【摘要】：數(shù)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)不僅可以幫助中學(xué)生直觀地理解理論知識(shí),還可以使中學(xué)生增強(qiáng)動(dòng)手能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力。 傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)存在中學(xué)生預(yù)習(xí)效果差、實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)沒(méi)有舉行，中學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題更加突出。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是破解疫情期間理工科學(xué)生無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)困境的“鑰匙”。 本文詳細(xì)論述了傳統(tǒng)數(shù)理實(shí)驗(yàn)課程的不足，闡述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)； 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(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)探索和研究物理學(xué)的基本規(guī)律和理論。 是無(wú)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(mén)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(guò)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(shí)驗(yàn)課使中學(xué)生通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過(guò)程更直觀地理解理論知識(shí)。 同時(shí)，中學(xué)生可以學(xué)習(xí)如何操作儀器，提高動(dòng)手能力，結(jié)合理論知識(shí)，通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)分析和解決問(wèn)題。 綜合能力。
1 傳統(tǒng)數(shù)理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足
傳統(tǒng)的“教師講理論——指導(dǎo)中學(xué)生做實(shí)驗(yàn)——寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)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(shí)驗(yàn)過(guò)程指導(dǎo)難度大。 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程中，一名班主任指導(dǎo)十組左右的中學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)失敗或發(fā)生危險(xiǎn)。 (3)中學(xué)生參與度低。 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)班基本上是多個(gè)中學(xué)生共用的一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)小伙伴都不能參與所有的實(shí)驗(yàn)操作大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，甚至有的中學(xué)生全程只是旁觀實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致中學(xué)生動(dòng)手能力差。 運(yùn)動(dòng)量不足。 (4) 成本高 化學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)課的時(shí)間限制，班主任通常更注重實(shí)驗(yàn)操作的講解。 中學(xué)生只是按照教學(xué)重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，沒(méi)有深入思考。 另外，實(shí)驗(yàn)過(guò)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(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解不夠充分，不能滿足數(shù)理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)目標(biāo)的要求。
2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)被譽(yù)為一門(mén)具有跨年齡意義的課程。 顧名思義，它依靠虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，生成具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)感知的逼真“虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)、破壞性實(shí)驗(yàn)，從而提高教學(xué)效能[2]。 與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)勢(shì)。 (1)紅色安全傳統(tǒng)數(shù)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)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(shí)驗(yàn)所用的所有試劑都是虛擬的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)形成有毒有害物質(zhì)，是真正的污染物零排放[3]。 同時(shí)，由于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)接觸到真藥，在增加實(shí)驗(yàn)成本的同時(shí)，中學(xué)生的人身安全也得到了絕對(duì)保障。 (2)不受時(shí)間和地點(diǎn)限制，提高中學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。 中學(xué)生可以隨時(shí)使用筆記本電腦或手機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，特別適合當(dāng)前的疫情形勢(shì)。 道路教學(xué)。 此外，虛擬實(shí)驗(yàn)可以模擬實(shí)驗(yàn)的微觀環(huán)節(jié)，更直觀地解釋不太明顯或難以察覺(jué)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使中學(xué)生更容易理解實(shí)驗(yàn)。 而且，中學(xué)生可以根據(jù)自己對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，反復(fù)“動(dòng)手”實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)直觀動(dòng)態(tài)的人機(jī)交互系統(tǒng)，可以降低實(shí)驗(yàn)興趣，提高中學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)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(shí)驗(yàn)需要購(gòu)買(mǎi)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(shí)驗(yàn)會(huì)促進(jìn)儀器設(shè)備的老化，降低維護(hù)成本。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件特別經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不需要真實(shí)的設(shè)備和試劑，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源共享可以節(jié)省訂購(gòu)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(shí)驗(yàn)后，會(huì)減少實(shí)際做實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)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(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)中的各種模擬來(lái)熟悉即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作，從而快速掌握關(guān)鍵步驟，然后在進(jìn)行真正的實(shí)驗(yàn)時(shí)，中學(xué)生才能充滿信心、反應(yīng)靈敏，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)效率。 而且，對(duì)于很久以前做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，中學(xué)生可以通過(guò)虛擬模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)備考，然后可以快速回憶起實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而使中學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)。提高教學(xué)效果。
3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域和管理過(guò)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(shì)，適應(yīng)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(kāi)始建設(shè)自己的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。模擬物理實(shí)驗(yàn)室。 例如，中國(guó)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)探索和平臺(tái)建設(shè)，研發(fā)了各種類型。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要補(bǔ)充和拓展，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。 上海師范大學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主要針對(duì)放射性、高風(fēng)險(xiǎn)、高污染、學(xué)生無(wú)法理解的具體理論和概念，以及有毒、有害、易燃易爆實(shí)驗(yàn)。 設(shè)計(jì)并建設(shè)了一系列物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放共享。 山東師范大學(xué)理化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心針對(duì)個(gè)別理論知識(shí)或涉及宏觀、微觀領(lǐng)域的高水平概括的不足，開(kāi)發(fā)了一系列用于理論教學(xué)的分子。 現(xiàn)實(shí)世界找不到具體案例來(lái)論證。 模擬小型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)?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(shí)的教學(xué)效果。
當(dāng)前，病毒正在全球肆虐。 雖然國(guó)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(zhǎng)期以來(lái)一直無(wú)法重新開(kāi)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(tái)“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(shí)，但由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等種種限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法在線進(jìn)行，這使得中學(xué)生無(wú)法在網(wǎng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)校學(xué)生接受知識(shí)。 綜合性大大降低，中學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題日益突出。 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只能解決這個(gè)困境，是解決疫情期間理工科學(xué)生未能完成實(shí)驗(yàn)困境的“鑰匙”。 許多高校也積極組織在線虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。 比如，上海大學(xué)舉辦的《工程圖學(xué)》虛擬實(shí)驗(yàn)課，把具體的知識(shí)點(diǎn)抽象出來(lái)，把課本上的零件、儀器“活”起來(lái)，甚至讓中學(xué)生可以“玩”自己的作品。自己的雙手360度無(wú)死角。 課堂進(jìn)度、課內(nèi)測(cè)驗(yàn)變成了“游戲通關(guān)”一樣的小競(jìng)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(shí)驗(yàn)》。 在“云”實(shí)驗(yàn)室中，中學(xué)生們通過(guò)反復(fù)練習(xí)、反復(fù)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)電路結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)原理等知識(shí)的理解，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成一系列實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 然而，目前，高效的物理虛擬仿真在線實(shí)驗(yàn)課程并不多。 目前只有廣東大學(xué)報(bào)道正在舉辦相關(guān)的物理虛擬仿真課程。
4 結(jié)語(yǔ)
化學(xué)物理虛擬模擬實(shí)驗(yàn)具有紅色安全、不受時(shí)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(shí)驗(yàn)，可以提高數(shù)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效率。 理科學(xué)生未能通過(guò)完成實(shí)驗(yàn)和其他困境的最佳方式。
參考
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［6］教育部：借助互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，“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)