田亚芳／郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450000

大学物理网络虚拟实验的设计模式探究

田亚芳／郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450000

文章主要研究了大学物理网络虚拟实验设计的相关内容。本文首先采集文献资料，从资料内容出发对大学物理虚拟实验的设计原则进行阐述。其次，在该基础上对大学物理网络虚拟实验的设计流程进行分析，研究了其设计流程中的相关内容。最后，对大学物理网络虚拟实验的设计模式进行探究，结合具体案例对上述模式的运用效果进行观察。文章对大学物理实验体系的发展具有一定的贡献性作用。

大学物理；网络虚拟实验；设计；模式

网络虚拟实验可以通过Web平台实现计算机网络的虚拟分析，是当前大学物理实验教学的一种新方法。在该教学过程中教师可以通过计算机网络技术、数据库技术、虚拟实现技术完成大学物理实验仪器及实验场景的模拟，拓展传统实验室教学环境，对大学物理实验教学的发展具有至关重要的意义。如何构建高质量、高效益的大学物理网络虚拟实验体系已经成为人们关注的焦点。

1 大学物理网络虚拟实验的设计原则

大学物理网络虚拟实验设计的过程中要把握好实验设计的可行性原则、开放性原则、直观性原则、交互性原则及艺术性原则，要依照上述原则理念规范设计内容，为网络虚拟实验的开展奠定坚实的基础。

1.1 可行性原则。大学物理网络虚拟实验设计方案要科学、合理且顺利实施，即设计方案要与实际大学物理实验要求相符合，能够在有限空间和资源内付诸实践。

1.2 开放性原则。大学物理网络虚拟实验设计方案要能够满足学生学习需求，为学生提供自由、开放的环境和空间，确保学生能够随时随地参与到教学实验过程中。

1.3 直观性原则。大学物理网络虚拟实验设计方案要直观、全面地展现教学内容，通过调整参数、环境、结构等形成“真实”的实验教学体系，让学生体验与实验室相同的学习效果。

1.4 交互性原则。大学物理网络虚拟实验设计方案要能够将学生与教师紧密结合在一起，形成学生、教师实时交互的教学体系，通过聊天室、论坛等完成信息的双向交互。

1.5 艺术性原则。大学物理网络虚拟实验设计方案要赏心悦目，给学生视觉上美的享受，让学生充分感知实验设计中的艺术元素，提升实验的真实效果，激发学生学习兴趣。

2 大学物理网络虚拟实验的设计流程

大学物理网络虚拟实验设计的过程中要把握好任务分析、框架构建、细节完善三方面内容，依照教学需求及学生需求形成对应设计流程，将学习理念及以人为本教学理念渗透到设计过程中，改善学生学习效率，其具体设计流程见图1。

图1 大学物理网络虚拟实验的设计流程图

2.1 需求分析。明确网络虚拟实验系统中的教师需求信息、学生需求信息、功能需求信息、性能需求信息、运行需求信息，依照系统外部环境需求及内部环境需求制订系统框架并形成框架说明。适当情况下还要对系统发展需求信息进行采集，对教学环境转变中可能出现的需求进行探究，形成对应措施，提升系统应用效益。

2.2 设计策略。依照大学物理虚拟网络实验内容合理构建实验层次及实验体系，运用导航页面对教学核心内容进行展现，提升学生对大学物理网络虚拟实验知识体系的认知；通过视频、图片等资源，降低知识理解难度；运用聊天室、BBS、视频会议、电子白板等形成活动体系，开展实验活动，交流实验问题等。

2.3 界面场景设计。把握好设计素材，对设计背景、设计布局、设计色彩等合理分析，形成与大学物理网络虚拟实验内容相协调的体系，使设计内容与真实实验室操作状况一致。

2.4 交互设计。人机交互设计时需对问答式对话、菜单操作、命令语言、填表技术等进行合理设置，形成简单化、图形化的操作系统。人际交互时需对在线讨论板块、共享白班、网络视频等进行合理设置，形成实时化、高效化的交流系统。

2.5 评估及修改。选取部分学生及教师对该系统进行运用评价，观察大学物理网络虚拟实验设计内容是否满足学生及教师需求，对教学反馈信息进行分析，实施设计方案修改和优化。

3 大学物理网络虚拟实验的设计模式及运用

3.1 设计模式。大学物理网络虚拟实验的设计模式与实验目标与学生需求息息相关，是在该基础上形成的不同内容体系。当前大学物理网络虚拟实验的设计模式主要包括动手操作型、演示观察型及实验探究型三大类。

