傳統(tǒng)物理實驗與虛擬仿真實驗研究

1、傳統(tǒng)物理實驗與虛擬仿真實驗研究摘要:物理學作為探索自然規(guī)律、解釋自然現(xiàn)象的一門學科，物理實驗構(gòu)成了它的基礎。隨著人類教育的逐漸進步，傳統(tǒng)的物理實驗由于其自身的一些限制性條件而無法滿足物理教學中的所有要求。隨信息技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的虛擬仿真技術(shù)，由于其獨特的優(yōu)點被引入各種物理實驗，成為與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合的一種新的實驗教學模式。這兩種實驗方式各有其優(yōu)缺點，兩者相互結(jié)合、相互彌補，實現(xiàn)物理實驗在物理教學中的更大功能。 關(guān)鍵詞:傳統(tǒng)物理實驗；虛擬仿真實驗；虛實 結(jié)合作為一門自然學科，物理學有著鍛煉學生邏輯思維能力的作用，而作為物理學基礎的物理實驗則是培養(yǎng)學生動手能力、科學思維能力、合作交流能力的主要手段。傳

2、統(tǒng)實驗模式由于時空限制、儀器設備等原因無法實現(xiàn)對學生的培養(yǎng)要求。虛擬仿真實驗則為實驗教學打開了一個新的世界，它是計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人機交互技術(shù)的產(chǎn)物，成為教育領(lǐng)域應用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新1。相比之下，虛擬仿真實驗是通過構(gòu)造一個結(jié)構(gòu)化的虛擬實驗室，為學生開展探究型學習提供實驗條件，并幫助學生研究、分析和探索物理世界中各種感興趣的問題2。 1傳統(tǒng)物理實驗的優(yōu)點與不足 1.1傳統(tǒng)物理實驗的優(yōu)點。（1）能提高學生感性認知。從心理學的角度出發(fā)，學生總是對自己能夠親身接觸的實物記憶得更加深刻和透徹。在物理教學中，物理概念與物理規(guī)律是建立在一定的感性認知基礎之上的。傳統(tǒng)實驗由真實的實驗儀器和設備構(gòu)成實

3、驗的物質(zhì)基礎，學生操作真實的實驗儀器設備，通過視覺、聽覺、觸覺等來認識客觀事物獲得感性認知，對物理產(chǎn)生熱愛的同時加深對理論知識的學習與掌握。（2）能提高學生操作能力。學生在進行物理實驗的過程中，除了對原理的理解有所不足外，還會遇到各種各樣的實驗誤差，這就要求學生學會分析相關(guān)實驗的誤差原因，擁有一定的問題解決能力，知道從偶然誤差和系統(tǒng)誤差兩個角度進行分析，清楚如何調(diào)節(jié)儀器來解決相關(guān)問題。在實驗結(jié)論不符合理論推導時，能夠思考是由于儀器使用方法出錯還是儀器本身有缺陷引起的，并進行調(diào)節(jié)。在對真實儀器的調(diào)節(jié)過程中提高了學生的動手能力和解決問題的能力。1.2傳統(tǒng)物理實驗的不足。（1）實驗教學受時空、人力限

4、制。傳統(tǒng)的物理實驗教學一般都是在特定的實驗室進行。然而，在一些偏遠地區(qū)的學校，由于經(jīng)費問題沒有建設專門的實驗室，使得物理實驗無法正常開展，無法實現(xiàn)實驗在教學中的作用。另外，實驗員數(shù)量不足和物理教師兼職實驗員的現(xiàn)象使傳統(tǒng)實驗的開展出現(xiàn)了困難3。中學物理教師自身壓力大，他們既擔負著提高升學率的重擔，又有自己職稱評定的壓力，而部分學校一般是將他們的職稱評定與升學任務的完成情況連為一體。所以，物理教師們不可能專注于物理實驗的教學，他們更多是把精力集中于理論課的教學。而這樣就又回到了以前的應試教育模式，對學生實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常不利。（2）實驗儀器老舊。傳統(tǒng)實驗使用實驗儀器進行操作時，隨著實驗次

