徐桂媚，李 锋，沈洪涛，王力虎，潘福东，胡君辉，梁维刚

( 广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004)

教育改革形势下高校物理实验虚拟仿真教学发展趋势研究*

徐桂媚，李 锋，沈洪涛†，王力虎，潘福东，胡君辉，梁维刚

( 广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004)

在教育改革不断信息化发展的形势下，结合当前高校物理实验教学特点、国内外高校物理虚拟仿真实验教学中心建设现状及高校物理虚拟仿真实验教学理念与原则，以广西师范大学物理虚拟仿真实验教学中心体系建设为例，进行了高校物理实验虚拟仿真教学发展趋势研究。在此基础上，提出了三点实现物理实验虚拟仿真教学可持续发展的建议。

教育改革；虚拟仿真；实验教学；物理

1 引言

2015年4月24日至28日，由中国高等教育学会实验室管理工作分会举行的高校虚拟仿真实验教学中心建设与发展研讨会在南宁召开，会议重点讨论了“国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实验教学资源开放共享”、“虚拟仿真实验教学中心建设与实践”等内容。此外，部分与会教师分析了高校物理实验室建设的仪器设备具有硬件设备价格昂贵、占用大量实验室空间、不易维护、而且一旦设计成型，很难进行修改和模块的扩充、不利于升级换代等特点，虚拟仿真实验被搬上了物理实验课程教学平台。近年来，国内以中国科学技术大学、中国石油大学、北京师范大学、西南大学、广西师范大学等许多高校都根据自身科研和教学的需求建立了物理虚拟仿真实验室，其中，中国科学技术大学是我国首批100个国家级虚拟仿真实验教学中心之一。物理虚拟仿真实验室的建设还存在一些有待改进的问题，广西师范大学物理虚拟仿真实验教学中心建设现状可以侧面反映出目前高校物理虚拟仿真实验教学中心建设存在几个典型问题。第一，虚拟仿真实验室的发展在一定程度上受到传统实验教学模式的局限，未能充分发挥效益，具体表现为物理实验虚拟仿真教学中心体系构建仅仅存在大的构架，体系不完善且缺乏信息更新，体系中的某些环节甚至无法正常运行；第二，物理虚拟仿真实验教学中心资源开发投入不够，目前的应用实例中A类实验和B类实验体系相对完整，但近代物理实验资源开发还有很大的空间；第三，已有的虚拟仿真实验大多数都是运用Flash 动画软件制作模拟实验等，尽管在一定程度上实现了资源共享和学生自主学习等教学环节，交互性依然不够强且不能实时地反馈信息，无法完成锻炼学生能力的要求。因此，如何保证物理虚拟仿真实验教学中心体系构建可持续发展是我们面临的严峻挑战，开展高校物理实验虚拟仿真教学发展趋势研究是迎接挑战的必经之路。

2 教育改革形势下物理实验虚拟仿真教学发展趋势研究

2.1 广西师范大学物理实验虚拟仿真教学资源概况

教育改革形势下物理实验虚拟仿真教学中心建设遵循的理念是以学生为本，以能力培养为核心，以创新教育为目标，并充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则。虚拟仿真实验教学中心建设一般要求有虚拟仿真实验教学资源、虚拟仿真实验教学的管理和共享平台、虚拟仿真实验教学和管理队伍和虚拟仿真实验教学中心的管理体系等结构。[1]广西师范大学物理实验虚拟仿真教学中心坚持“以人为本、分类建设、多元参与、循环促进”的方针，重视先进教育理念和科学引导实验教学建设的方向，建设了“三层一辅助”的分层式实验教学体系。三层次教学体系根据创新人才的培养规律，从知识结构、实践能力、创新教育等特点出发，突破实验教学依附于理论教学的传统观念，将四年本科教学中各门物理实验课作为一个整体考虑，以能力和素质培养为主线，打破传统大学物理实验中力学、热学、电学和光学四部分的界限，打通传统“本系科实验”和“外系科实验”体系隔核，打破普物实验与近物实验的界限以及近代物理实验与专业实验的界限，将各门课程进行重组与融合；建立由基础到前沿、由接受知识型到培养综合能力型的逐步提高的“基础型——综合型——综合设计型” 三大层次物理实验教学新体系，基础教学、专业训练和科学前沿每个模块都开发了部分虚拟仿真教学资源。

图1 教学体系

图2 虚拟仿真实验教学体系

2.2 广西师范大学物理实验虚拟仿真教学中心教学资源应用实例

2.2.1加速离子源实验

带电粒子在外力的作用下会加速并且提高能量，利用电场推动带电粒子使之得以加速并提高能量的装置称为粒子加速器，其实物结构一般包括用以提供所需加速粒子的系统、加速系统、导引和聚焦系统等3个主要部分。[2]广西师范大学物理实验虚拟仿真教学中心建设了3D虚拟仿真实验环境，加速器质谱仪虚拟仿真实验系统采用先进的虚拟现实技术，对仪器的构造、运行原理进行剖析，建立逼真形象的三维模型，可以从各个角度展示加速器谱仪的各个部件和内部结构，质谱仪的测量原理则可以通过动画形式展现，让学生熟悉加速器质谱仪的基本结构、各部件工作原理，并能对重要部件进行拆卸、组装和调节。系统还配合有相应的语音文字说明，全方位的让学生掌握加速器质谱仪的组成、工作原理和基本应用。该虚拟仿真系统既可以通过三维大屏幕在中心机房3D显示，配合手套传感器可以对系统中的关键部件进行调节，也可以通过计算机终端进行自主学习。利于学生重复实验，提升了学生对前沿实验技术的认知水平并培养了学生科研创新的能力。

