样理论严谨的学科。
3.仿真实验可以培养学生的设计能力
在实际实验教学中，大多数综合性实验原理、实验步骤都是给出的，学生需要按照要求按部就班地去做。即使是设计性实验，例如我校第二学期学生进行的设计性实验“伏安法测电阻”，也基本上是按老师给出的实验条件下完成的。这在很大程度上扼杀了学生创造能力的发展，不利于学生掌握实验的设计思想和实验技能。而在仿真实验中学生可以自行设定实验参数，反复调整后，观察实验现象，分析实验结果[3]。另外在仿真实验中待测的物理量也是随机产生，以适应同时实验的不同学生和同一学生的多次操作，这些都培养了学生的设计能力。
4.仿真实验数据处理简便快捷
对实验数据进行分析处理，得出实验结论，是整个实验成功与否的关键性环节。在实际实验教学中，学生完成实验操作后往往要花费更多的时间去处理数据，进行误差分析。例如“光电效应”实验，需要通过作图来求出普朗克常量。如果学生作出的图形不准确，那么求解出的普朗克常量误差非常大。这就要求学生要非常细心地来作图形，需要消耗的时间也比较多。而在仿真实验中，学生测量出数据后，实验结果可自行生成。同时仿真实验具有误差模拟功能，可以对同一个实验所采用不同方法和不同操作产生的误差大小进行比较[4]。因此学生们认为仿真实验中数据处理更为简便快捷，大大提高了实验教学的质量、速度和水平。 5.仿真实验可以开阔学生的视野。
大学物理实验在我校属于基础课，由于受课时的制约，实验室开设的实验数量较少。另外一些现代物理实验，由于实验设备贵重，无法实施开设，这些都在一定程度上了限制了学生对物理实验的需求。仿真实验具有丰富的内容，它涵盖了从力学的刚体转动惯量、杨氏模量到电磁学的霍尔效应法测磁场、惠斯登电桥；从热学的热膨胀系数到光学的干涉、衍射实验以及核磁共振等多个近代物理实验。仿真实验具有多媒体配音解说，对实验的相关理论进行了演示和讲解，对实验的历史背景和意义，现代应用等方面都作了介绍，因此仿真实验成为连接理论教学与实验教学，培养学生理论与实践相结合思维的一种崭新教学模式[5]。另外对于那些无法开设的实验，利用它可以让学生了解前沿科学知识，开阔视野，学生们认为仿真实验激发了他们的创造热情，增强了他们将来自觉应用高科技去解决科学研究和工农业生产的各种实际问题的意识。
四、仿真物理实验需要改进的一些思路
虽然仿真实验有着不少优势，但它测量模拟过程还比较僵化，无法真正模拟出实际的物理实验操作环境和真实的实验现象，因此只能作为常规教学手段的补充，并不能完全取代真实实验。针对当前仿真物理实验系统的不足，应合理选择教学方法，提高教学质量，改进完善仿真软件系统。
在我校本科生科研训练项目“大学物理仿真实验”教学中，学生通过对弗兰克-赫兹实验、长螺线管磁场的测量、空气热熔比的测定、光电效应、偏振光等多个实验的实践，一致认为：与实际实验相比，仿真实验具有直观性、全面性、简便性、快捷性等优点，更注重理论和动脑能力，而在实际操作方面略有逊色。在仿真实验中，学生面对的是虚拟的教学环境，实际动手能力和应变能力得不到提高，而仿真实验应与实际实验教学相结合才能取得最佳的教学效果。实践中应该着重把仿真实验选作预习、复习实验的途径，而主要的学习过程还是采用传统的实验室教学效果较好。这就需要我们一方面要保持原有的实验教学模式，让学生在对仪器设备的具体操作中来提高观察力和动手能力，提高实验素养。同时也要继续开设开放性实验，让物理仿真实验作为一种先进的教学手段，充分发挥其作用，更好地服务于实验教学，提高实验教学质量。
参考文献：
[1]刘海涛.关于大学物理实验课教学改革的思考[J].科技信息， 2010（3）.
[2]刘志远.大学物理仿真实验的定位研究[J].吉林省教育学院学报，2011，27（11）：133-134.
[3] 李晓宇.LI Xiao-Yu 关于物理仿真实验的探讨[期刊论文]-中国科技纵横2010（22）.
[4]王月明，刘官元，董大明.网络背景下大学物理实验教学模式探讨[J].大学物理实验，2010，23（3）：15—18.
[5]裴明旭，刘波.大学物理仿真实验的应用与反思[J].江苏技术师范学院学报，2010，16（6）：73—74.
作者简介： 陈辉，北京服装学院，硕士，讲师，研究方向为凝聚态物理，