【摘要】：數學物理實驗不僅可以幫助中學生直觀地理解理論知識,還可以使中學生增強動手能力和分析問題、解決問題的綜合能力。 傳統的數學物理實驗存在中學生預習效果差、實驗過程難以指導、成本高等缺點。 尤其是在COVID-19疫情期間，傳統的數理實驗沒有舉行，中學生實驗教學問題更加突出。 虛擬仿真實驗是破解疫情期間理工科學生無法完成實驗困境的“鑰匙”。 本文詳細論述了傳統數理實驗課程的不足，闡述了虛擬仿真實驗的優勢和應用現狀。
關鍵詞：數學物理實驗； 虛擬仿真技術； 遠程教學； 教學改革
數學物理學運用數學中大量的理論成果和實驗技術來探索和研究物理學的基本規律和理論。 是無機物理、分析物理、有機物理四大物理中理論最深的一門課程。 此外，由于數學物理涉及宏觀與微觀性質的關系、化學過程機理及其控制等大量具體內容[1]，它也是四大物理學中最難理解的理論課程。 數理實驗課使中學生通過具體的實驗現象和過程更直觀地理解理論知識。 同時，中學生可以學習如何操作儀器，提高動手能力，結合理論知識，通過動手實驗分析和解決問題。 綜合能力。
1 傳統數理實驗教學的不足
傳統的“教師講理論——指導中學生做實驗——寫實驗報告”的教學方法存在諸多不足：（1）預習效果不佳。 掌握儀器的使用技巧是很困難的。 (2)實驗過程指導難度大。 傳統的實驗課程中，一名班主任指導十組左右的中學生進行實驗。 實驗失敗或發生危險。 (3)中學生參與度低。 傳統的實驗班基本上是多個中學生共用的一套實驗設備。 實驗過程中，每個小伙伴都不能參與所有的實驗操作大學物理虛擬仿真實驗數據，甚至有的中學生全程只是旁觀實驗，導致中學生動手能力差。 運動量不足。 (4) 成本高 化學物理實驗需要的儀器設備較多，中學生的頻繁操作和誤操作促進了設備老化，降低了維護成本。 (5)教學效果不理想。 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。 中學生只是按照教學重復實驗步驟，沒有深入思考。 另外，實驗過程通常只進行一次，不能重復。 中學生印象不夠深刻，對實驗原理的理解不夠充分，不能滿足數理實驗課教學目標的要求。
2 虛擬仿真實驗的優點
虛擬仿真實驗教學被譽為一門具有跨年齡意義的課程。 顧名思義，它依靠虛擬現實技術，生成具有視覺、聽覺和觸覺感知的逼真“虛擬實驗室”。 中學生可以在虛擬空間完成難以遠程操作的復雜實驗，體驗真實實驗室無法實現的高風險、破壞性實驗，從而提高教學效能[2]。 與傳統實驗課程相比，虛擬仿真實驗具有以下優勢。 (1)紅色安全傳統數學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。 而且傳統的數學物理實驗過程中會形成一定量的有害物質（廢水、廢液等），污染環境。 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，是真正的污染物零排放[3]。 同時，由于學生在實驗過程中不會接觸到真藥，在增加實驗成本的同時，中學生的人身安全也得到了絕對保障。 (2)不受時間和地點限制，提高中學生學習的主動性。 虛擬仿真實驗可以在互聯網上進行，不受時間和地點的限制。 中學生可以隨時使用筆記本電腦或手機進行模擬實驗，特別適合當前的疫情形勢。 道路教學。 此外，虛擬實驗可以模擬實驗的微觀環節，更直觀地解釋不太明顯或難以察覺的實驗現象，使中學生更容易理解實驗。 而且，中學生可以根據自己對實驗原理的理解，反復“動手”實驗。 通過直觀動態的人機交互系統，可以降低實驗興趣，提高中學生的學習主動性，也可以激發中學生的創新思維。 。 (3)成本增加。 傳統的化學、物理實驗需要購買各種昂貴的儀器設備和大量的制藥試劑。 中學生大量頻繁的實驗會促進儀器設備的老化，降低維護成本。 虛擬仿真實驗軟件特別經濟實惠，實驗過程中不需要真實的設備和試劑，通過網絡資源共享可以節省訂購設備和藥品的成本[4]。 另外，中學生在預覽虛擬仿真實驗后，會減少實際做實驗時對儀器的誤操作，從而有效保護昂貴的儀器，增加維護成本。 (4)為了提高教學效果，中學生可以通過虛擬實驗中的各種模擬來熟悉即將進行的實驗操作，從而快速掌握關鍵步驟，然后在進行真正的實驗時，中學生才能充滿信心、反應靈敏，強化實驗效率。 而且，對于很久以前做過的實驗，中學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和難點大學物理虛擬仿真實驗數據，從而使中學生鞏固所學知識。提高教學效果。
