【摘要】：數(shù)學(xué)物理實驗不僅可以幫助中學(xué)生直觀地理解理論知識,還可以使中學(xué)生增強(qiáng)動手能力和分析問題、解決問題的綜合能力。 傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理實驗存在中學(xué)生預(yù)習(xí)效果差、實驗過程難以指導(dǎo)、成本高等缺點(diǎn)。 尤其是在COVID-19疫情期間，傳統(tǒng)的數(shù)理實驗沒有舉行，中學(xué)生實驗教學(xué)問題更加突出。 虛擬仿真實驗是破解疫情期間理工科學(xué)生無法完成實驗困境的“鑰匙”。 本文詳細(xì)論述了傳統(tǒng)數(shù)理實驗課程的不足，闡述了虛擬仿真實驗的優(yōu)勢和應(yīng)用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)物理實驗； 虛擬仿真技術(shù)； 遠(yuǎn)程教學(xué)； 教學(xué)改革
數(shù)學(xué)物理學(xué)運(yùn)用數(shù)學(xué)中大量的理論成果和實驗技術(shù)來探索和研究物理學(xué)的基本規(guī)律和理論。 是無機(jī)物理、分析物理、有機(jī)物理四大物理中理論最深的一門課程。 此外，由于數(shù)學(xué)物理涉及宏觀與微觀性質(zhì)的關(guān)系、化學(xué)過程機(jī)理及其控制等大量具體內(nèi)容[1]，它也是四大物理學(xué)中最難理解的理論課程。 數(shù)理實驗課使中學(xué)生通過具體的實驗現(xiàn)象和過程更直觀地理解理論知識。 同時，中學(xué)生可以學(xué)習(xí)如何操作儀器，提高動手能力，結(jié)合理論知識，通過動手實驗分析和解決問題。 綜合能力。
1 傳統(tǒng)數(shù)理實驗教學(xué)的不足
傳統(tǒng)的“教師講理論——指導(dǎo)中學(xué)生做實驗——寫實驗報告”的教學(xué)方法存在諸多不足：（1）預(yù)習(xí)效果不佳。 掌握儀器的使用技巧是很困難的。 (2)實驗過程指導(dǎo)難度大。 傳統(tǒng)的實驗課程中，一名班主任指導(dǎo)十組左右的中學(xué)生進(jìn)行實驗。 實驗失敗或發(fā)生危險。 (3)中學(xué)生參與度低。 傳統(tǒng)的實驗班基本上是多個中學(xué)生共用的一套實驗設(shè)備。 實驗過程中，每個小伙伴都不能參與所有的實驗操作大學(xué)物理虛擬仿真實驗數(shù)據(jù)，甚至有的中學(xué)生全程只是旁觀實驗，導(dǎo)致中學(xué)生動手能力差。 運(yùn)動量不足。 (4) 成本高 化學(xué)物理實驗需要的儀器設(shè)備較多，中學(xué)生的頻繁操作和誤操作促進(jìn)了設(shè)備老化，降低了維護(hù)成本。 (5)教學(xué)效果不理想。 由于實驗課的時間限制，班主任通常更注重實驗操作的講解。 中學(xué)生只是按照教學(xué)重復(fù)實驗步驟，沒有深入思考。 另外，實驗過程通常只進(jìn)行一次，不能重復(fù)。 中學(xué)生印象不夠深刻，對實驗原理的理解不夠充分，不能滿足數(shù)理實驗課教學(xué)目標(biāo)的要求。
2 虛擬仿真實驗的優(yōu)點(diǎn)
虛擬仿真實驗教學(xué)被譽(yù)為一門具有跨年齡意義的課程。 顧名思義，它依靠虛擬現(xiàn)實技術(shù)，生成具有視覺、聽覺和觸覺感知的逼真“虛擬實驗室”。 中學(xué)生可以在虛擬空間完成難以遠(yuǎn)程操作的復(fù)雜實驗，體驗真實實驗室無法實現(xiàn)的高風(fēng)險、破壞性實驗，從而提高教學(xué)效能[2]。 與傳統(tǒng)實驗課程相比，虛擬仿真實驗具有以下優(yōu)勢。 (1)紅色安全傳統(tǒng)數(shù)學(xué)物理實驗所用試劑的毒性和腐蝕性都比較溫和，但也具有一定的毒性、腐蝕性、易燃易爆性，對儀器和人員造成一定的安全隱患。 而且傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理實驗過程中會形成一定量的有害物質(zhì)（廢水、廢液等），污染環(huán)境。 