3.1.1 动手操作型模式。该模式主要运用于理论知识较为复杂，知识教学理解难度较大的实验，可以将复杂的知识内容融合到动手操作中，让学生通过动手操作掌握具体实验知识，获取实践经验，提升实验认知。大学物理网络虚拟实验动手操作模式设计过程中要首先明确设计需求，对设计中需要展现的教学内容进行完善。其次，要确定实验内容的操作顺序及操作方式，有针对性构建模拟设备及模拟环境，形成初步虚拟框架。再次，要设计学生操控或间接操控虚拟仪器的交互方式，对系统操作信息进行明确，形成关联体系，给予对应的实验提示及实验现象。最后，引导学生依照实验提示及实验信息继续实验，依照模拟系统实验流程完成仪器或实验的各项操作。

3.1.2 演示观察型模式。该模式主要运用于操作过程较为简单，操作体系较为单一的实验，可以有效改善实验内容，让学生在观察过程中了解实验体系和实验知识，形成深刻的实验结果认知。大学物理网络虚拟实验演示观察型模式的设计主要采用线性过程原理，具体设计过程中相关人员首先对实验需求及学生需求进行明确，对实验设计中的展示内容进行完善和拓展。其次，对设计实验呈现方式、顺序进行设置，构建对应的虚拟设备、仪器的运动和变化。再次，对实验操作进行演示，将操作内容及操作效果依照关系、系统形成对应连接，呈现出操作后实验的各项变化。最后，引导学生依照上述实验提示及实验信息对实验内容进行分析，总结实验现象，对实验中存在的问题进行交流。

3.1.3 实验探索型模式。该模式主要运用于知识内容较为新颖、知识体系超出学生认识范围的实验，可以形成系统化的知识体系，对各项知识内容进行挖掘，是提升学生动手操作能力、自主探索能力的关键。大学物理网络虚拟实验实验探索型模式中要首先把握好设计需求，对需要展现的设计内容进行明确。其次，要对实验过程中的各项内容进行完善，设计虚拟实验环境，形成对应设备及仪器的运动及变化。再次，设计对应操作仪器、操作设备等的交互方式，依照操作给予对应提示信息及实验现象。最后，引导学生针对上述实验内容及实验操作进行实验探究，对实验过程中的知识体系、实验操作、实验现象等进行明确，形成完善探究结果。

3.2 运用分析。本次运用过程中主要以《金属丝杨氏模量的测定》实验为基础，借鉴相关实验设计方案形成对应动手操作型网络虚拟实验体系并对其评估，现模式内容如下：

3.2.1 需求分析。本实验主要是对金属丝杨氏模量测定中相关内容的分析，要保证学生能够了解金属丝杨氏模量的测定操作，顺利实现测定操作。系统需求中要能够顺利实现测定的承接及现象的提示，形成系统化、科学化操作体系。

3.2.2 设计策略。本次实验中主要通过多媒体、超文本组织对操作知识及操作内容进行展现，设置了对应导航页面辅助学生进行实验学习。

3.2.3 界面场景设计。本次实验界面场景主要以层次化体系进行构建，模拟设计过程中实验仪器主要包括光杠杆、杨氏模量仪、标尺、望远镜等，虚拟环境内容对上述设备进行了个性化模拟设计。系统主要通过3ds Max软件制作虚拟实验场景。

3.2.4 交互设计。交互设计与虚拟设计方式一致并适当融合Flash软件，通过Cult3D及Flash完成实验操作的控制及实验现象的展示。

3.2.5 设计评估。本次评估过程中从教师和学生两方面进行运用效果评估，其中53%认为系统运用效果非常满意，32%认为效果较为满意，11.25%认为效果一般，3.75%认为系统不好。反馈信息中表明系统界面美化、提示不足是造成评估不满意的关键因素，需要继续修正和完善。

4 总结

大学物理网络虚拟实验作为大学物理教学的重要内容，其设计效果及设计质量直接影响着学生的知识水平和能力水平，是学生发展的关键。在对大学物理网络虚拟实验设计模式进行运用的过程中教师要把握好模式内容，要依照模式特征对实验设计模式进行合理选取，形成细化结构体系，从本质上改善实验运用效果，加速大学物理实验教学发展进程。

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