用虛擬實驗打造高效課堂

一、什么是虛擬實驗

虛擬實驗技術起源于20世紀末，是依托“虛擬現實”技術而產生和發展的一種實驗模式。虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術構建實驗平臺，利用計算機及相應的應用軟件來模擬實驗儀器、實驗環境，以人機對話的方式來實現實驗的過程。它具有內容豐富，操作簡單，能無限復制，易于推廣等優點。開展網上虛擬實驗教學能夠突破傳統實驗對“時、空”的限制，無論是學生還是教師，都可以自由、無顧慮地隨時隨地上網進入虛擬實驗室，操作儀器，進行各種實驗，有助于提高實驗教學質量。

二、物理虛擬實驗的特點

1、虛擬性：所有的實驗器材和過程都是通過計算機軟、硬件和網絡實現的，從本質上來說是根本不存在的，即虛擬的。

2、高仿真性：借助虛擬現實技術實現的虛擬實驗，和現實相比非常相似，生動逼真，人機界面友好。

3、交互性：學生進行實驗學習時，虛擬實驗相當于為每個學生提供了一個自己的實驗室，他們可以自主地、自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗室操作儀器，進行各種實驗。在實際操作中，可以及時反饋給學生實驗數據，實現人機交互，還可以通過網絡展開小組討論、協作，充分體現學生的主體性。

4、開放性：通過網絡虛擬實驗室，學生可以隨時隨地進入實驗室，有選擇地進行各種實驗。

三、虛擬實驗對于培養學生實驗能力的作用

(一)培養學習物理興趣

愛因斯坦有句名言：“興趣是最好的老師。”孔子云：“知之者不如好之者，好知者不如樂之者。”物理是一門以實驗為基礎的學科。實驗在初中物理教學中地位不言而喻。虛擬實驗利用多媒體技術來模擬真實實驗環境。如在“直流電動機”教學時，我們可以通過操作鼠標使開關閉合和斷開，使電動機運轉和停止，可以通過移動滑片控制電動機的轉速，可以通過改變電流或磁場方向來改變電動機的轉向。另外還能方便地完成電動機的組裝。使得整個實驗過程具有游戲的特點，可以激發學生濃厚的學習興趣。

(二)培養學生觀察實驗及探究能力

在實際的物理實驗中，由于實驗條件(器材、環境等)的限制，有些實驗不易完成，實驗結果往往和教師期望的不一致，甚至出現相反的數據。利用虛擬技術設計虛擬實驗時，忽略了一些次要的因素的影響，不會出現以上現象的。在虛擬實驗室中，學生可通過鼠標的點擊及拖動操作，進行虛擬實驗。這種虛擬實驗室為學生提供了全方位的開放性操作環境，使學生在課堂上實現了虛擬世界的真實體驗。通過虛擬實驗能夠培養學生觀察實驗、自主模擬實驗、讀取數據、科學分析歸納等知識和技能的能力，并促使學生建立科學的世界觀。學生在網絡技術環境下進行多媒體虛擬實驗操作的同時，還可以通過網上與其它同學交流、討論、獲取新知識。在虛擬實驗中，學生還可以很方便地通過改變實驗參數分析不同的實驗結果，這有利于培養學生的科學探究意識和創新精神，使學生真正成為學習的主人。

(三)展現傳統實驗無法演示或效果不佳的物理現象和過程

利用虛擬實驗，將一些較難理解或實現的物理現象規律生動再現給學生，可以集中學生的注意力，提高課堂效率。在“觀察水沸騰”實驗中，若采用傳統的實驗方法，會存在可見度差、耗時長、效果不明顯等問題。進入熱學虛擬實驗室，通過鼠標的拖拽，很快就可以完成鐵架臺、酒精燈、燒杯、溫度計的安裝。隨著酒精燈的“點燃”，學生很容易觀察的水的沸騰現象以及加熱過程中水的溫度變化情況，整個過程只需幾分鐘，大大節省課堂時間，提高課堂效率。此外，虛擬實驗還可展示課堂實驗無法演示的物理現象和過程，例如，固體分子的擴散很慢，把磨得很光滑的鉛片及金片緊壓在一起，在室溫下放置5年，擴散現象才明顯。顯然，這樣的實驗是無法在課堂上完成的，但借助多媒體技術就可以把固體分子的運動過程形象的表現出來，學生便能從虛擬的實驗中得到固體分子是在不停運動的這樣一個直觀的印象。類似的還有原子的核式結構、核反應過程、微波通信等。利用計算機“虛擬現實”的特點，進行逼真的模擬，物理現象和過程生動、形象地展示與學生面前，使學生認識加深，形成概念。

(四)豐富實驗資源，確保實驗安全

新課程非常重視培養學生的實驗探究能力，許多中學都面臨著實驗儀器短缺、實驗室不夠用的問題。虛擬實驗室只要求把新課程中所有的物理實驗設計成軟件，安裝在計算機上(可稱之為中學物理虛擬實驗室)。這種虛擬實驗室容量大，實驗豐富，能很好地滿足師生的要求。虛擬實驗走進課堂，是實驗教學現代化的體現，為實驗教學注入了新的活力，也將帶來物理實驗模式的變革。

利用虛擬實驗，使學生可以做一些危險或危害人體的實驗。在初中電學教學過程中，由于短路實驗具有一定的危險性，一般的教學都采用教師做演示實驗與講述相結合(甚至只講)'學生缺少親身體驗。利用“電學物理實驗室”的虛擬實驗，學生可以體驗生動的短路現象，加深對短路危害的認識。通過虛擬實驗環境可以獲得與真實實驗一樣的體會，豐富了學生感性認識，加深對教學內容的理解。

四、教學中應注意的問題

強調學生動手動腦的能力，讓學生親知親為，從而培養學生實踐技能。雖然多媒體展示操作方便、可見度高，但它畢竟是人工化、科技化和理想化的產物，有別于現實中的客觀事物，因此，不能完全替代實驗教學。使用虛擬實驗教學主要針對跨時間、跨空間的、有一定危險的實驗、在校不能做的實驗。教學中應以實驗教學為主，使用虛擬實驗為輔，兩者之間有主次之分，切不可反客為主。

總之，目前虛擬實驗技術還處在發展、起步階段，但在實驗教學過程中已經發揮了巨大的作用。它不僅彌補實驗設備缺乏和條件的限制，而且極大提高了學生對知識的需求和探索的積極性，提高了實驗教學效果。同時，通過虛擬實驗技術把抽象的、難以直接用一般自然手段表現物理現象和規律形象直觀地表現出來，有助于學生加快認識客觀世界，有效提高學生實驗能力。

作者單位：宿遷市宿豫區侍嶺初級中學江蘇22382