淺談虛擬實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

◎ 吳寶華

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分。豐富多彩、生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是將理論和實(shí)際相結(jié)合的有效方法，也是激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)科持久興趣，發(fā)展學(xué)生智力，培養(yǎng)學(xué)生能力，提高物理教學(xué)質(zhì)量的重要手段。在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的縣區(qū)中學(xué)，特別是廣大的農(nóng)村中學(xué)，由于受到常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材的限制，實(shí)驗(yàn)效果不如人意。而利用現(xiàn)代信息技術(shù)建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室則可以模擬一些重要的但在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中難以完成的物理實(shí)驗(yàn)，則可彌補(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高物理實(shí)驗(yàn)的演示效果?，F(xiàn)就如何在物理教學(xué)中開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合自己的一些嘗試進(jìn)行探討。

虛擬實(shí)驗(yàn)就是利用以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)為核心的信息技術(shù)，將媒體技術(shù)、課程資源和技術(shù)手段完美地融合到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。教師通過(guò)開(kāi)發(fā)一些適合教學(xué)的實(shí)驗(yàn)軟件，利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的“仿真實(shí)驗(yàn)室”“幾何畫(huà)板”等資源所進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)，可以代替部分實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有力的支持實(shí)際實(shí)驗(yàn)，從而突破現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制，輔助實(shí)際實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。具體來(lái)說(shuō)，虛擬實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下三方面。

一、利用多媒體課件，增強(qiáng)演示效果

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，演示實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于客觀條件的限制，一些實(shí)驗(yàn)用常規(guī)儀器演示的效果不盡如人意，甚至根本無(wú)法給學(xué)生演示。例如，講《自由落體運(yùn)動(dòng)》一節(jié)進(jìn)行牛頓管實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于玻璃管中空氣抽不凈，演示時(shí)都是鐵片先落羽毛后落，從而導(dǎo)致給學(xué)生形成錯(cuò)誤的印象，即重的物體比輕的物體落得快。而筆者用多媒體課件模擬演示了牛頓管中充滿空氣，抽出部分空氣和真空三種情況下鐵片和羽毛下落快慢的對(duì)比，整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程流暢、直觀、明了，從而使學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)有了一個(gè)清晰理解。再比如α粒子散射實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)實(shí)中無(wú)法演示，而應(yīng)用多媒體的三維動(dòng)畫(huà)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬演示，使學(xué)生猶如進(jìn)入了微觀世界，印象非常深刻，從而很好地理解和掌握了這些微觀理論。所以，我們應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)那些難以觀察到的、復(fù)雜的、困難的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，作為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，并將兩者結(jié)合起來(lái)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)上升到一個(gè)新的層次，從而有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律、獲得知識(shí)，提高學(xué)生的科學(xué)文化素質(zhì)和實(shí)驗(yàn)技能。

二、利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，發(fā)揮學(xué)生自主探究作用

在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)室，一方面由于怕發(fā)生意外和造成實(shí)驗(yàn)儀器的損壞，有許多實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度以及各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器的操作規(guī)程，對(duì)學(xué)生諸多限制；另一方面由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件的制約，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往偏差較大，這些也暴露出了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的弊端。以模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的多媒體教學(xué)，讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，則可以解決這一問(wèn)題。如在電學(xué)實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)中，一定要告知學(xué)生，操作臺(tái)上的旋鈕不能隨便亂動(dòng)，電壓表的接線柱不能接反，電流表不能超過(guò)量程，電池組不能短路等等。這些規(guī)定無(wú)形中扼殺了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，阻止了學(xué)生對(duì)問(wèn)題的深入探究。而有些學(xué)生自主意識(shí)很強(qiáng)，會(huì)偷偷進(jìn)行一些“違規(guī)操作”，最終損壞了儀器。但在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采用“仿真物理試驗(yàn)室”的虛擬電學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)操作自主探究，從而掌握學(xué)習(xí)成果和學(xué)習(xí)方法。這樣既可保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器又能培養(yǎng)學(xué)生的探究意識(shí)和探究技能，并能將很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)做到再現(xiàn)。

這種虛擬實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了完善的開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，解決了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中的諸多難題，既激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，又能夠培養(yǎng)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)的能力，并促使他們建立科學(xué)的世界觀。

三、利用現(xiàn)代信息技術(shù)，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)考試

實(shí)驗(yàn)考試是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要手段。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中，考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能需要投入大量的人力和物力，同時(shí)也只能選取數(shù)量較少的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，致使考查的廣度不夠，缺少靈活性。

利用信息技術(shù)建立的虛擬實(shí)驗(yàn)室，呈現(xiàn)一個(gè)近乎真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生模擬完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，既可高效快速地完成實(shí)驗(yàn)技能的檢測(cè)目標(biāo)，又可以增加考試容量，擴(kuò)大考試范圍，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的全面考查。同時(shí)又能考查實(shí)驗(yàn)的某個(gè)環(huán)節(jié)，增加了考試的靈活性。

同時(shí)要特別提出的是，虛擬實(shí)驗(yàn)只是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助手段，決不能取代實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作。虛擬實(shí)驗(yàn)有助于概念、原理的理解，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的方法和能力，但無(wú)論怎樣都無(wú)法取代現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該以提高學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力為宗旨。

虛擬實(shí)驗(yàn)正朝著更理性、更廣闊、更深層的方向發(fā)展，我們有理由相信，虛擬實(shí)驗(yàn)在將來(lái)的物理教學(xué)中將大有作為。