應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科思維的實(shí)踐研究

林杰

摘? ?要：通過教師將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件應(yīng)用到課堂教學(xué)中，上課演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或?qū)W生自主操作實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握物理概念及原理，探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科思維的影響。經(jīng)過近兩年的跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，在平時(shí)的課堂教學(xué)中，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，不但能提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，而且還能培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、構(gòu)建模型能力、信息加工能力、推理論證能力、發(fā)散思維能力、創(chuàng)新思維能力等，從而逐步提升學(xué)生物理學(xué)科思維。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn);物理;學(xué)科思維

引言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)開始在科學(xué)研究、日常生活等各個(gè)方面不斷得到應(yīng)用。教師也意識(shí)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)方面的應(yīng)用價(jià)值，將它應(yīng)用到實(shí)際課堂教學(xué)中。將虛擬仿真技術(shù)和中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行最優(yōu)化整合，必將會(huì)優(yōu)化傳統(tǒng)的教學(xué)模式和拓展課堂教學(xué)空間，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。在教學(xué)過程中教師不斷熟悉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的操作原理和教學(xué)策略，有利于提升教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能，并能為學(xué)校以后的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供借鑒。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的一些不足之處，讓每個(gè)學(xué)生親身參與實(shí)驗(yàn)過程，加深對(duì)物理概念和原理的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的能力，逐步培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科思維能力。

1? 應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科思維的作用

1.1? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件是一種借助傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等構(gòu)建的高度虛擬、仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，可以輔助教師進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生自己模擬操作實(shí)驗(yàn)[ 1 ]。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可直接電腦在線模擬操作，學(xué)習(xí)者能夠體驗(yàn)身臨其境的感覺，能夠最大限度地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，具有獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐作用[ 2 ]。針對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)、抽象實(shí)驗(yàn)等不好做的實(shí)驗(yàn)，甚至因危險(xiǎn)性高而不能做的實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)都能夠有效地進(jìn)行模擬操作。基于以上優(yōu)勢(shì)特性，現(xiàn)如今利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，已經(jīng)在全國(guó)各地如火如荼地進(jìn)行。

1.2 物理學(xué)科思維

所謂物理學(xué)科思維，顧名思義就是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的科學(xué)思維。它是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的過程，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力[ 3 ]。 包括空間想象能力、構(gòu)建模型能力、信息加工能力、推理論證能力、創(chuàng)新思維能力、發(fā)散思維能力等。通過教師長(zhǎng)期的教學(xué)活動(dòng)發(fā)現(xiàn)，這些物理學(xué)科思維能力是學(xué)生學(xué)好物理的必不可少的能力。為了學(xué)生不斷發(fā)展的需要，教師在平時(shí)的教學(xué)活動(dòng)中，要有意識(shí)地在這方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)、引導(dǎo)、滲透。

1.3? 學(xué)生操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程能夠培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科思維能力

通過文獻(xiàn)研究法，查閱網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)資料，查找中學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)平臺(tái)，為教學(xué)做好前期準(zhǔn)備工作。例如登錄注冊(cè)中央電化教育館的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)，可以看到這里有中學(xué)物理、化學(xué)、生物、小學(xué)科學(xué)等幾千個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)資源。教師可以搜尋中學(xué)階段物理課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)軟件資源，然后把這些資源應(yīng)用到平時(shí)的課堂教學(xué)中。

在平時(shí)的教學(xué)過程可以觀察到，在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)，給學(xué)生較大的操作自由度和使用空間，能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生會(huì)更積極主動(dòng)地配合進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)，從而提高課堂的學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)課堂教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以按照需求自主操作實(shí)驗(yàn)，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，不但能提高對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的操作技巧，還能夠更細(xì)致地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有助于得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)的操作過程中，不但能提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑢?duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科思維能力，還能起到“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的作用效果。

以“探究線圈的自感現(xiàn)象”這個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，如圖1所示，學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，馬上就要先熟悉實(shí)驗(yàn)操作空間?？梢钥吹?，在虛擬立體空間中左上角有實(shí)驗(yàn)電路圖，在右邊空間是一個(gè)工具欄，那里有實(shí)驗(yàn)所需的器材供學(xué)生選擇使用，在空間右下角是一些操作選擇按鈕。學(xué)生需要在合適的空間位置放置電池組、滑動(dòng)變阻器、電感線圈、燈泡等各個(gè)實(shí)驗(yàn)器材，需要學(xué)生思考，如何布局方便觀察研究，然后利用導(dǎo)線連接電路，搭建接起來(lái)整個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模型。這些思考及操作過程能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的構(gòu)建物理模型能力。

