與真實實驗相耦合的中學(xué)物理虛擬實驗教學(xué)模式研究*

劉維棟

(天水市第二中學(xué) 甘肅 天水 741020)

陳利云

(天水師范學(xué)院生物工程與技術(shù)學(xué)院 甘肅 天水 741001)

自然科學(xué)的發(fā)展建立在科學(xué)實驗的基礎(chǔ)之上，科學(xué)實驗是人們利用科學(xué)儀器與設(shè)備通過人為控制或者模擬自然現(xiàn)象以認(rèn)識事物本質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)探究活動，如孟德爾的遺傳實驗、巴斯德的微生物實驗、赫茲發(fā)現(xiàn)無線波、費米的鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)實驗等經(jīng)典實驗所揭示的科學(xué)規(guī)律推動著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展并深深地影響了人們的生活．科學(xué)實驗是科學(xué)教育的重要基礎(chǔ),是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)必須的實踐途徑,培養(yǎng)學(xué)生將動手與動腦相結(jié)合,通過實驗設(shè)計、獲取實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)果等過程培養(yǎng)學(xué)生理性認(rèn)識的方法、穩(wěn)定的認(rèn)知力和持久的創(chuàng)造力，因此“做實驗”的過程不僅能解決具體的科學(xué)問題，更重要的是在實驗過程中的實踐活動能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究興趣,培養(yǎng)科學(xué)思維習(xí)慣,最終形成科學(xué)的態(tài)度和科學(xué)的價值觀．但由于受應(yīng)試教育等因素的影響,在我國,中學(xué)實驗教學(xué)始終是一個薄弱環(huán)節(jié)，重講解、輕實驗、重結(jié)論、輕過程是普遍存在的現(xiàn)實，在經(jīng)濟欠發(fā)達的西北地區(qū)尤為突出．物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué), 有許多抽象的科學(xué)現(xiàn)象如磁通、電場強度、磁感應(yīng)強度等，學(xué)生不能直接觀察到需要在了解了相關(guān)概念的基礎(chǔ)上發(fā)揮抽象思維與想象力,同時物理實驗中可能要涉及到高壓、高危的實驗條件,容易造成安全事故，再者物理實驗中部分實驗器材價格高昂、耗材量大，實驗成本過高,尤其對經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)中學(xué)，大量的物理實驗教學(xué)很難全面開展,學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到了很大困難，致使物理實驗教學(xué)中“教師難教、學(xué)生厭學(xué)”的現(xiàn)象長期存在．

信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，為虛擬仿真實驗成為數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境的重要組成部分創(chuàng)造了條件，虛擬仿真實驗是利用計算機生成一種模擬實驗教學(xué)環(huán)境，通過各種專用設(shè)備使學(xué)生置身于此環(huán)境中進行自然交互，實驗者能在模擬真實的操作環(huán)境中完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等同于或優(yōu)于在真實環(huán)境中所獲得的效果，與真實實驗相比，它能節(jié)省實驗室建設(shè)的資金和實驗耗材投入，避免真實實驗或操作所帶來的各種危險，徹底打破空間、時間的限制，起到部分輔助甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的作用．在中學(xué)物理實驗教學(xué)中虛擬實驗可作為實驗教學(xué)的一種重要輔助手段，來代替部分實際操作中有難度的真實實驗，是對真實實驗的一個補充、完善和擴展，也是虛擬實驗在實驗教學(xué)中能充分發(fā)揮作用的重要研究方向[1]．為此文章將信息技術(shù)與物理課程整合，在物理學(xué)科學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，從中學(xué)物理虛擬仿真實驗的教學(xué)功能與系統(tǒng)設(shè)計等方面著手，探討了如何在中學(xué)物理實驗教學(xué)中將虛擬仿真實驗與真實實驗恰當(dāng)?shù)伛詈?，?gòu)建適合于經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)基礎(chǔ)教育虛擬實驗教學(xué)模式．

1 虛擬仿真實驗教學(xué)的發(fā)展及現(xiàn)狀

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機上所進行的對傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的模擬和仿真，起源于20世紀(jì)下半葉，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了思維模型與邏輯分析、計算機仿真與虛擬現(xiàn)實3個階段．1966年，以美國MIT(麻省理工學(xué)院)的林肯實驗室研制頭盔式顯示器為起點，揭開了虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究與應(yīng)用的序幕，1983年，美國的DARPA(先進防御研究項目機構(gòu))開始開發(fā)實用的虛擬戰(zhàn)場，設(shè)計出了SIMNET系統(tǒng)，到1989年，形成了約260個地面裝甲仿真器及通訊網(wǎng)絡(luò)、指揮所和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，結(jié)點分布在美國和德國的11個城市．1989年美國弗吉尼亞大學(xué)的威廉·沃爾夫(William Wolf)教授提出“虛擬實驗”的概念，以美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、英國牛津大學(xué)、德國Ruhr大學(xué)等為代表的國外很多高校、研究機構(gòu)和中小學(xué)都投入大量的人力、物力和資金去設(shè)計、開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)并將其應(yīng)用于實驗教學(xué)中，此后虛擬實驗系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用得到了迅速發(fā)展．