图3 加速器质谱仪实验系统

2.2.2电感耦合等离子体(ICP)质谱仪虚拟仿真实验系统

ICP质谱仪虚拟仿真实验系统采用先进的虚拟现实技术，对仪器的构造、运行原理进行剖析，建立逼真形象的三维模型，可以从各个角度展示加速器谱仪的各个部件和内部结构，质谱仪的测量原理则可以通过动画形式展现，让学生熟悉加速器质谱仪的基本结构、各部件工作原理，并能对重要部件进行拆卸、组装和调节。系统还配合有相应的语音文字说明，通过中心资源平台共享给学生学习机会，全方位的让学生掌握电感耦合等离子体(ICP)质谱仪的组成、工作原理和基本应用。

图4 ICP谱仪虚拟仿真实验系统

2.2.3天体物理仿真

恒星、行星、卫星的形成,太阳系的起源和演化,银河系的旋臂结构以及河外星系、星系团的形成和演变等一系列过程,都是天文学中的重大研究课题，[3]仿真模拟这些过程对学生的了解、学习星系的形成就显得格外重要。模拟能量转化为物质的宇宙大爆炸过程，太阳系、恒星、行星的形成和演化过程，质子、氢原子的形成及其通过核聚变产生其它质量数大的原子等过程。下面图片展示的是彗星碰撞地球后，炸裂为碎粒（注：图5右边椭圆圈内为彗星碎粒），然后在引力作用下慢慢聚合形成绕地球公转的月球。

图5 月球形成过程

3 教育改革形势下物理实验虚拟仿真教学可持续发展建议

首先，物理实验虚拟仿真教学资源开发方面，要敢于突破传统的实验教学模式，根据自己所在高校物理实验教学特点和生源素质，构建出预备实验、基础实验、综合实验、创新实验四个层次的物理虚拟仿真实验教学体系以及开放式教学模式，积极采取有计划的培训措施、开发新的虚拟仿真实验教学资源。具体措施有：（1）教师和实验技术人员要把教学、科研成果转化为教学实验，研发出一批有特色的物理虚拟仿真实验；（2）形成一支专业水平高、学历层次高、教学经验丰富、结构合理、相对稳定的师资队伍，为中心的可持续发展提供可靠的人力资源；（3）各高校物理虚拟仿真实验资源开发管理的主要负责人可以把虚拟仿真实验作为学生学习的研究性项目，让学有余力且对虚拟仿真实验资源开发有兴趣的学生建立兴趣小组，自主学习Flash、3DS MAX或者3DS MAX—Flash组合动画等软件，并实行小组招新制度，让高年级学生带领低年级学生学习，避免出现个人因素导致虚拟仿真实验资源开发出现断层现象，此方式既能丰富虚拟仿真实验开发的人力资源又可以锻炼学生的对现代教育技术的应用和科研能力；（4）适当采取校企合作形式，学习企业完备的虚拟仿真技术，另外，此方式不仅可以为学生提供实训和竞赛机会，也为校企人才录用协议奠定基础。

其次，物理实验虚拟仿真教学管理与共享平台方面，高校应建立并及时更新物理虚拟仿真实验网络教学平台，拓宽物理虚拟仿真实验教学空间和教学手段。将演示型、综合性、设计型和研究型虚拟仿真实验，特别是近代物理实验中涉及高放射等危险性和破环性的实验拓展到网络平台上，此网络平台具有用户访问、注册及权限管理，实验模块设置、增加（或删减）管理，实验器材库管理，实验数据库管理，实验过程管理，实验结果考核和分析评价等功能，给实验者提供一个包含虚拟仿真实验器材、虚拟仿真实验场景、实验反馈评价、实验数据与资源管理的逼真环境。实验者通过键盘和鼠标来操作虚拟仿真化的实验器材，进行相关实验，实验结果、相关数据及改变相关参数之后的相应现象将通过多媒体技术反馈给实验者。在物理虚拟仿真实验网络教学平台建设相对完善的提前下，通过自由选课，并对学生的学习效果做阶段性检测，当全校各专业的学生都有机会共享中心实验课程之后，确立进一步目标——支持远程访问，实现区域内高校和省内高校的在线资源共享，从而拓展收益面。

最后，关注国家教育改革形势动态，坚持“能实不虚，虚实结合”的原则组建物理实验虚拟仿真中心，对于传统常规实验，应该以现实实验为主；对于高危，高成本，不可逆性实验，可采用虚拟仿真实验模式。由此，把高校物理实验虚拟仿真教学发展趋势研究成果上升为国家教育改革战略。随着物理虚拟仿真实验教学中心的不断完善和发展，逐步扩大受益人群和受益范围，高校可以考虑将部分实验资源从“无偿使用”转化为“有偿服务”，为系统的维护升级、可持续发展提供更多的资金保障。国家也应该进一步增大实验室专职教师的培养力度，为实验室专职教师提供更多、更好的培训机会。

[1] 李平. 国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实验教学资源开放共享：高校虚拟仿真实验教学中心建设与发展研讨会文集[C]. 2015年4月24日-28日·南宁

[2] 百度百科[EB/OL]（2016-01-11）[2016-01-11] http://baike.so.com/doc/5335128-5570566.html

[3] 周洪楠. 天体物理中的数值模拟[J]. 自然杂志, 1981,12(4):912-916.

TP391.9

：A

：1003-7551(2016)02-0025-04

2016-01-11

国家自然科学基金项目(11265005，11565008)；广西自然科学基金项目(2014GXNSFCA118018)；广西自治区高教教学改革工程项目(2013JGB117)；广西高等学校重点科研项目（KY2015ZD015）；广西高校中青年教师基础能力提升项目(KY2016YB060)；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目

† 通讯作者：shenht@gxnu.edu.cn