在虛擬實(shí)驗(yàn)的空間中，所有的實(shí)驗(yàn)器材都是立體圖形顯示，學(xué)生可以對(duì)開關(guān)進(jìn)行閉合或斷開操作，可以左右移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，使滑動(dòng)變阻器連入電路的電阻阻值發(fā)生變化，連電燈的亮度變化都能夠虛擬表現(xiàn)出來(lái)。學(xué)生可以在虛擬立體空間中對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)電路模型拉近推遠(yuǎn)，選擇最佳觀察位置。還可以旋轉(zhuǎn)改變觀察位置及方向，從不同位置距離、各個(gè)不同方向視角對(duì)小燈泡的發(fā)光及熄滅情景進(jìn)行多次多方位觀察研究，通過這些多方位場(chǎng)景的切換及觀察，不但能夠更好地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的立體空間想象能力。

在實(shí)驗(yàn)探究過程中，學(xué)生可以先探究開關(guān)閉合時(shí)線圈對(duì)小燈泡的影響。通過實(shí)驗(yàn)操作，可以觀察到開關(guān)閉合瞬間的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生就要去分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，得出：線圈的自感現(xiàn)象阻礙了電流的增大，使得與線圈串聯(lián)的燈泡較慢發(fā)光的結(jié)論。接著學(xué)生繼續(xù)探究：開關(guān)斷開時(shí)，線圈對(duì)兩盞小燈泡的亮度變化影響情況。通過觀察兩盞小燈泡在開關(guān)閉合和斷開瞬間亮度變化情況、發(fā)光及熄滅先后順序等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)律分析得出：線圈的自感電動(dòng)勢(shì)總是要阻礙導(dǎo)體自身的電流發(fā)生變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

在整個(gè)研究分析過程中，學(xué)生要不斷動(dòng)腦思考，動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，觀察每次操作時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及變化規(guī)律，并加工分析操作過程與觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的因果關(guān)系，再通過推理得出初步實(shí)驗(yàn)結(jié)論。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性，學(xué)生還要改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，多次重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)初步研究結(jié)論不斷論證，最終才能歸納總結(jié)出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。這些實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)論證、歸納總結(jié)過程可以培養(yǎng)學(xué)生的信息加工能力和推理論證能力。

除此之外，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的理想化實(shí)驗(yàn)環(huán)境里，軟件還模擬出電路短路燒毀電源，電流、電壓超出量程燒毀儀表的動(dòng)畫效果。學(xué)生既不用擔(dān)心犯錯(cuò)引起實(shí)驗(yàn)器材的損壞，也不用擔(dān)心因錯(cuò)誤操作引起危害自身安全的事故，還可以看到各種實(shí)驗(yàn)成果。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的這些優(yōu)勢(shì)條件下，學(xué)生可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所給予的各種實(shí)驗(yàn)器材，自主選擇所需要的實(shí)驗(yàn)器材，充分發(fā)揮想象力，大膽創(chuàng)建各種場(chǎng)景，反復(fù)模擬操作各種實(shí)驗(yàn)探究或驗(yàn)證活動(dòng)，創(chuàng)造性地對(duì)課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更多嘗試。這種創(chuàng)造性的探究活動(dòng)，既能滿足學(xué)生的好奇心，又培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維能力和創(chuàng)新思維能力。

例如在“測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻”的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以按照課本實(shí)驗(yàn)步驟方法要求，使用常規(guī)的“伏安法”測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻，即使用電壓表和電流表配合測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過程還可以隨意設(shè)置元件參數(shù)，比如探究過程將電源電壓提高設(shè)置到6 V，此時(shí)連接電路時(shí)如果沒有注意電壓表或電流表選擇合適的量程，閉合開關(guān)后，就可能看到電壓表或電流表因超出量程燒壞冒煙的情景，學(xué)生無(wú)法繼續(xù)操作，只能重新開始實(shí)驗(yàn)。這樣就會(huì)給學(xué)生留下較深印象，以后再遇到儀表的使用，都會(huì)注意正負(fù)極的連接、量程的選擇。這樣學(xué)生既掌握了知識(shí)，又不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性的損失，學(xué)生會(huì)更放心大膽地操作實(shí)驗(yàn)繼續(xù)探究，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維提供了條件。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以不按照課本的常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量，自主選擇實(shí)驗(yàn)器材：比如不用電壓表，使用“安阻法”進(jìn)行測(cè)量;還可以選擇不使用電流表，使用“伏阻法”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。另外在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理上，測(cè)量出幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，既可以使用公式法計(jì)算得出結(jié)論，還可以使用圖像法，在直角坐標(biāo)系上用數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)并連線，畫圖研究得出結(jié)論。這樣通過多種不同方法的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)和多種方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維能力和創(chuàng)新思維能力。

可以看到，學(xué)生每次參與不同的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程，都會(huì)從多方面培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科思維能力，通過平時(shí)課堂對(duì)這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用教學(xué)的過程，學(xué)生的各種物理思維能力不斷重復(fù)鍛煉，從而得到加強(qiáng)提升。

1.4? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生物理學(xué)科思維的效果體現(xiàn)

