虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的作用

石海

【摘要】虛擬實(shí)驗(yàn)室可以專門為中學(xué)物理教學(xué)開發(fā)應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的整合。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用到中學(xué)物理教學(xué)既提高了教學(xué)效果，又激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和自主探究能力。

【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn)室；中學(xué)物理教學(xué)；創(chuàng)新；自主探究

虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化和虛擬化。虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、虛擬器材庫和開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)組成。虛擬實(shí)驗(yàn)室為開設(shè)各種虛擬實(shí)驗(yàn)課程提供了全新的教學(xué)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)臺(tái)類似，可供學(xué)生自己動(dòng)手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。教師利用虛擬器材庫中的器材自由搭建任意合理的典型實(shí)驗(yàn)，或?qū)嶒?yàn)案例，這一點(diǎn)是虛擬實(shí)驗(yàn)室有別于一般實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件的重要特征。

中學(xué)物理是以實(shí)驗(yàn)科學(xué)為基礎(chǔ)的，隨著新課程改革的不斷深入，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在中學(xué)物理教學(xué)中起著舉足輕重的作用。課程實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞皱憻捄吞岣邔W(xué)生動(dòng)手創(chuàng)新能力，還能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、耐心的科學(xué)態(tài)度。

但現(xiàn)實(shí)中各自條件的限制，比如實(shí)驗(yàn)課的減少使得很多的內(nèi)容得不到實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，或者內(nèi)容不減但匆匆了事。還有些實(shí)驗(yàn)因?qū)嶒?yàn)條件的限制導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論不一致，甚至相反，讓學(xué)生經(jīng)常對(duì)正確的理論產(chǎn)生過分地懷疑，造成學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課后即使得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，卻不能深刻體會(huì)其反應(yīng)原理，對(duì)于實(shí)驗(yàn)意義、適用范圍的理解更是不充分。

而且傳統(tǒng)模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以教師為中心，學(xué)生往往是按照教師設(shè)置好的設(shè)備和儀器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上規(guī)定的方法和步驟按部就班的進(jìn)行。上實(shí)驗(yàn)課時(shí)也是老師先講解實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生再一步一步做，與其說做實(shí)驗(yàn)不如說體會(huì)實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生在其中很少能夠得到思考，只是機(jī)械地完成課程任務(wù)，這樣的教學(xué)模式無法培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性與創(chuàng)造性，更不會(huì)深刻理解教學(xué)內(nèi)容從而學(xué)以致用，影響學(xué)生思路的開拓。

在傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室存在一些弊端，因條件所限，有的學(xué)校教師因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室太小，儀器缺乏，上實(shí)驗(yàn)課需要的時(shí)間太長影響課程進(jìn)度等原因，不愿意帶學(xué)生做實(shí)驗(yàn)等等。還有學(xué)校出于安全考慮和為了避免儀器損失而在實(shí)驗(yàn)室規(guī)定了許多規(guī)章制度，束縛了學(xué)生的創(chuàng)新性思維。因此在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生始終處于被動(dòng)地位，嚴(yán)重影響了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，使學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性受到壓抑，同時(shí)也不利于學(xué)生個(gè)性的發(fā)展，不利于創(chuàng)新思維和創(chuàng)造性人才的培養(yǎng)。

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生應(yīng)該有獨(dú)立動(dòng)手的機(jī)會(huì)，這樣就可以體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中所要面臨的各種問題，積累經(jīng)驗(yàn)，即使出錯(cuò)也會(huì)找到原因進(jìn)行糾正，這樣才會(huì)不斷的強(qiáng)化、深刻理解、從而可以應(yīng)用自如。而如果教學(xué)中卻并未開展相應(yīng)的，這無疑對(duì)于學(xué)生的積極性會(huì)起到消極作用。而利用虛擬物理實(shí)驗(yàn)室恰好可以大大改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生的種種制約。在操作實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生可以先在虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，幫助熟悉實(shí)驗(yàn)步驟及實(shí)驗(yàn)方法，熟練之后再實(shí)際操作，既做到真正動(dòng)手，又避免了儀器的損壞，還節(jié)省時(shí)間，從而有效地提高實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效率。

更重要的是，虛擬實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以幫助學(xué)生充分調(diào)動(dòng)其積極性，增強(qiáng)學(xué)生的自主意識(shí)，有利于發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性思維。學(xué)生在虛擬環(huán)境中操作，不受儀器短缺和害怕?lián)p壞儀器的影響，以良好的心態(tài)充分發(fā)揮想象力大膽地搭建自己創(chuàng)作的實(shí)驗(yàn)，積極主動(dòng)地參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使教學(xué)真正達(dá)到以學(xué)生的學(xué)為中心的新課改要求，培養(yǎng)學(xué)生的自主發(fā)現(xiàn)問題的能力。有了發(fā)現(xiàn)的意識(shí)和能力，才會(huì)有創(chuàng)新。

