物理虚拟仿真实验教学中心建设与实践

物理虚拟仿真实验教学中心建设与实践
王旗;朱盼盼
【摘要】统的基于真实操作的物理实验教学模式正面临一系列的困难,这些困难是包括我校在内的众多国内外高校所亟待解决的共同课题.为此,我校建设了大学物理虚拟仿真实验、VR虚拟仿真实验,基于"云"平台服务的远程虚拟实验等虚拟仿真实验系统,丰富了实验教学手段,促进了实验教学模式的改革.并以此为契机,获评辽宁省物理实验虚拟仿真教学中心.
【期刊名称】《大学物理实验》
【年(卷),期】2018(031)004
【总页数】3页(P121-123)
【关键词】虚拟仿真;实验教学;虚拟现实技术
【作者】王旗;朱盼盼
【作者单位】东北大学,辽宁沈阳 110004;东北大学,辽宁沈阳 110004
【正文语种】中文
【中图分类】G642
近年来，随着虚拟仿真技术的成熟，虚拟仿真实验以其真实生动的表现形式，低成本的经济投入和良好的安全性在高校实验教学和学生能力培养方面得到了广泛的应用[1-4]。

东北大学物理实验教学中心认真总结近年来虚拟仿真实验在教学中的应用，努力建
设集多功能为一体的开放式网络化立体实验教学模式和实验中心现代化管理信息平台，以现代信息技术引领教育模式创新，充分发挥虚拟仿真实验在物理实验教学模式改革中的重要作用[5-7]。

达到拓展教学时空、优化教学系统、教学资源共享的
目的。

1 虚拟仿真实验教学中心建设的必要性
物理实验教学中心承担的物理实验是一门重要的理工科基础实验课程，是对学生进行科学实验基本训练的一门独立的、必修的基础课程。

东北大学物理实验教学中心每年承担全校35个专业、3 500余名本科生的实验教学任务，学生每完成一个实验题目的实验学习任务都要经历实验预习、课上操作、数据处理、撰写报告这一流程。

(1)在实验预习阶段，由于学生课前不能接触实验仪器，只能通过书本或电子讲义
撰写预习报告，对实验操作步骤和测量内容没有自主性思考，所撰写的预习报告只能是对书本或电子讲义的照搬照抄，充当“复印机”的角色。

(2)虚拟仿真实验是实验室全面开放的有力保证。

鉴于实验教学在人才培养中的重
要作用，近年来中心不断加深实验室开放的力度，拓宽实验室开放的时间和空间。

传统实验方式下，学生无法提前操作仪器，进入实验室后由于对仪器不熟，很容易操作失误对仪器造成损坏[8]。

(3)对于一些高危、高成本和极端条件下的实验题目，如核辐射系列实验、超高压
物性测量实验、超高真空系统实验等，仪器设备购置成本高，仪器本身维护费用大，难以进行大面积真实实验教学，受众面小，大部分学生无法掌握此类实验的操作技术和系统应用。

虚拟仿真实验通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，形成了一部活的、可操作的物理实验教科书。

2 中心教学资源建设
物理实验教学中心以加强基础、重视应用、培养能力、开拓思维、鼓励创新、提高素质为指导思想，构建了多层次、全方位、点面结合、全面开放的物理实验课程体系。

学生需完成基本型、综合设计型和研究创新型三个层次的实验课程阶段的学习。

为了贯彻“加强基础、重视应用、培养能力、开拓思维、鼓励创新、提高素质”的指导思想，中心不断加大实验室开放的力度，打破传统的实验教学模式，为本科生提供全面开放的实验教学环境。

实现以学生为主，老师为辅的预约式、开放式、自主式实验教学模式，形成以学生自主式、研究式为主的学习模式。

虚拟仿真实验教学资源的建设，丰富了实验教学手段，为实验室全面开放提供了强有力的保障。

经过多年的建设，中心建设了丰富的基于组件的物理虚拟仿真实验资源。

根据“虚实结合、相互补充、以虚促实”的原则，物理实验教学中心建设了一批具有专业特色的物理虚拟仿真实验教学资源，构建了较完整的虚拟仿真实验平台，丰富了物理实验教学体系，创造了仪器设备先进、资源共享、开放服务、高效运行、安全环保的实验教学环境，为学生自主学习、研究性学习和个性发展创造了条件。

