淺析虛擬與真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)整合

　　摘要：近年來隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)的進(jìn)步，虛擬實(shí)驗(yàn)室被應(yīng)用到教學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。在物理教學(xué)中，虛擬實(shí)驗(yàn)在很大程度上解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中遇到的困難，成為教學(xué)的好幫手，但同時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)也有其負(fù)面作用。虛擬實(shí)驗(yàn)與物理真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的模式有待探討。
　　關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；真實(shí)實(shí)驗(yàn)；整合；教學(xué)模式
　　
　　虛擬物理實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合，就是要發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。把虛擬實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生的學(xué)習(xí)工具，為學(xué)生建構(gòu)一個(gè)培養(yǎng)創(chuàng)造能力的教學(xué)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力。
　　一、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的兩種虛擬環(huán)境
　　1.課件。這是多媒體技術(shù)用于教學(xué)的最初表現(xiàn)形式，是多媒體技術(shù)和課程整合的最初形式，目前大多數(shù)教師都采用這種方法。教師可以使用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件或多媒體素材庫，選擇其中合適的部分用在自己的教學(xué)之中，也可以利用PowerPoint、flash、GIF［1］等軟件，將實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象設(shè)計(jì)成模擬真實(shí)情況的多媒體課件，動(dòng)態(tài)地展示實(shí)驗(yàn)過程和理論模型，幫助學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)。
　　動(dòng)畫演示雖然有一定的動(dòng)態(tài)性，但是它只是對(duì)物理現(xiàn)象和結(jié)論的定性的展示，它所展示的結(jié)果并不是由計(jì)算而得，而是被預(yù)先設(shè)定好，不具有交互性，它所有的動(dòng)態(tài)過程都采用文件播放形式，形成一種模式比較固定的教學(xué)方式。
　　2.虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，其中的可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)外設(shè)操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器，即可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相一致的教學(xué)過程。它是虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)知識(shí)相結(jié)合的產(chǎn)品。學(xué)生可以自由地、無顧慮地隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器來進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了技術(shù)支持。
　　虛擬物理實(shí)驗(yàn)室和真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)室的不同之處在于學(xué)生所處環(huán)境不同，虛擬實(shí)驗(yàn)室中操作的不是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器，而只是以軟件仿真來模擬的設(shè)備。
　　虛擬物理實(shí)驗(yàn)室的使用旨在為物理教學(xué)創(chuàng)造一個(gè)易于操做的物理環(huán)境。它具有很強(qiáng)的交互性和構(gòu)建性，對(duì)于學(xué)生來說，仿真實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)不錯(cuò)的學(xué)習(xí)工具。
　　二、虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)整合的教學(xué)模式
　　1.課件演示為主的教學(xué)模式。這種教學(xué)模式就是在常規(guī)講解教學(xué)模式基礎(chǔ)上將多媒體技術(shù)作為新教學(xué)媒體使用，多媒體技術(shù)成為教師展示教學(xué)內(nèi)容的工具。這一教學(xué)模式要求教師應(yīng)熟悉多媒體教學(xué)課件的開發(fā)、使用。在演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用課件模擬實(shí)驗(yàn)的物理過程和結(jié)果，可使靜態(tài)事物動(dòng)態(tài)化，抽象知識(shí)形象化，完成困難實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫模擬，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的動(dòng)態(tài)分析。在做好實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用動(dòng)畫模擬再加以分析性的文字信息，形成由形象思維邁向抽象思維，由表象到實(shí)質(zhì)的“橋梁”，使學(xué)生認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生及變化的條件，然后再進(jìn)行具體概括，形成概念、規(guī)律，歸納實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的共同特征。
　　應(yīng)當(dāng)注意的是，我們?cè)诶眠@些資源時(shí)，不能只停留在演示播放的水平上，要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的要求，做好教學(xué)活動(dòng)方式的設(shè)計(jì)，把它們作為認(rèn)知工具，構(gòu)建新型的教學(xué)模式。
　　2.虛擬實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)模式。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，借助于多媒體技術(shù)和工具軟件創(chuàng)設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室引入了我們的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，它為學(xué)生提供了全新的操作環(huán)境、為教師提供了開放性的教學(xué)平臺(tái)。虛擬實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)中誤操作導(dǎo)致儀器被損壞的不足，使學(xué)生可以自主地在“問題空間”里大膽地進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，教師可以將更多的探究、分析、思考任務(wù)交給學(xué)生，使學(xué)生在教師的指導(dǎo)下由被動(dòng)地實(shí)驗(yàn)變?yōu)橹鲃?dòng)的探究，使學(xué)習(xí)過程呈現(xiàn)一種新景象。
　　3.學(xué)習(xí)包與主題學(xué)習(xí)網(wǎng)站模式。教師可以課前把與學(xué)習(xí)內(nèi)容有關(guān)的課件、仿真實(shí)驗(yàn)室工具軟件、聲像、文本資源等按章節(jié)或單元整理成文件包或者編輯成專題學(xué)習(xí)網(wǎng)頁后提供給每個(gè)學(xué)習(xí)小組，文件包儲(chǔ)存于學(xué)習(xí)機(jī)上供學(xué)生課前和課后查閱瀏覽。讓學(xué)生通過瀏覽學(xué)習(xí)包中的課件和主題學(xué)習(xí)網(wǎng)站針對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容自主地提出問題和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過網(wǎng)絡(luò)教室展示他們的學(xué)習(xí)成果，讓學(xué)生對(duì)此進(jìn)行討論和完善，其他同學(xué)也可以提出新的方案進(jìn)行補(bǔ)充，在整個(gè)過程中，教師只是對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行組織和指導(dǎo)。讓學(xué)生通過對(duì)比受到啟發(fā)，找到自己的不足，從而使所學(xué)的知識(shí)得到升華，思維變得更開闊。這種模式為學(xué)生開展自主分層學(xué)習(xí)提供了可行性，學(xué)生可以通過瀏覽學(xué)習(xí)包和主題學(xué)習(xí)網(wǎng)頁中的資源，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣和自己的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容，使每個(gè)學(xué)生都學(xué)有所得。
