淺析仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效整合

朱笑利

1仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)比較研究

仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是兩種不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，仿真實(shí)驗(yàn)具有其先進(jìn)性，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)最基本、最有效的方法，具有不可替代的重要性。

1.1仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

1.1.1實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)不受限制

因仿真實(shí)驗(yàn)本身只是一個軟件平臺，只要有電腦就可以使用，具有便攜性。實(shí)驗(yàn)不需要特備的場地，辦公室、教室、機(jī)房甚至學(xué)生自己的家里都可以成為開設(shè)實(shí)驗(yàn)的場所，做到一機(jī)多用，一室多用，提高了學(xué)校設(shè)施設(shè)備的利用率。

1.1.2實(shí)驗(yàn)時間不受限制

學(xué)生可以不受課堂的限制，課前、課后隨時都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，為學(xué)生提供了開放性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

1.1.3實(shí)驗(yàn)參與度高

通過仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅可以完成教師的演示實(shí)驗(yàn)，而且可以根據(jù)自己的興趣愛好選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。利用仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不必為了實(shí)驗(yàn)儀器煩惱，極大地滿足了學(xué)生的探索欲望。

1.1.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更全面

仿真實(shí)驗(yàn)是在計算機(jī)虛擬的環(huán)境下進(jìn)行的，可以避免教學(xué)空間、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素的影響，完成現(xiàn)實(shí)條件下不能完成的實(shí)驗(yàn)。例如，抽象的物理現(xiàn)象，如環(huán)形電流周圍的磁場分布等。

1.1.5實(shí)驗(yàn)具有操作可重復(fù)性、過程可控性

學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況反復(fù)練習(xí)實(shí)驗(yàn)，提高了科學(xué)探究的效率，降低了科學(xué)探究的成本，同時激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造性。

1.2仿真實(shí)驗(yàn)的局限性

仿真實(shí)驗(yàn)是以虛擬儀器為主要工具的，它不能提供客觀事物真實(shí)的觸感和信服感。由于仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件、過程和結(jié)論都是事先預(yù)設(shè)好的，這雖然提高了實(shí)驗(yàn)效率，但缺少了對客觀環(huán)境的分析過程，缺少了對實(shí)驗(yàn)結(jié)論評估時誤差分析和誤差來源的分析，以及缺乏解決實(shí)驗(yàn)過程中遇到問題的能力。這不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和動手能力。仿真實(shí)驗(yàn)要真正發(fā)揮作用，還是要建立在學(xué)生對大量傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上。

1.3傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芨苯印⒏鎸?shí)地把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示出來。學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作過程中，能對實(shí)驗(yàn)儀器產(chǎn)生最直觀的認(rèn)識；在實(shí)際操作過程中，學(xué)生可能會遇到各種意料不到的問題和困難，這將有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力以及動手能力和應(yīng)變能力。有些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于受各種物理客觀條件的制約，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差，這時就要引導(dǎo)學(xué)生對誤差的來源進(jìn)行分析，進(jìn)而對實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力。

1.4傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)

1.4.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容局限

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受客觀環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器等各種因素的影響，有些實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到預(yù)期的效果或者不能完成。

1.4.2實(shí)驗(yàn)形式單一

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中按部就班，處于被動接受的地位，不能按照自己的設(shè)想進(jìn)行探索性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)缺乏一定的延續(xù)性。

1.4.3實(shí)驗(yàn)投入大、耗材嚴(yán)重

由于使用不當(dāng)或長期不用等原因，造成儀器的損壞，學(xué)校每年都要投入一定的經(jīng)費(fèi)購置實(shí)驗(yàn)器材。

2仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合的模式

整合模式如圖1所示。

3仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合的優(yōu)勢

以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)為核心，仿真實(shí)驗(yàn)為輔助，把這兩種實(shí)驗(yàn)方式有效地結(jié)合起來，優(yōu)勢互補(bǔ)，相輔相成，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能實(shí)現(xiàn)更好的教學(xué)效果。

3.1整合教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的開放性

仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供開放式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以不受時間、空間的限制完成各項實(shí)驗(yàn)，克服了實(shí)驗(yàn)教學(xué)長期受到課堂、課時限制的困擾，鼓勵學(xué)生利用寒暑假、周末等課余時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在時間和空間上得到延伸。仿真實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)改變了學(xué)生認(rèn)為物理實(shí)驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)室做的錯誤認(rèn)識，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，為物理實(shí)驗(yàn)改革提供了有力的工具。同時，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也更具開放性。學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)內(nèi)容選擇演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)或者課外興趣實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生提供了自由的空間，有利于培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建“仿真實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)—觀察演示實(shí)驗(yàn)—動手實(shí)驗(yàn)—仿真實(shí)驗(yàn)鞏固”的學(xué)習(xí)模式。仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合，使高中物理實(shí)驗(yàn)由過去單一、基本的形式向綜合、開放的高層次方向發(fā)展。