虛擬仿真實驗所用的所有試劑都是虛擬的，實驗過程中不會形成有毒有害物質(zhì)，是真正的污染物零排放[3]。 同時，由于學(xué)生在實驗過程中不會接觸到真藥，在增加實驗成本的同時，中學(xué)生的人身安全也得到了絕對保障。 (2)不受時間和地點(diǎn)限制，提高中學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。 虛擬仿真實驗可以在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行，不受時間和地點(diǎn)的限制。 中學(xué)生可以隨時使用筆記本電腦或手機(jī)進(jìn)行模擬實驗，特別適合當(dāng)前的疫情形勢。 道路教學(xué)。 此外，虛擬實驗可以模擬實驗的微觀環(huán)節(jié)，更直觀地解釋不太明顯或難以察覺的實驗現(xiàn)象，使中學(xué)生更容易理解實驗。 而且，中學(xué)生可以根據(jù)自己對實驗原理的理解，反復(fù)“動手”實驗。 通過直觀動態(tài)的人機(jī)交互系統(tǒng)，可以降低實驗興趣，提高中學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，也可以激發(fā)中學(xué)生的創(chuàng)新思維。 。 (3)成本增加。 傳統(tǒng)的化學(xué)、物理實驗需要購買各種昂貴的儀器設(shè)備和大量的制藥試劑。 中學(xué)生大量頻繁的實驗會促進(jìn)儀器設(shè)備的老化，降低維護(hù)成本。 虛擬仿真實驗軟件特別經(jīng)濟(jì)實惠，實驗過程中不需要真實的設(shè)備和試劑，通過網(wǎng)絡(luò)資源共享可以節(jié)省訂購設(shè)備和藥品的成本[4]。 另外，中學(xué)生在預(yù)覽虛擬仿真實驗后，會減少實際做實驗時對儀器的誤操作，從而有效保護(hù)昂貴的儀器，增加維護(hù)成本。 (4)為了提高教學(xué)效果，中學(xué)生可以通過虛擬實驗中的各種模擬來熟悉即將進(jìn)行的實驗操作，從而快速掌握關(guān)鍵步驟，然后在進(jìn)行真正的實驗時，中學(xué)生才能充滿信心、反應(yīng)靈敏，強(qiáng)化實驗效率。 而且，對于很久以前做過的實驗，中學(xué)生可以通過虛擬模擬實驗來備考，然后可以快速回憶起實驗的重點(diǎn)和難點(diǎn)大學(xué)物理虛擬仿真實驗數(shù)據(jù)，從而使中學(xué)生鞏固所學(xué)知識。提高教學(xué)效果。
3 虛擬仿真實驗現(xiàn)狀
隨著當(dāng)前信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，在國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域和管理過程中的應(yīng)用逐漸深入，有力地促進(jìn)了教育教學(xué)的發(fā)展。教育模式、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法。 深刻改革[5]。 為了迎合教育信息化發(fā)展趨勢，適應(yīng)物理虛擬仿真實驗教學(xué)改革的需要，以四川大學(xué)、天津大學(xué)、中南大學(xué)、貴州大學(xué)等多所高校開始建設(shè)自己的虛擬仿真實驗教學(xué)中心。模擬物理實驗室。 例如，中國科學(xué)院在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從分子模擬估算、儀器模擬、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等方面進(jìn)行虛擬模擬物理實驗的教學(xué)探索和平臺建設(shè)，研發(fā)了各種類型。 虛擬仿真實驗教學(xué)項目是實驗室實驗教學(xué)的重要補(bǔ)充和拓展，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)。 上海師范大學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)中心主要針對放射性、高風(fēng)險、高污染、學(xué)生無法理解的具體理論和概念，以及有毒、有害、易燃易爆實驗。 