虛擬實(shí)驗(yàn)室（virtual laboratory）的定義

虛擬實(shí)驗(yàn)室是由計(jì)算機(jī)生成的一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。是由以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為核心的虛擬實(shí)驗(yàn)和用于運(yùn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)室。其核心虛擬實(shí)驗(yàn)是指按照實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣運(yùn)用各種虛擬實(shí)驗(yàn)器械和設(shè)備，對(duì)建立起來的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)時(shí)仿真操作，完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等值于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)的開展符合教學(xué)現(xiàn)代化的要求，有利于學(xué)生素質(zhì)的提高。

虛擬實(shí)驗(yàn)室相比真正的實(shí)驗(yàn)室有不少的優(yōu)點(diǎn)：

1、多感知性：虛擬實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，除了一般計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知、運(yùn)動(dòng)感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)該具有人所具有的一切感知功能。由于相關(guān)技術(shù)，特別是傳感技術(shù)的限制，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)等幾種。

2、交互性：是指學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中通過身體運(yùn)動(dòng)等自然技能，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中對(duì)象的操作。

3、現(xiàn)實(shí)性：虛擬實(shí)驗(yàn)室通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以最大限度地模擬實(shí)驗(yàn)，盡量創(chuàng)造其真實(shí)性，可以充分估計(jì)到學(xué)生操作過程中遇到的各種實(shí)際問題。

4、開放性：實(shí)驗(yàn)者可以自由地進(jìn)入或退出虛擬實(shí)驗(yàn)室，具有良好的開放性。學(xué)生隨時(shí)可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，這成為他們預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的好幫手。增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)有效時(shí)數(shù)，提高了實(shí)驗(yàn)效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的遠(yuǎn)程教育起到了很大的推動(dòng)作用。

除此之外，針對(duì)中學(xué)物理的學(xué)習(xí)，在物理概念、定理和規(guī)律的講解中，采用虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)演示法，對(duì)一些抽象的，難以觀察，和課堂中難以真實(shí)再現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，可對(duì)其進(jìn)行仿真模擬、永久再現(xiàn)，將抽象知識(shí)具體化、形象化，微觀現(xiàn)象可視化，可以避免過于空洞的描述，讓學(xué)生產(chǎn)生真切的體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，實(shí)現(xiàn)對(duì)抽象物理概念和規(guī)律的感性認(rèn)識(shí)，再上升為理性認(rèn)識(shí)。有助于發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的作用。

虛擬實(shí)驗(yàn)室不單單是對(duì)實(shí)驗(yàn)的模擬，也可以用來幫助分析物理規(guī)律。課程中遇到情況復(fù)雜的物理場景，可以利用在虛擬實(shí)驗(yàn)室中建立相應(yīng)的物理模型，對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)果一目了然，能幫助學(xué)生理清分析思路，加深對(duì)物理現(xiàn)象的印象，便于對(duì)物理定理或規(guī)律的理解。這樣，不僅幫助學(xué)生較容易地掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，還使學(xué)生學(xué)會(huì)自主探究，對(duì)物理學(xué)科產(chǎn)生積極情感，逐步形成努力求知，樂于在探索中獲取新知的心里素質(zhì)，培養(yǎng)不斷探索的科學(xué)精神。這也是中學(xué)物理新課程改革中所倡導(dǎo)的。

教師還可利用它來方便地制作一些比較復(fù)雜的課件，使精力主要放在如何優(yōu)化課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，從而提高課堂教學(xué)效率。

當(dāng)然，虛擬實(shí)驗(yàn)室在各個(gè)方面都顯現(xiàn)出優(yōu)越性，能夠提高教學(xué)效果，幫助培養(yǎng)學(xué)生的自主探討能力、創(chuàng)新能力和分析能力，但是在應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)中，也要注意其自身的弊端。畢竟它不是真正的實(shí)驗(yàn)室，不能讓人真正切身感受實(shí)驗(yàn)過程，因此應(yīng)將它作為一種輔助性工具，不可盲目地運(yùn)用，更不可將虛擬實(shí)驗(yàn)取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)將兩者辯證地統(tǒng)一起來，使理論與實(shí)踐能很好地結(jié)合起來用以提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)技能?？傊侠淼貙⑻摂M實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用到中學(xué)物理教學(xué)中才能充分發(fā)揮它的優(yōu)越性，使其有效地服務(wù)于教學(xué)過程。

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