數(shù)字化信息系統(tǒng)與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

丁健雯

（無錫工業(yè)高級(jí)技工學(xué)校 江蘇 無錫 214000）

數(shù)字化信息系統(tǒng)與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

丁健雯

（無錫工業(yè)高級(jí)技工學(xué)校 江蘇 無錫 214000）

物理課程與信息技術(shù)的整合是新課程關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其具體表現(xiàn)。本文以現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)的理論為指導(dǎo)，從現(xiàn)代教學(xué)理念的角度，通過對(duì)DIS和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成要素、技術(shù)特征和在教學(xué)中的地位作用的深入分析，探討了DIS和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在物理教學(xué)中的應(yīng)用特點(diǎn)和整合應(yīng)用，并總結(jié)了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的教學(xué)體會(huì)。

數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；物理實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)代物理教學(xué)理念，強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過程中學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生提高興趣而獲取知識(shí)，擺脫學(xué)生對(duì)知識(shí)的被動(dòng)接受和教師對(duì)知識(shí)結(jié)論論證的注重。因此，從強(qiáng)調(diào)單純積累知識(shí)向強(qiáng)調(diào)探求知識(shí)方向轉(zhuǎn)變，是物理教學(xué)的改革重點(diǎn)。重視學(xué)習(xí)過程的科學(xué)性和學(xué)生觀察能力與解決問題能力的培養(yǎng)，構(gòu)成了現(xiàn)代物理教學(xué)的基本原則。有效地體現(xiàn)現(xiàn)代物理教學(xué)理念需要采取科學(xué)的教學(xué)方法，而通過有效實(shí)驗(yàn)形式，提高學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建立理論等能力，成為了物理教學(xué)的關(guān)鍵所在。

采用數(shù)字化信息系統(tǒng)DIS（Digital Information System）的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包（教材專用軟件、通用擴(kuò)展軟件）+計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不但克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，而且可以重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)知識(shí)的融會(huì)貫通，支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合，是教學(xué)確立現(xiàn)代物理教學(xué)觀的關(guān)鍵。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的引入，拓展了DIS的適用場(chǎng)合，為DIS帶來了一場(chǎng)改革。

DIS系統(tǒng)與虛擬實(shí)驗(yàn)

DIS系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和DIS系統(tǒng)軟件（實(shí)驗(yàn)軟件包）組成，系統(tǒng)的主要功能是對(duì)各種物理量，如電流、電壓、壓強(qiáng)、溫度、聲波、位移、力、磁、光等，通過多種傳感器實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地測(cè)量，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并由對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)軟件包顯示各物理量和物理過程以及各物理量之間的關(guān)系。DIS系統(tǒng)軟件是針對(duì)物理教學(xué)與物理實(shí)驗(yàn)研發(fā)而成的，它可以完成物理教學(xué)涉及的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，具有簡(jiǎn)潔、易用、貼近教學(xué)、可重復(fù)可驗(yàn)證等特點(diǎn)，并且可以自行進(jìn)行必要的二次開發(fā)與實(shí)驗(yàn)設(shè)定，具備物理實(shí)驗(yàn)過程顯示、物理量的曲線顯示、分析擬合計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)等擴(kuò)展功能，更適于對(duì)物理概念與物理過程的分析研究。可以將DIS理解為一個(gè)復(fù)雜物理試驗(yàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化系統(tǒng)，它通過科學(xué)計(jì)算和計(jì)算可視化技術(shù)，將不可見的物理現(xiàn)象圖形化，更有利于人們對(duì)物理現(xiàn)象的理解。

在物理實(shí)驗(yàn)中使用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以采用多種實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段和數(shù)據(jù)處理方式，提高學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理和物理規(guī)律的能力，大大增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、測(cè)量數(shù)據(jù)、分析問題、處理結(jié)果等過程中，物理問題體現(xiàn)得更集中、更形象，學(xué)生就會(huì)有更多的想象空間去發(fā)現(xiàn)、思考和解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，從而為學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、探究性和交互性提供了技術(shù)保證，也為物理教學(xué)的有效性提供了重要的保證。

雖然DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有重要的作用，但由于受到硬件環(huán)境的限制，學(xué)校往往不會(huì)大規(guī)模地配備DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)備。DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重不足，多數(shù)學(xué)生在課堂上就只能看教師做演示實(shí)驗(yàn)，自己不能動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，教師就很難對(duì)每名學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行指導(dǎo)與評(píng)價(jià)。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)次數(shù)少，時(shí)間短，僅限于課堂上看教師做，課后幾乎沒有動(dòng)手操作，將直接影響物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與水平，導(dǎo)致難以完成課程標(biāo)準(zhǔn)所提出的教學(xué)要求。

引入虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是有效解決DIS面臨問題的有效手段。虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了三維虛擬技術(shù)，為學(xué)生提供了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，其對(duì)DIS物理實(shí)驗(yàn)的過程記錄與回放功能，能有效起到教學(xué)演示作用，最大限度地縮小真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的差異。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能為學(xué)生提供人手一套虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使學(xué)生在計(jì)算機(jī)上的操作就如同對(duì)DIS的操作一樣。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以遠(yuǎn)程開展。

DIS與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

在物理教學(xué)中，不可否認(rèn)的是真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的重要性和不可替代性，虛擬實(shí)驗(yàn)是不能替代真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的，當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)最缺少的就是物理實(shí)驗(yàn)。很大一部分學(xué)校的實(shí)驗(yàn)條件遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)要求。鑒于現(xiàn)實(shí)情況，建立一個(gè)將DIS和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將在相當(dāng)大程度上達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際需求，也利于學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)的開展。