3 虛擬仿真實驗現狀
隨著當前信息技術和互聯網技術的快速發展，在國家信息化發展戰略的指導下，虛擬現實技術在教育教學領域和管理過程中的應用逐漸深入，有力地促進了教育教學的發展。教育模式、教學方法和學習方法。 深刻改革[5]。 為了迎合教育信息化發展趨勢，適應物理虛擬仿真實驗教學改革的需要，以四川大學、天津大學、中南大學、貴州大學等多所高校開始建設自己的虛擬仿真實驗教學中心。模擬物理實驗室。 例如，中國科學院在現有基礎上，重點從分子模擬估算、儀器模擬、網絡教學等方面進行虛擬模擬物理實驗的教學探索和平臺建設，研發了各種類型。 虛擬仿真實驗教學項目是實驗室實驗教學的重要補充和拓展，實現虛擬與現實相結合、優勢互補。 上海師范大學物理虛擬仿真實驗教學中心主要針對放射性、高風險、高污染、學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。 設計并建設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平臺實現開放共享。 山東師范大學理化虛擬仿真實驗教學中心針對個別理論知識或涉及宏觀、微觀領域的高水平概括的不足，開發了一系列用于理論教學的分子。 現實世界找不到具體案例來論證。 模擬小型實驗項目實現了課堂教學的實驗模擬應用，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效果。
當前，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。 2020年1月29日，教育部發布《教育部：借助互聯網平臺“停課不停學”》，指出“停課不停學”不僅是抗擊疫情的緊急措施，也是互聯網+教育的重要成果應用展示。 責任重大，使命光榮[6]。 包括MOOC、微課、網絡直播教學等在內的多種在線課程，讓中學生在家就能學習理論知識，但由于實驗場地等種種限制，實驗教學無法在線進行，這使得中學生無法在網上進行實驗教學。學校學生接受知識。 綜合性大大降低，中學生實驗教學問題日益突出。 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工作。 比如，上海大學舉辦的《工程圖學》虛擬實驗課，把具體的知識點抽象出來，把課本上的零件、儀器“活”起來，甚至讓中學生可以“玩”自己的作品。自己的雙手360度無死角。 課堂進度、課內測驗變成了“游戲通關”一樣的小競賽。 重慶建筑科技學院舉辦虛擬仿真課程《電路與模擬與數字電實驗》。 在“云”實驗室中，中學生們通過反復練習、反復實驗，加深對電路結構、實驗原理等知識的理解，同時實時記錄實驗數據，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。 目前只有廣東大學報道正在舉辦相關的物理虛擬仿真課程。
4 結語
化學物理虛擬模擬實驗具有紅色安全、不受時間和地點限制、成本低、教學效果好等優點。 中學生也可以在家進行其困境預習和備考實驗，可以提高數學物理實驗的教學效率。 理科學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。 虛擬仿真實驗在數理實驗教學中的應用初探［J］． 江蘇化工, 2019, 46(1):200－211.
［3］王敏，陳艷艷，吳曉蕾，等.虛擬仿真技術在有機物理實驗教學中的應用研究［J］． 江蘇化工, 2018, 47(10):142－144.
[4] 張文英，袁帥． 虛擬實驗教學法在數理化教學中的應用［J］． 當代教育理論與實踐, 2012, 4(6): 108-109.
[5] 邱惠華，周鵬． 虛擬仿真實驗在數理實驗教學中的作用[J]. 江蘇化工, 2016, 45(17):132－133.
［6］教育部：借助互聯網平臺，“停課不停學”［OL］．
作者：李鵬宇、楊宇、吳雪玲、劉媛媛、米利偉、陳衛華單位：中原工學院、材料化工大學