5、數(shù)的增加，實驗儀器被使用的頻率提高，儀器的磨損率變大，從而使學生即使在操作無誤的情況下，觀察到的實驗現(xiàn)象和獲得的實驗數(shù)據(jù)也不理想。所以，在實驗中經(jīng)常出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，學生為了能得到較理想的結(jié)果在整個實驗過程中都忙著檢查、修復儀器，浪費大量的時間，甚至到最后為了完成實驗任務不得不向其他同學匆匆借鑒一份數(shù)據(jù)，這嚴重影響了學生進行實驗的積極性。（3）部分抽象實驗現(xiàn)象不明顯。物理學中的部分知識較抽象，通過傳統(tǒng)的實驗無法將這些抽象性的物理現(xiàn)象呈現(xiàn)給學生。因此，學生在無法獲得感性認知的情況下，很難理解這些抽象的知識。如電磁波的形成需要變化的磁場與電場的相互作用，所涉及的電場、磁場、電磁波都是物質(zhì)的一種客觀存

6、在，但看不見也摸不著，在真實的實驗中也無法呈現(xiàn)，學生無法通過感性認知去理解，從而成為學習的難點。 2虛擬仿真實驗的優(yōu)點與不足 2.1虛擬仿真實驗的優(yōu)點。（1）安全、經(jīng)濟。部分實驗過程中，為了保證學生的安全，實驗教師都會在實驗前重點給學生講解注意事項，可學生總是會對老師所告誡的一些不能做的事有著強烈的好奇心，總想去嘗試一下看看會有什么結(jié)果。如，中學電學實驗中，老師告誡學生不可將一根單獨的導線接于電源的兩端，學生處于初學階段，非常好奇想要親自看到這樣操作會出現(xiàn)什么現(xiàn)象，在老師不注意的情況下進行錯誤的操作，就可能會燒壞電源引發(fā)安全事故。虛擬仿真實驗提供虛擬的元器件和實驗環(huán)境，學生可以按照自己的想法連

7、接實驗器件、觀察實驗現(xiàn)象。操作錯誤時，虛擬軟件會出現(xiàn)相關(guān)操作錯誤警告，提醒這樣操作會引起的危害，而不會引發(fā)真正的事故。這就體現(xiàn)了虛擬仿真實驗比傳統(tǒng)實驗更加安全、經(jīng)濟的優(yōu)點。（2）實驗結(jié)果更接近理論值。傳統(tǒng)物理實驗會受到實驗儀器、場所等客觀因素的影響而造成實驗結(jié)果不理想。而采用虛擬仿真實驗可以提供理想化的實驗環(huán)境，使得實驗環(huán)境不會對實驗儀器造成影響。例如，在用單擺驗證機械能量守恒實驗時，虛擬的環(huán)境不用考慮單擺受空氣阻力等影響，所以不會出現(xiàn)像真實實驗的擺動過程中振幅越來越小的現(xiàn)象。虛擬實驗中的各個實驗儀器之間并不是直接接觸，避免了儀器之間可能會有摩擦而產(chǎn)生的誤差。（3）開放性的實驗環(huán)境。中學生處于

8、思維活躍、富于幻想、好奇心強的階段，他們總是對一切事物充滿了好奇心，會在頭腦中想出一些天馬行空的東西，對于一些動手操作的事情充滿了極大的興趣，對一些既定的規(guī)則制度總有質(zhì)疑。所以，在實驗中經(jīng)常有這樣的現(xiàn)象出現(xiàn)：學生很不理解實驗的操作為什么要按照書中所寫的步驟進行，換自己的方法可不可以？即使教師向?qū)W生仔細地解釋其緣由，學生依然固執(zhí)地認為按照自己的想法和設計也能得到實驗效果并且還更簡單。虛擬仿真實驗則向?qū)W生提供了一個開放的實驗平臺，學生可以運用虛擬軟件按照自己的想法來選擇實驗模式、設計實驗步驟，在實驗過程中充分發(fā)揮了他們的直覺思維能力、創(chuàng)造思維能力，也實現(xiàn)了培養(yǎng)學生學習興趣的目的。2.2虛擬仿真實驗