3.2整合實(shí)驗(yàn)資源，達(dá)到“虛”“實(shí)”互補(bǔ)的效果

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，仿真實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的模擬，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)。教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌x擇不同的教學(xué)方式。如實(shí)驗(yàn)操作容易、過程簡單、受外界干擾小的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)可以選擇傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差原因等基本的實(shí)驗(yàn)技能以及學(xué)生的觀察能力和動手能力。而像理想實(shí)驗(yàn)、微觀實(shí)驗(yàn)等是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法完成的實(shí)驗(yàn)可以借助仿真實(shí)驗(yàn)完成。例如，仿真實(shí)驗(yàn)可以形象、直觀地展示通電螺線管外部磁場的分布情況，而在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師只能通過粉筆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過上課講述實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無法形成直觀的認(rèn)識。仿真實(shí)驗(yàn)可以化抽象為具體、變微觀為宏觀、改高速為低速，使很多不利于觀察的物理現(xiàn)象、物理過程、物理狀態(tài)以生動形象的形式表現(xiàn)出來，大大增強(qiáng)了學(xué)生的理解力和掌握能力，拓寬了實(shí)驗(yàn)范圍。如物理教學(xué)中常見的光滑、空氣阻力不計、勻速直線運(yùn)動等理想的實(shí)現(xiàn)狀態(tài)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無法實(shí)現(xiàn)，就可以用仿真實(shí)驗(yàn)來模擬完成。

3.3整合信息資源，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力

自主學(xué)習(xí)是指以學(xué)生為主體，讓學(xué)生處于主動的探索狀態(tài)，充分發(fā)展學(xué)生自身的潛能。仿真實(shí)驗(yàn)是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，具有簡潔好用、操作方便的特點(diǎn)，學(xué)生可以獨(dú)自操作，也可以在教師的輔導(dǎo)下模擬物理情境，進(jìn)行自主探究，加深對物理現(xiàn)象的認(rèn)識，加深對物理定律與規(guī)律的理解。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前，先利用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)，對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、操作步驟掌握后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，降低了學(xué)習(xí)的難度，提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

例如，在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，仿真實(shí)驗(yàn)通過控制變量法可以同時演示兩輛相同質(zhì)量的小車在受到不同外力作用下的運(yùn)動情況。停止運(yùn)動后比較相同時間小車移動的距離，根據(jù)運(yùn)動距離與加速度的關(guān)系進(jìn)一步得出在質(zhì)量一定的條件下，小車加速度與拉力的關(guān)系。同理，可以同時演示在相同拉力作用下，兩輛不同質(zhì)量的小車運(yùn)動情況，探究在拉力一定的條件下，加速度與質(zhì)量的關(guān)系。仿真實(shí)驗(yàn)操作簡單，現(xiàn)象直觀，有利于學(xué)生對知識的理解，大大提高了課堂效率。

此外，仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)有DIY實(shí)驗(yàn)?zāi)K，即學(xué)生自主設(shè)計實(shí)驗(yàn)思路—自由選擇實(shí)驗(yàn)器材—自主組裝實(shí)驗(yàn)器材—驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論，整個過程學(xué)生自主探究，有效地培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提升了學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展空間。教師借助仿真實(shí)驗(yàn)這一平臺，結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以加強(qiáng)教師與學(xué)生之間的互動，教師引導(dǎo)學(xué)生自己動手實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在動手的過程中充分發(fā)揮自己的想象力和探究能力。仿真實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了很好的自主探究平臺。

3.4整合網(wǎng)絡(luò)資源，開創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

仿真實(shí)驗(yàn)利用計算機(jī)把實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生的思考、操作有機(jī)融合為一體，為物理教學(xué)提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺。因?yàn)閭€體的差異性，每個學(xué)生的興趣愛好、知識水平各有不同。通過仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以選擇自己感興趣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，學(xué)習(xí)的形式更加多樣，學(xué)習(xí)的安排更加靈活，這有利于層次化教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生的個性化發(fā)展。仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合解決了網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法實(shí)施的問題。此外，學(xué)生也可以通過校園網(wǎng)隨時隨地地上網(wǎng)進(jìn)行預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化和教學(xué)資源共享的目標(biāo)。

總之，仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有效地整合，既能激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)物理課程的興趣，拓寬學(xué)生的視野，又能有效地培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，提高教學(xué)質(zhì)量，為教師與學(xué)生之間的溝通創(chuàng)建了一個良好的交互平臺。