將DIS與三維的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合，使學(xué)生能看到教師所做的真實(shí)演示實(shí)驗(yàn)（如果條件允許也可以由學(xué)生自己做），演示實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果被虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)真實(shí)地記錄下來，然后學(xué)生就可以在計(jì)算機(jī)上自己動(dòng)手做虛擬實(shí)驗(yàn)。這樣，學(xué)生一學(xué)期內(nèi)有限的幾次實(shí)驗(yàn)就轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^三維虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不限時(shí)段地做實(shí)驗(yàn)，一套DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過三維虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)槿耸忠惶讓?shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以在課后和家中設(shè)計(jì)和重復(fù)物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)感受是十分有利的。

學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的過程中會(huì)遇到困難，需要教師的指導(dǎo)和幫助。為了在不同時(shí)段都能給學(xué)生提供指導(dǎo)和幫助，教師可以在實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)編程制作實(shí)驗(yàn)提要，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中提供在線“面對(duì)面”幫助，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)后提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果的判定和過程的評(píng)判。這樣教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)將從傳統(tǒng)的教學(xué)模式中解放出來，由一對(duì)多的課堂模式變?yōu)橐粚?duì)一的指導(dǎo)教學(xué)模式。

不同學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和積極性也是不同的，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要為每一名學(xué)生構(gòu)建合適的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)平臺(tái)。教師也能在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與輔導(dǎo)過程中體現(xiàn)教學(xué)指導(dǎo)的靈活性、有效性及針對(duì)性。在通常的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，受班級(jí)授課模式和課時(shí)的限制，教師難以對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組和每一名學(xué)生遇到的實(shí)驗(yàn)問題進(jìn)行細(xì)致且有效的指導(dǎo)。在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合教學(xué)模式下，教師可通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能優(yōu)勢(shì)，事先把實(shí)驗(yàn)操作步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)以合適的方式錄制下來，變成學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的在線幫助，若有學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中需要幫助，可以通過錄像回放和實(shí)驗(yàn)提示請(qǐng)求幫助，還可以通過類似QQ聊天的模式進(jìn)行文字、語音和視頻的交互，避免了“一人有病大家都吃藥”的現(xiàn)象。通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師的個(gè)別指導(dǎo)可大大提高效率。遇到個(gè)別問題，教師不必在全班講解，可以在小范圍內(nèi)指導(dǎo)學(xué)生。

另外，采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師還可以把主要精力用在關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)上，關(guān)注學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)物理量之間關(guān)系的理解，關(guān)注學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能水平，關(guān)注學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和合作方式等。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的實(shí)施

物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了高新技術(shù)發(fā)展方向，要提高物理學(xué)教學(xué)質(zhì)量，關(guān)鍵在于教師在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的興趣，真正讓學(xué)生通過實(shí)際操作掌握物理原理和方法。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合，能解決當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)的不足，彌補(bǔ)學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的不足。但是，任何虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)都不是萬能的，有優(yōu)勢(shì)，也都有不足。我們要做的工作是發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)，注意把握好協(xié)調(diào)和互補(bǔ)的關(guān)系，把工作重點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料準(zhǔn)備上。

物理現(xiàn)象就在我們的周圍，通過對(duì)現(xiàn)象的提問和復(fù)現(xiàn)，會(huì)讓學(xué)生感到物理的生動(dòng)有趣，與生活密切相關(guān)。如男生比較關(guān)注汽車，和汽車相關(guān)的問題就有許多：汽車駕駛室外面的觀后鏡為什么用凸鏡？車頭燈里的反射鏡又為什么用凹鏡？當(dāng)解釋了這些物理現(xiàn)象后，采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和DIS，學(xué)生就可以通過實(shí)驗(yàn)的方法解釋并進(jìn)一步上升到概念與理論，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到物理的重要性和普遍性，對(duì)物理學(xué)的求知態(tài)度也會(huì)從被動(dòng)轉(zhuǎn)為主動(dòng)，對(duì)物理的興趣也能被激發(fā)出來。

物理教學(xué)內(nèi)容包含了近代或現(xiàn)代物理學(xué)的最新進(jìn)展及在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，如光纖技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。因此，在物理教學(xué)中應(yīng)該反映出這些新技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用及滲透。然而，這些物理實(shí)驗(yàn)是不可能在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中完成的。但基于DIS，我們可以將某些物理現(xiàn)象的結(jié)果表現(xiàn)出來，再結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，就可以將深?yuàn)W的理論可視化，進(jìn)而深化學(xué)生對(duì)現(xiàn)代物理的理解。因此，教師在平時(shí)除了悉心備課、認(rèn)真鉆研教材外，還應(yīng)注意物理科學(xué)的新動(dòng)向，有選擇地給學(xué)生介紹一些理論信息和事實(shí)材料，并利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)態(tài)添加一些實(shí)驗(yàn)?zāi)K，讓學(xué)生及時(shí)了解最新的物理科學(xué)進(jìn)展。

網(wǎng)絡(luò)上有豐富的學(xué)習(xí)資源，上網(wǎng)是學(xué)生非常喜歡的活動(dòng)。應(yīng)合理引導(dǎo)，把學(xué)生上網(wǎng)與物理實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的推理能力和知識(shí)外延能力。對(duì)于計(jì)算機(jī)能力比較強(qiáng)的學(xué)生，還可以引導(dǎo)他們幫助教師完成虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)制作，通過實(shí)踐提升學(xué)生的成就感，激勵(lì)學(xué)生探索物理之奧妙。

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（本欄責(zé)任編輯：謝良才）

G712

A

1672-5727（2012）07-0175-02

丁健雯（1963—），女，江蘇如皋人，無錫工業(yè)高級(jí)技工學(xué)校高級(jí)講師，研究方向?yàn)槠胀ㄎ锢?、電子技術(shù)及信息技術(shù)。