　　三、虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的反思
　　1.虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。所謂有機(jī)結(jié)合，即處理好虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)與其它教學(xué)手段、虛擬實(shí)驗(yàn)與教師講授之間的關(guān)系。
　　虛擬實(shí)驗(yàn)有利于提高實(shí)驗(yàn)效率與效果［2］，但虛擬實(shí)驗(yàn)不能淡化真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)。真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲得物理知識(shí)最直接的手段、最真實(shí)的經(jīng)驗(yàn)和最好的感性材料。虛擬實(shí)驗(yàn)只能逼真，而不可能真實(shí)，不能試圖用虛擬實(shí)驗(yàn)去代替真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以進(jìn)行、效果不好，需用電腦模擬的實(shí)驗(yàn)，要將真實(shí)的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)給學(xué)生，講清實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)過程，再進(jìn)行電腦模擬，將虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。
　　物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)為其根本，我們必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究。在教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)更合理的實(shí)驗(yàn)過程，改進(jìn)和制作物理實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段。而且電腦模擬有其局限，如聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，演示噪音、樂音及其波形，除示波器外，我們要用錄音機(jī)，這種真實(shí)性是虛擬實(shí)驗(yàn)不能達(dá)到的。有的模擬用投影、幻燈就可簡潔而形象地進(jìn)行，也不必費(fèi)時(shí)、費(fèi)力去進(jìn)行電腦模擬。
　　2.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的負(fù)面效應(yīng)。不可否認(rèn)，虛擬物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于物理教學(xué)的確改變了物理的教學(xué)方式與學(xué)習(xí)方式，解放了學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間與空間，可以為學(xué)生創(chuàng)造出圖文并茂、豐富多彩、人機(jī)交互、即時(shí)反饋的學(xué)習(xí)環(huán)境，能充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生的多種感官去操作、觀察、猜想、歸納、類比來獲取知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的自信心。在為信息技術(shù)整合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)而歡欣鼓舞的同時(shí)，我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到信息技術(shù)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)所產(chǎn)生的不良影響。如果僅僅將課件演示來代替演示實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)代替學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)，使教師成為操作員，形成了人與人的隔絕，忽視學(xué)生間合作與情感的交流，那就與整合背道而馳了。信息技術(shù)是把雙刃劍，使用得當(dāng)，教師、學(xué)生受益；使用不當(dāng)，教師的教學(xué)會(huì)缺乏激情，學(xué)生的記憶力、運(yùn)算能力也得不到提高，對(duì)這種負(fù)面的影響我們決不能等閑視之。過分地依賴技術(shù)也會(huì)束縛人腦思維的開放性，使得人們的想象力受到限制。因此，要處理好信息技術(shù)下的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系。
　　3.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)要在設(shè)計(jì)上下功夫。虛擬實(shí)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合需要在教學(xué)設(shè)計(jì)上下功夫，即如何設(shè)計(jì)使學(xué)生的人格、思維、智慧得到更大的發(fā)展。因此，要以建構(gòu)主義、多元智能理論作為支撐點(diǎn)，全面審視信息技術(shù)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)容、實(shí)施等方面的設(shè)計(jì)問題，探尋整合的切入點(diǎn)。在設(shè)計(jì)的過程中要防止用虛擬實(shí)驗(yàn)的過程代替學(xué)生的思維和操作過程。如：計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行快速的分析與運(yùn)算，可以快速繪圖與推理，所以教師在教學(xué)過程中就有可能不再關(guān)注學(xué)生的運(yùn)算和分析問題、解決問題的能力的培養(yǎng)；教學(xué)中教師可能會(huì)顧此失彼，這樣做的結(jié)果勢(shì)必會(huì)使學(xué)生的物理素養(yǎng)下降。因此，樹立整合的科學(xué)設(shè)計(jì)觀對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施具有十分重要的意義。整合的設(shè)計(jì)觀要求把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)環(huán)境下的虛擬物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，提升學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律及其現(xiàn)象本質(zhì)的理解。整合的設(shè)計(jì)觀決不能游離于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，不能為了用信息技術(shù)而丟失了物理實(shí)驗(yàn)的本來的特色，而是要全方位地關(guān)注學(xué)生、教師、資源的發(fā)展，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程中與學(xué)生一起分享、共同承擔(dān)。整合的設(shè)計(jì)觀要求教師認(rèn)真學(xué)習(xí)物理課程標(biāo)準(zhǔn)，明確教學(xué)目標(biāo)，深入鉆研教材，挖掘知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，創(chuàng)造性地完成教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整合的發(fā)展。
　　綜上，虛擬實(shí)驗(yàn)，我們不能因?yàn)樗膬?yōu)點(diǎn)而讓它完全替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，也不能因?yàn)樗煌趥鹘y(tǒng)儀器的操作方式而抵觸它，而要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、學(xué)生的情況、教學(xué)的安排，適時(shí)選擇，揚(yáng)長避短，合理有效、選擇性地利用它，發(fā)揮其最大的功效。
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