我國最早開展虛擬仿真技術(shù)研究的是西安虛擬現(xiàn)實工程技術(shù)研究中心和北京航空航天大學(xué)計算機系，他們的研究從基礎(chǔ)知識方面入手，研究重點主要集中在虛擬環(huán)境中的物體物理特性的表面與處理、視覺接口、有關(guān)計算方法、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實研究論壇和三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)出了部分硬件．在教育領(lǐng)域虛擬仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用主要在虛擬仿真校園、虛擬教學(xué)、虛擬實驗、教育娛樂等方面，20世紀(jì)90年代后期，國內(nèi)很多高校和科研機構(gòu)在虛擬實驗實現(xiàn)技術(shù)的研究、開發(fā)及應(yīng)用方面都進行了多方實踐[2]．1993年，中國科技大學(xué)開始開發(fā)物理仿真實驗系統(tǒng)并用于教學(xué)，隨后北方交通大學(xué)(現(xiàn)北京交通大學(xué))開發(fā)了網(wǎng)上電工電子教學(xué)實驗系統(tǒng)(RECEL)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制開發(fā)了《幾何光學(xué)實驗室》軟件．中科院上海有機化學(xué)研究所建立了虛擬化學(xué)實驗室ChemLab，中國農(nóng)大建立了虛擬土壤-作物系統(tǒng)實驗室并被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域．1994年，主要由中國科學(xué)院和教育部聯(lián)合創(chuàng)建，通過互聯(lián)網(wǎng)將上海的6個研究機構(gòu)和6所大學(xué)的基礎(chǔ)實驗室和公共實驗室連接起來，突破了研究所與大學(xué)間的障礙，運行模式類似于“虛擬中心”， 之后中央廣播電視大學(xué)、同濟大學(xué)、西南交通大學(xué)等開始了虛擬實驗遠程教學(xué)系統(tǒng)．目前虛擬實驗教育模式和教學(xué)方法日趨成熟，開設(shè)的學(xué)科越來越豐富，學(xué)科體系越來越完善，教學(xué)資源已經(jīng)涵蓋物理、化學(xué)、生物等多個學(xué)科領(lǐng)域．虛擬仿真實驗在各級實驗教學(xué)中的應(yīng)用對緩解現(xiàn)實中師資、硬件、場地不足的問題，促進我國教育事業(yè)的發(fā)展起到了積極的作用．

2 中學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計理論與技術(shù)基礎(chǔ)

基于中學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)是建立在學(xué)習(xí)理論與現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)之上，包括建構(gòu)主義、行為主義、探究式學(xué)習(xí)、混合式學(xué)習(xí)、經(jīng)驗之塔等學(xué)習(xí)理論．建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為意義建構(gòu)是學(xué)生學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)，教師要指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建學(xué)習(xí)情境，通過協(xié)作、會話最后獲得學(xué)習(xí)的意義建構(gòu)，此理論強調(diào)學(xué)生是認(rèn)知的主體和中心，是信息加工的主體，教師是學(xué)生主動建構(gòu)意義的幫助者和指導(dǎo)者、促進者．行為主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為自主學(xué)習(xí)包括自我監(jiān)控理論、自我指導(dǎo)和自我強化3個過程，自主學(xué)習(xí)是學(xué)生的認(rèn)識、動機和行為3個層面都是一個積極的參與者的時候?qū)W習(xí)才是有效的．經(jīng)驗之塔學(xué)習(xí)理論是美國視聽教育家戴爾于1946年提出的，他將學(xué)習(xí)的難度以抽象程度不同分成了3大類10個層次的經(jīng)驗之塔，視聽媒體位于經(jīng)驗之塔的中層，與語言、視覺符號相比對學(xué)生提供具體和易于理解的經(jīng)驗更具優(yōu)勢，視聽媒體的應(yīng)用能沖破時空的限制，能彌補學(xué)生直接經(jīng)驗的不足，為信息化時代網(wǎng)絡(luò)媒體的利用與推廣提供理論指導(dǎo)．探究式學(xué)習(xí)理論是培養(yǎng)學(xué)生探索精神與創(chuàng)新能力的重要方式，它要求在學(xué)習(xí)中選擇和確定主題，通過學(xué)生自主設(shè)計實驗、操作、信息處理、表達與交流等過程，獲得知識、技能、情感與價值觀的發(fā)展，是當(dāng)前物理教學(xué)發(fā)展的一個趨勢，也是建立真實實驗與虛擬實驗教學(xué)的一個結(jié)合點．

虛擬物理教學(xué)實驗室是一個由計算機網(wǎng)絡(luò)化并綜合不同工具和信息的虛擬集成環(huán)境，是利用計算機編程工程，模仿實驗環(huán)境編寫的軟件系統(tǒng)組成，是一個具有邏輯上限制但無物理空間限制的計算機支持協(xié)同無墻中心，這個中心中用戶能有效地利用各種數(shù)據(jù)、信息、儀器設(shè)備和人力等資源．與物理學(xué)真實實驗一樣，虛擬仿真物理實驗也是學(xué)生親歷的一種實踐活動，是在元認(rèn)知學(xué)習(xí)理論與知識思維指導(dǎo)下進行的，具有真實性、可擴展性和豐富性的特點，現(xiàn)實中虛擬實驗平臺以其完全符合真實實驗的能力、強大的網(wǎng)絡(luò)功能、交互能力、擺脫時空限制的優(yōu)勢，對培養(yǎng)學(xué)生自主探究、創(chuàng)新思維，提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要意義．