利用行動(dòng)研究法，教師有計(jì)劃地將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到平時(shí)課堂教學(xué)中，觀察它對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的思維能力的影響。通過教師平時(shí)教學(xué)過程對(duì)學(xué)生的觀察，以及對(duì)學(xué)生考試成績(jī)的變化進(jìn)行對(duì)比分析，取得第一手研究資料，并進(jìn)行歸納總結(jié)，進(jìn)而得出研究的結(jié)果。

在研究初期筆者就對(duì)高二理科1班到4班四個(gè)平行班級(jí)的學(xué)生開展平行跟蹤研究工作。所選取的這四個(gè)班級(jí)學(xué)生物理成績(jī)平均分不相上下，教師把這四個(gè)班級(jí)分為兩組，1班和2班編為A組，3班和4班編為B組。平行跟蹤研究工作開始后，在平時(shí)的教學(xué)中，A組學(xué)生的物理課堂教學(xué)，教師利用中央電教館的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，盡可能地使用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)。而B組的學(xué)生則按照原來(lái)的常規(guī)方法進(jìn)行教學(xué)。

經(jīng)過一年的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)學(xué)生的高二下學(xué)期期末物理考試成績(jī)，利用好分?jǐn)?shù)軟件系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：A組平均分54.5分，B組平均分46.6分，A組優(yōu)秀率7%，B組優(yōu)秀率3%，A組及格率42%，B級(jí)及格率30%。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)的A組實(shí)驗(yàn)班學(xué)生物理成績(jī)，在優(yōu)秀率、及格率、平均分等各方面都明顯領(lǐng)先利用常規(guī)手段進(jìn)行教學(xué)的B組的非實(shí)驗(yàn)班學(xué)生成績(jī)。

在平時(shí)的教學(xué)活動(dòng)中教師還發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的A組高三1、2班的學(xué)生，不但學(xué)習(xí)成績(jī)領(lǐng)先，而且課堂發(fā)言更積極，思維上更為活躍。課堂上勇于提出自己對(duì)物理問題的獨(dú)特見解，在答題中時(shí)而會(huì)出現(xiàn)些高超的解題技巧。這些都是學(xué)生物理思維能力的體現(xiàn)，也與平時(shí)利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況是息息相關(guān)的。

1.5? 從學(xué)生角度，了解虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科思維的作用

為了進(jìn)一步了解虛擬實(shí)驗(yàn)在輔助教學(xué)中的應(yīng)用效果。教師還通過問卷調(diào)查、與學(xué)生座談，從學(xué)生方面了解，它對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、改善學(xué)習(xí)能力的影響情況;以及對(duì)培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科思維能力的影響情況。

本次調(diào)查問卷受調(diào)查學(xué)生為經(jīng)過一年多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)高三學(xué)生，發(fā)出問卷100份，回收100份?，F(xiàn)將問卷調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析如下：

（1）在問卷中，95%的學(xué)生認(rèn)為，在物理課上運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能極大地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有了學(xué)習(xí)興趣，上課的注意力就會(huì)比較集中，就會(huì)增強(qiáng)課堂記憶效果，達(dá)成課堂目標(biāo)。

（2）90%的學(xué)生認(rèn)為，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)好處在于生動(dòng)有趣，化抽象為形象，使教學(xué)內(nèi)容更直觀明了，有利于理解原理。還可以增加課堂容量，提高課堂效率。

（3）81%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)要與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合使用，虛實(shí)結(jié)合能彌補(bǔ)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的一些不足之處，發(fā)揮出最大的教學(xué)效果。

（4）92%的學(xué)生認(rèn)為，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)自己的空間想象能力、信息加工能力、模型建構(gòu)能力、推理論證能力、發(fā)散思維能力、創(chuàng)新思維能力等的培養(yǎng)和開發(fā)有幫助，自己在物理學(xué)科思維能力上有了一定的提高。

2? 歸納總結(jié)

通過筆者近兩年的平行跟蹤研究發(fā)現(xiàn)：上課演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或?qū)W生自主操作實(shí)驗(yàn)，利用真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)相結(jié)合的方法，一方面可以提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能;另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力、構(gòu)建模型能力、信息加工能力、推理論證能力、發(fā)散思維能力、創(chuàng)新思維能力等，進(jìn)而逐步提升學(xué)生物理學(xué)科思維。通過學(xué)生親身參與實(shí)驗(yàn)研究過程，能提升學(xué)生對(duì)物理學(xué)科學(xué)習(xí)的興趣。因此，將虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂，必將會(huì)優(yōu)化傳統(tǒng)的教學(xué)模式和拓展課堂教學(xué)空間，能夠?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能最大限度地激發(fā)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)興趣，提高課堂實(shí)效，有利于培養(yǎng)和提高學(xué)生的物理學(xué)科思維。

因此，教師要積極使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助教學(xué)，優(yōu)化物理課堂教學(xué)過程，提高課堂教學(xué)效果，讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)更好地為教學(xué)服務(wù)。使學(xué)生多動(dòng)腦思考、多動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科思維，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生終身受益。

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