虚拟仿真实验教学中心建设必要性

国内学界普遍接受如下观点：国内高校毕业的本科生的理论基础比较扎实，但实验能力、创新意识与世界一流大学的优秀学生之间有较大差距。探索提升实验教学效果的有效方式、引导培养学生的创新意识的可行方案，是实验教师队伍近几年不懈努力的目标。

随着电子技术的不断发展，实验设备的“自动化”发展趋势，使得实验设备越来越趋向于“黑匣子”，这个大背景下，如何让学生掌握实验设备的工作原理，进而明白实验中得到的结果，是我们迫在眉睫的需要解决的大课题。我们借鉴国外同行在物理实验教学中开展“模型化”教学提升学生的“物理素养”的成功经验，大力推进物理虚拟仿真实验教学。

虚拟仿真实验教学是培养学生自主构建研究体系的物理模型、实验仪器的物理模型的最佳机会，有利于夯实学生的物理基础，促进创新能力的发展。物理实验研究的一个内容是通过观察体系在 “输入”条件有计划地改变时的不同行为来确定系统的特性。在此过程中，对研究的物理体系构建有效的模型，明确关键参数，并设计研究方案，是所有工作的基础。我们的学生在学习中善于解答书上的题目，而不懂如何去提出问题；在实验过程中，习惯于按操作指南去完成实验，而不去体会实验系统、实验步骤为何如此设计，实验现象出现的物理基础是什么，实验结果是否合理，还有哪些可以探索的问题等等。学生长期如此学习和做实验的结果是：自主探索意识的进一步减弱，创新意识和创新动力的缺失，以及创新能力的不足。但如何构建模型？如何在明白了体系已知特性的物理基础之后，再去深入地探究更多的未知特性？这些实际上都是创新工作的基础。为了让学生在理解的基础上，明明白白地做实验，通过实验训练不仅能按要求完成已给定的实验内容，还能提出自己的问题，开展自主探索，我们很有必要开展“模型化教学”，不仅让学生明白在实际工作中构建模型的重要性，也明了模型构建过程中的假设、近似和模型的适用范围，进而培养学生自主构建模型的能力。通过物理建模训练，有望切实提升学生的实验能力。而虚拟仿真实验教学则是训练学生自主构建物理模型的能力最有效的途径：在此过程中，学生可以“无成本”地改变各种实验条件，检验自己构建的模型的合理性及有效性，并预期实际实验研究过程中可能出现的问题，进而优化实际实验的设计及效率。在加深理解的基础上，学生可以通过虚拟仿真实验的摸索，有勇气在实际实验中进行更多书本之外的探索，从而激发创新意识，培养创新能力。

虚拟仿真实验教学是提高学生对实验课程兴趣和动力的有效途径。近年来的教学研究发现：大部分高中为了提高学生的高考成绩，普遍侧重通过“题海战术”提高学生的解题能力而不重视实验训练；大学生普遍重视绩点，经常来询问“为什么要我必修物理实验课”，对“产出投入比很低”的实验课没有兴趣，经常是抱着“应付了事”的态度；虚拟仿真实验教学通过多媒体技术可以非常高效地向学生展示物理的精彩和实验方法的奇妙之处，使用网络技术又便于学生根据自己的喜好选择自己感兴趣的内容，设定适合自己学习进度，从而帮助学生更好地做好实验预习，理解自己将要进行的实验内容和实验方法，进而提高他们对实验课程的兴趣和愿意积极投入的动力，从而提高实验训练的效果。

虚拟仿真实验教学是加深学生对实验理解的高效方式。近代物理实验的内容是探究微观粒子（含离子、分子、原子、电子、光子等）在外场条件改变时的行为，不仅信号微弱，而且信号随条件变化的规律比较复杂，不少同学因缺乏物理过程比较直观的演示，很难理解自己观察到的现象和得到的结果，但这类实验中设计的物理思想和实验技术非常精妙。譬如，光泵磁共振实验，实验中采用的光泵技术，曾被授予诺贝尔物理学奖，大大促进了现代分子原子光谱技术的发展，是原子钟的技术基础。但在此实验中，光抽运信号会随扫场条件丰富而快速地变化，很多学生在学生做完讲义要求的步骤之后，仍不明白其中的原理。我们的教学团队于一年多前拍摄了该实验的教学视频，其中包含原理详解、技术关键和原子能级随参数变化的动画演示等内容；我们在随后的教学实践中，通过问卷调查了解这些教学视频是否有助于对学生掌握实验内容和实验技术？看过视频的同学中有95%的回答是“非常有帮助”或“有帮助”。这坚定了我们通过多媒体技术帮助学生更方便理解实验原理的信心，也激励我们投入更大的热情建设虚拟仿真教学实验。

虚拟仿真实验教学是拓宽实验教学的必经之路。前沿物理实验研究中，许多实验是在极端条件（如强磁、低温、高压、高真空等）条件下进行的，要在教学实验室中实现这些条件，高成本会限制实验教学的可持续发展，但若实验教学若不涉及这部分内容，会有远离前沿研究，无法体现实验内容也与时俱进的趋势；还有一些实验的开展则需要在特定的危险条件下进行，如核物理实验、放射防护实验，学生若长时间在这类环境下做实验可能会影响身体健康，但若不开展这类教学实验，则课程体系有不完整的遗憾。为了弥补以上缺陷，虚拟仿真实验教学是必由之路。精心设计的虚拟仿真实验完全可以让学生有身临其境的感觉，珍惜实验训练机会，培养基本的安全意识和良好的实验习惯，还可以极大地拓展教学实验的内容覆盖面，充实实验教学的内容，让学生的实验能力更加全面。

基于以上原因，复旦大学物理教学实验中心在近几年的实验建设中，努力整合资源，投入较为充足的人力物力，通过内部培训，赴国内外高水平学校进修、学习，协力提高教师队伍应用计算机开展虚拟仿真教学的能力，统一思想着力加强虚拟仿真实验教学在日常教学中的比例，并已取得可喜成绩：包括制作了大量的实验教学的辅导视频，供学生在实验学习的不同阶段使用；自主开发了多个虚拟仿真实验教学项目，既锻炼了参与项目建设学生的能力，也拓宽了今后开展虚拟仿真实验教学的内容