設(shè)計并建設(shè)了一系列物理虛擬仿真實驗項目，并通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺實現(xiàn)開放共享。 山東師范大學(xué)理化虛擬仿真實驗教學(xué)中心針對個別理論知識或涉及宏觀、微觀領(lǐng)域的高水平概括的不足，開發(fā)了一系列用于理論教學(xué)的分子。 現(xiàn)實世界找不到具體案例來論證。 模擬小型實驗項目實現(xiàn)了課堂教學(xué)的實驗?zāi)M應(yīng)用，大大提高了一些理論課程中高度概括的具體理論知識的教學(xué)效果。
當(dāng)前，病毒正在全球肆虐。 雖然國外疫情得到了很好的控制，但為了避免疫情急劇下降，高校長期以來一直無法重新開學(xué)。 2020年1月29日，教育部發(fā)布《教育部：借助互聯(lián)網(wǎng)平臺“停課不停學(xué)”》，指出“停課不停學(xué)”不僅是抗擊疫情的緊急措施，也是互聯(lián)網(wǎng)+教育的重要成果應(yīng)用展示。 責(zé)任重大，使命光榮[6]。 包括MOOC、微課、網(wǎng)絡(luò)直播教學(xué)等在內(nèi)的多種在線課程，讓中學(xué)生在家就能學(xué)習(xí)理論知識，但由于實驗場地等種種限制，實驗教學(xué)無法在線進(jìn)行，這使得中學(xué)生無法在網(wǎng)上進(jìn)行實驗教學(xué)。學(xué)校學(xué)生接受知識。 綜合性大大降低，中學(xué)生實驗教學(xué)問題日益突出。 虛擬仿真實驗只能解決這個困境，是解決疫情期間理工科學(xué)生未能完成實驗困境的“鑰匙”。 許多高校也積極組織在線虛擬實驗教學(xué)工作。 比如，上海大學(xué)舉辦的《工程圖學(xué)》虛擬實驗課，把具體的知識點(diǎn)抽象出來，把課本上的零件、儀器“活”起來，甚至讓中學(xué)生可以“玩”自己的作品。自己的雙手360度無死角。 課堂進(jìn)度、課內(nèi)測驗變成了“游戲通關(guān)”一樣的小競賽。 重慶建筑科技學(xué)院舉辦虛擬仿真課程《電路與模擬與數(shù)字電實驗》。 在“云”實驗室中，中學(xué)生們通過反復(fù)練習(xí)、反復(fù)實驗，加深對電路結(jié)構(gòu)、實驗原理等知識的理解，同時實時記錄實驗數(shù)據(jù)，完成一系列實驗操作和實驗報告。 然而，目前，高效的物理虛擬仿真在線實驗課程并不多。 目前只有廣東大學(xué)報道正在舉辦相關(guān)的物理虛擬仿真課程。
4 結(jié)語
化學(xué)物理虛擬模擬實驗具有紅色安全、不受時間和地點(diǎn)限制、成本低、教學(xué)效果好等優(yōu)點(diǎn)。 中學(xué)生也可以在家進(jìn)行其困境預(yù)習(xí)和備考實驗，可以提高數(shù)學(xué)物理實驗的教學(xué)效率。 理科學(xué)生未能通過完成實驗和其他困境的最佳方式。
參考
[1] 付先才，沈文霞，姚天陽，等． 化學(xué)物理。 第五版[M]. 上海：高等教育出版社，2005：2-3．
［2］謝波，趙坤。 虛擬仿真實驗在數(shù)理實驗教學(xué)中的應(yīng)用初探［J］． 江蘇化工, 2019, 46(1):200－211.
［3］王敏，陳艷艷，吳曉蕾，等.虛擬仿真技術(shù)在有機(jī)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］． 江蘇化工, 2018, 47(10):142－144.
[4] 張文英，袁帥． 虛擬實驗教學(xué)法在數(shù)理化教學(xué)中的應(yīng)用［J］． 當(dāng)代教育理論與實踐, 2012, 4(6): 108-109.
[5] 邱惠華，周鵬． 虛擬仿真實驗在數(shù)理實驗教學(xué)中的作用[J]. 江蘇化工, 2016, 45(17):132－133.
［6］教育部：借助互聯(lián)網(wǎng)平臺，“停課不停學(xué)”［OL］．
作者：李鵬宇、楊宇、吳雪玲、劉媛媛、米利偉、陳衛(wèi)華單位：中原工學(xué)院、材料化工大學(xué)