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基于虚拟仿真的物理实验教学模式创新的思考与实践

安红陶欧张燕玲颜素容詹雪艳张莉

北京中医药大学

安红，女，副教授，1969.8，硕士，物理学、电工电子学教学与研究

中华医学会医学教育分会和中国高等教育学会医学教育专业委员会医学教育研究立项课题2016B-SY005

摘要：传统物理实验教学模式存在弊端，通过信息化手段，借助虚拟实验教学平台，基于虚拟现实技术的实验教学模式，改善实验教学环境，改造实验教学环节，对激发学生的学习热情、调动学生的学习潜能、提高实践能力、培养终身学习能力具有重要意义。

关键词：虚拟；仿真；中医药院校；物理；创新

教学是高等学校培养人才的主要渠道，优秀人才应是知识、素质、能力融为一体的。对学生来讲，实验课是独立实践的舞台，可以独立地构建知识，实验教学是一种以“案例教学”为课程组织特征的教学形态^[^1]，所以实验教学是对学生的实践能力、创新思维进行训练和培养的有效途径。而物理实验体现了理工科及各个学科科学实验共性和普遍性的问题，在培养学生严谨的科学思维、创新能力，理论联系实际，特别是与科学技术发展相适应的综合能力，以适应科技发展与社会进步对人才的需求有着不可替代的作用。在本世纪初颁布的“大学物理实验课程教学基本要求”中明确提出：在教学内容上要“加强数字化测量技术和计算技术在物理实验教学中的应用”；在能力培养上要“培养独立实验的能力、分析与研究的能力、理论联系实际的能力、创新能力”，以及在教学模式和方法上要“充分利用包括网络技术、多媒体教学软件等在内的现代教育技术，营造多元化的教学模式”等基本要求^[^2]。学生的创新思维、创新能力的培养，必须要通过课程体系、教学内容、教学方法的改革与实践来实现，通过教学过程来实现。因此物理实验教学模式的改革和创新对激发学生的学习热情、调动学生的学习潜能、提高实践能力、培养终身学习能力具有重要意义。可是目前，物理实验教学模式陈旧、教学方法单一，学生在整个实验过程中被动、机械地接受信息，完全没有发挥其主观能动性，实验教学过程（预习、实验、复习）中缺乏激发学生自主学习兴趣、培养学生自主创新能力的平台，与其应有的教学目标相去甚远。在人才培养上出现“高分低能”、“知行不一”的现象，学生没有形成理论联系实际的思维^[3]。

一、虚拟仿真实验

虚拟仿真(Virtual Reality)意同：虚拟现实，简称VR或称灵境技术，是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真实际上是一种可创建和体验虚拟世界(Virtual World)的计算机系统，向用户提供一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。此种虚拟世界由计算机生成，利用软件建模设计虚拟仪器，建立虚拟实验环境，学生可在这个环境中自行设计实验方案、拟定实验参数、操作仪器，模拟真实的实验过程，深化理解物理知识。

二、虚拟仿真实验教学设计

针对中医药专业学生，物理实验内容应与医药学紧密相关，例如“测定液体表面张力系数实验”，“液体黏滞系数的测定”，使学生在后续的《药剂学》、《药物分析》等专业课程中，应用药物溶液的表面张力系数和黏滞系数等物理参数，为药学研究服务，因此，建立以学生为主体的教学模式是基本的保证。

1.通过信息化手段完善实验学习链，提高实验教学质量

一个完整的学习链应包含（预习）→（课堂教学）→（复习）→（应用：练习或作业）→（考试），但实验教学不存在这样的条件，学生无法依靠书本进行实验预习、复习和操作训练，而且由于受到课时的限制，学生在实验课上只是机械地模仿实验操作步骤，无法真正消化实验教学的内容，总结起来，影响实验教学质量的原因如下：

（1）学生仅仅依靠课堂无法消化实验教学的内容。

（2）实验教学缺少学生自主学习的环境。

（3）实验教学质量的评估没有客观和一致的标准，因此实验教师水平的评价也没有有效的机制。

将虚拟仿真技术引入实验教学，用计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学习者的操作有机融合为一体，完善实验学习链，提高实验教学质量。

在上课前，学生可以应用虚拟实验软件进行预习，了解基础理论知识，搞清实验原理，熟悉实验仪器设备，应用虚拟实验仪器，模拟实验操作过程，掌握实验方法，针对实验中出现的问题寻求解决办法，用虚拟仪器进行多种尝试。实验课上，在真实环境中实验，记录分析数据，结合预习中的问题进行实际操作验证。课后回顾反思，完成老师提出的课题。

2.通过信息化手段实现仪器模块自由组合，具有设计性

将虚拟仿真技术运用于物理实验教学,将改变以教师为中心的传授式教学模式，充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用。现在有很多虚拟仿真实验平台都内置仪器库，提供多种不同型号的实验仪器。仪器外观采用三维建模实现，与实际仪器保持一致，真实感强。学生可以在预习环节，根据实验内容，在仪器库中选择仪器型号及数量，在上课前完成实验程序的预演，发现自己不清楚的问题，也可以提出假想进行多种尝试探究。在真实实验中重点观察实验现象、分析实验数据、得出实验结论，针对实验中出现的问题进行分析解释，对实验中产生的想法给予分析讨论。在此基础上，教师根据自身教学特色及课程大纲，给学生布置设计性实验项目，提出实验内容和要求，学生根据要求自行设计实验方案，从仪器库中选择合适仪器完成实验。例如，在完成了液体表面张力系数测定和液体黏滞系数测定实验后，结合专业教师给学生提出一个课题，要求在滴丸或微囊剂制备过程中，控制调节物料的表面张力系数和黏滞系数，使药液形成适当的液滴，学生必然首先要通过计算得出合适的参数，然后设计实验方法和实验步骤，应用虚拟仿真实验软件中提供的仪器，测定中药液和囊材的表面张力系数或黏滞系数，然后再应用一定的方法，如添加辅料等，调整相关参数达到设计要求，最终完成滴丸和微囊的制备。实验平台还提供了数据结果计算与函数拟合、编程式计算器、实验公式快速查找、误差与不确定度详细分析等功能，帮助学生顺利完成实验。

图1显示了惠斯通电桥实验，这是一个在自动检测和控制中经常用到的电路，完成了基础实验后，可以给学生提出一个要求，如把制药过程中的温度、压强、压力等非电量检测，应用惠斯通电桥转换成电量测量的电路，制成温度计、压力计等，完成制药过程中的实时检测。