9、的不足。（1）缺乏實驗的氛圍。虛擬仿真實驗采用人機交互的模式，學生面對的是冰冷的電腦和一些不真實的軟件。實驗時老師一般是通過主機控制方式與學生互動，這會給學生帶來一種感覺：他們面對只是一個會講解實驗知識的機器，而并非真正的人。虛擬仿真實驗模式一般采取一人一機，無法提供真實實驗中的人文環(huán)境，難以實現(xiàn)核心素養(yǎng)中提出的培養(yǎng)學生合作交流能力的要求。（2）實驗過于理想。虛擬實驗完全是在虛擬的環(huán)境中進行，各種器材的連接、調(diào)節(jié)都是通過鼠標或者鍵盤來操作，學生只要掌握了實驗原理，根據(jù)實驗原理對實驗儀器設備進行連接，就可以基本保證實驗結(jié)果與理論結(jié)果相符。物理核心素養(yǎng)中的“科學思維”提出培養(yǎng)學生分析問題和解決問題

10、的能力。而虛擬實驗過程都非常理想，對真實實驗過程中的一些細節(jié)，特別是易出現(xiàn)的實驗故障等問題缺乏模擬，不利于培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。 3兩種實驗的互補性 傳統(tǒng)實驗模式與虛擬仿真實驗各有其獨特的優(yōu)缺點，兩者并非非此即彼、相互對立的關(guān)系，而是相互共存、相互促進的統(tǒng)一體。為了使物理實驗教學效果達到最優(yōu)化，在中學物理實驗教學中應考慮將兩種實驗模式結(jié)合起來，從而實現(xiàn)實驗教學的目的。（1）從安全性與感性認知考慮兩者的結(jié)合。（2）根據(jù)實驗目的合理選擇“虛”“實”實驗模式。物理實驗有多種類型，不同的實驗類型有不同的實驗目的，可大致分為，以觀察實驗現(xiàn)象為主的演示性實驗、以驗證物理定理或定則為主的驗證性實

11、驗、以測量為主的測量性實驗、以探究物理規(guī)律為主的探究性實驗。教師可以根據(jù)實驗項目目的的不同，靈活地采用虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗。由于虛擬實驗模式提供的實驗環(huán)境和所得的實驗結(jié)果較理想，所以對于一些主要是以觀察實驗現(xiàn)象為目的的實驗就可以采取虛擬仿真實驗模式。如牛頓環(huán)實驗、小孔成像實驗等。另外，一些難以理解的抽象概念和一些需要學生根據(jù)實驗原理自行設計的設計型實驗也可以采用虛擬仿真實驗模式，使學生在實驗過程中能夠充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新意識。 4討論 在信息技術(shù)還未發(fā)展時，物理實驗都是采用傳統(tǒng)的實驗模式來進行。隨著虛擬仿真技術(shù)在教學領(lǐng)域的應用，也使得傳統(tǒng)的教學發(fā)生了變革，帶來了一種新的教學觀念，并影響著教學模式和教學內(nèi)容的變化。虛擬實驗的安全性、經(jīng)濟性以及所具有的能夠營造理想的實驗環(huán)境的優(yōu)點彌補了傳統(tǒng)實驗模式的不足。同時，由于虛擬仿真技術(shù)暫時未發(fā)展到能夠像傳統(tǒng)實驗那樣調(diào)動學習者各種感知覺的強大功能，所以這種方法只能作為傳統(tǒng)實驗的一種輔助。也正如前面所述，兩者并非非此即彼的關(guān)系，而是相互補充、共同發(fā)揮實驗教學的最大功能。在今后的教學中如何將這兩種實驗模式有機結(jié)合，就需要我們這些即將成為人民教育工作