2.2 中學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

虛擬實驗室可以做如下定義，它是一個依賴計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù),專業(yè)人員將不受時空的限制，能隨時隨地與同行交流協(xié)作,共享儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)和計算資源,得到遠程教師的指導(dǎo)以及同行間相互研討交流的無墻實驗中心．為了能夠在計算機環(huán)境下更逼真地模擬現(xiàn)實世界的人和物及其運動形態(tài)，必須在三維空間系統(tǒng)中精確地描繪這些事物以實現(xiàn)三維物體的真實再現(xiàn)，進而為用戶創(chuàng)造一個身臨其境、形象逼真的環(huán)境．一般來說，虛擬仿真實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)需要3方面的技術(shù)支撐，包括三維建模、增強現(xiàn)實以及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)．三維建模技術(shù)是其中的核心，它根據(jù)研究對象的實際三維空間信息，利用已有的三維建模技術(shù)，采用適合的數(shù)學(xué)計算，通過計算機相關(guān)建模軟件及編程語言程序建立三維空間特征點與實物的二維圖像對應(yīng)點間的坐標(biāo)定量關(guān)系，從而確定研究對象表面任意點的坐標(biāo)值，生成可進行各種操作的模型圖形顯示．三維建模技術(shù)又包括人機交互技術(shù)、數(shù)字化控制等技術(shù)，它建立在現(xiàn)實世界虛擬化的三維場景模型基礎(chǔ)上，目前常用的三維建模技術(shù)主要有OpenGL，DirectX，AR，Java3D和IDL等10多種，其中OpenGL是最常用的三維編程技術(shù)，被廣泛用于醫(yī)療、電影、科學(xué)制造、工程制造以及地球科學(xué)等多個行業(yè)領(lǐng)域[3]．

3 與傳統(tǒng)實驗教學(xué)相耦合的中學(xué)物理虛擬仿真實驗教學(xué)案例設(shè)計

中學(xué)物理教學(xué)中將傳統(tǒng)真實實驗與虛擬實驗教學(xué)相耦合，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力具有重要的現(xiàn)實意義，它突破了傳統(tǒng)中學(xué)物理實驗教學(xué)的局限，是一種規(guī)范、科學(xué)、具有實際應(yīng)用價值的新型物理實驗教學(xué)[4]，下面以中學(xué)物理電學(xué)實驗為例設(shè)計實驗教學(xué)．

電學(xué)實驗設(shè)計分為真實實驗與虛擬實驗兩個大模塊．

實驗原理、步驟講解模塊：教師設(shè)計通俗易懂的講解模塊，和學(xué)生面對面地分析交流電產(chǎn)生與變化規(guī)律，用書寫板書的形式講解電學(xué)的實驗原理、定律、公式及電路圖等，幫助學(xué)生對電學(xué)這個物理規(guī)律本身功能和原理的充分理解．實驗具體步驟可用清晰簡潔的結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖的形式呈現(xiàn)，保證學(xué)生在實驗過程中步驟明確、少犯錯誤，為下一模塊虛擬實驗的操作奠定理論基礎(chǔ)．

虛擬實驗操作模塊：包括實驗器材的連接和實驗操作兩個分模塊．

實驗中所需要的電學(xué)實驗器材均為三維立體模型.實驗演示之前學(xué)生需要對實驗器材的外形和功能進行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)認(rèn)識．通過視頻演示讓學(xué)生查看儀器的連接是否完好，并可通過拖動實驗器材模型，自行對實驗器材進行連接設(shè)置．

實驗操作模塊：實驗操作中學(xué)生可根據(jù)自己的理解通過交互作用改變影響交流發(fā)電機發(fā)電的各個實驗參數(shù)，此時實驗效果會實時顯示出來，同時生成實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生將實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析以便完成相應(yīng)的實驗報告，此過程是本實驗的核心模塊．

將虛擬仿真實驗技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代基礎(chǔ)教育中學(xué)物理課堂實驗教學(xué)中，對幫助物理教學(xué)尤其是經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)教師物理課堂實驗教學(xué)，實現(xiàn)高效的教學(xué)目標(biāo)有顯著的作用．但我們須懂得無論哪種技術(shù)都是手段，教育最本質(zhì)的目的是促進人的發(fā)展，因此我們應(yīng)提防“唯技術(shù)論”的導(dǎo)向，將現(xiàn)代信息技術(shù)與基礎(chǔ)教育教學(xué)深度融合，利用信息技術(shù)的傳播優(yōu)勢，設(shè)計、重組并再造互聯(lián)網(wǎng)時代下個性化的教與學(xué)，促進我國基礎(chǔ)教育事業(yè)的發(fā)展．