中心虚拟仿真教学资源包含：“大学物理仿真实验系列”包含40个。

基于组件的虚拟仿真实验资源项目，实验项目覆盖基础性物理实验、综合性物理实验、设计性物理实验、研究性物理实验和特色实验项目；“大型仪器系列”：为提高工科学生的科研素质，建设了两项大型仪器虚拟仿真实验项目，分别SEM和TEM；“虚拟仿真核物理实验系列”建设了2项核物理实验项目；VR虚拟仿真实验资源2个实验项目(磁控溅射、波动光学)；云服务平台实验项目4个。

图1 物理虚拟仿真实验教学中心建设一览表
3 VR虚拟仿真实验室建设
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术产生于20世纪60年代，概念是20世纪80年代提出的。

VR技术涉及计算机图形学、传感器技术、动力学、光学、人工
智能及社会心理学等研究领域，是多媒体和三维技术发展的新方向，虚拟现实技术
是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，是一种新的人机交互接口，沉浸-交互-构想是VR环境系统的三个基本特性。

虚拟技术的核心是建模与仿真，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境(Virtual Environment，简称VE)，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。

中心以建设省级实验教学示范中心为契机，开发了VR版磁控溅射实验和可供30
个机位操作的波动光学实验。

由于磁控溅射仪器价格昂贵，维修费用巨大，但它同时又是实验教学和科学研究不可缺少的项目。

为此，中心根据现有设备情况和科大奥锐科技有限公司合作开发了一套VR版磁控溅射实验，以实现与真实实验相结合，实现两段式教学，操作实际仪器之前，需要安排学生先做仿真实验，熟悉仪器操作和实验过程后再上真实仪器上操作。

这样可提高真实实验的教学效果，缩短真实实验的时间，提高设备利用率和安全性。

波动光学以波动理论研究光的传播及光与物质相互作用的光学分支。

其原理较多，涉及到的元器件也比较多。

在大学物理实验教学过程中，只是为同学们准备了该实验所需材料。

而在VR虚拟仿真实验可以提供给实验者全部所需的光学元件，这样操作者可以灵活的完成全部实验。

图2为VR波光光学实验的全景图及上课时照片。

图2 VR波动光学实验-全景
4 基于“云”服务平台的远程虚拟实验项目建设
传统的人工管理实验教学方式和人工预约方式受到了强烈的冲击，更加简便、清晰、规范的实验室管理系统也应运而生。

传统的物理实验室，完全基于人工方式管理，致使实验室资源开放性不足。

近年来随着高等教育改革不断深化、学生数量不断增加、教学规模逐步扩大、课件持续更新、仪器更新换代，中心专门为智能实验室系统搭建了云服务平台，有效降低了实验室部署难度，提高部署效率、系统可靠性和
连通性。

基于大数据平台，可实现24小时在线的透明化实验资源，满足随时随地获取教学资源的需求。

学生在任何地点可以随时访问“云”服务平台，通过交互式的控制界面，控制实际仪器开展具体实验操作，完成实验训练。

目前，中心在与服务平台上搭建的实验项目有：示波器的使用、电学黑盒子、动力学法测技术材料的杨氏模量、RLC暂态
电路实验。

5 结语
通过多年的建设，2017年我校物理实验教学中心被评为辽宁省虚拟仿真实验教学中心。

实验室建设过程中，中心拟将进一步与我校物理学科优势方向结合，建设虚拟仿真实验。

比如：粒子天体物理与宇宙学系列，纳米材料制备和表征系列等。

参考文献：
【相关文献】
[1] 刘亚丰，苏莉，吴元喜,等.虚拟仿真教学资源开放共享策略探索[J].实验技术与管理，2016，
33(12)：137-141.
[2] 刘亚丰，余龙江.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索[J].实验技术与管理，2016，
33(4)：108-110.
[3] 张增明，王中平，张宪锋.国家级物理虚拟仿真实验教学的建设实践[J].实验技术与管理，2015，32(12)：146-149.
[4] 赵铭超，孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017，36(4)：90-93.
[5] 李建荣，孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J]，实验室科学，2014，17(3)：98-103.
[6] 赵法刚，周海涛，杨保东.现代物理虚拟仿真实验中心建设的探索与实践[J].实验室科学，2016，19(4)：179-181.
[7] 李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11)：5-8.
[8] 刘维慧，孟丽华，等.工科物理虚拟仿真实验教学平台的建设实践[J].大学物理实验，2016(2)：138-141.。