仿真實驗在中學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

朱麗镕 羊波

玉溪師范學(xué)院教育技術(shù)系 云南玉溪 653100

1 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種媒體技術(shù)在教學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。特別是在具有實驗性的課程教學(xué)中，許多高校都搭建了自己的仿真實驗室，通過仿真實驗改善了傳統(tǒng)的教學(xué)方式。學(xué)生具有了豐富的學(xué)習(xí)資源，增強(qiáng)了自主學(xué)習(xí)能力，仿真實驗在高校的教學(xué)中取得顯著的成效。

伴隨著教育改革的不斷深化，全國實行了九年義務(wù)教育，高中教育得到基本普及，在校的學(xué)生逐漸增多，導(dǎo)致傳統(tǒng)的實驗室已經(jīng)不能夠滿足學(xué)生的需求。而物理實驗卻貫穿于整個物理學(xué)習(xí)中，由于物理實驗操作復(fù)雜，學(xué)校實驗器材欠缺，實驗環(huán)境受限，實驗可控性較差等原因，影響了物理實驗教學(xué)效果，不利于學(xué)生對物理理論知識的學(xué)習(xí)和培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力。

仿真實驗室是計算機(jī)領(lǐng)域中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)與實驗教學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。它將實驗儀器、實驗環(huán)境、實驗環(huán)節(jié)等全部由計算機(jī)仿真系統(tǒng)來完成，既可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，又可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)實驗無法涉及的、條件要求很苛刻的實驗，使得一些在實際實驗中無法實現(xiàn)的實驗現(xiàn)象或者是難以觀察的實驗現(xiàn)象變得直觀明了[1]。仿真實驗的產(chǎn)生和發(fā)展給實驗教學(xué)注入新的血液，提升了學(xué)生對物理的熱情，改善了傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，節(jié)省了學(xué)校資金。

2 中學(xué)物理實驗教學(xué)中應(yīng)用仿真實驗的現(xiàn)實意義

目前我國普九教育基本實現(xiàn)，高中教育普及率不斷提高，在校學(xué)生漸漸增加，人們受教育程度越來越高。盡管每年國家在教育基金的投入上都有提高，但學(xué)校的資源還相對欠缺。由于各個地區(qū)和學(xué)校級別的不同，物理實驗配備存在很大的差異。在對具有代表性的西南民族地區(qū)云南省怒江州各個學(xué)校的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，各個學(xué)校的實驗配備數(shù)量不足，都未達(dá)到教育部教學(xué)儀器研究所2007年5月18日發(fā)布的《物理實驗室的裝備要求》的指標(biāo)[2]。對我國5個省份的22所學(xué)校進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果顯示，所有學(xué)校都有專用的實驗室和儀器室，從教育部制定的實驗配置標(biāo)準(zhǔn)看，有超過1/3的學(xué)校沒有達(dá)到實驗室配備標(biāo)準(zhǔn)的要求，既沒有達(dá)到教育部標(biāo)準(zhǔn)也沒有達(dá)到本省標(biāo)準(zhǔn)的占22.7%[3]。盡管大多數(shù)學(xué)校物理實驗?zāi)軌蜻_(dá)到教育部2000年頒布的物理實驗教學(xué)儀器配置的標(biāo)準(zhǔn)，但從配置標(biāo)準(zhǔn)來看，實驗室能容納的學(xué)生人數(shù)非常有限，當(dāng)學(xué)校的學(xué)生人數(shù)增加時，實驗設(shè)備不能及時增加。因此，傳統(tǒng)的實驗配置不能及時適應(yīng)現(xiàn)代教育教學(xué)的改革。

2.1 傳統(tǒng)實驗自身的局限性

傳統(tǒng)實驗室的設(shè)備要專門的人員進(jìn)行日常維護(hù)及管理，花費成本較高；中學(xué)物理的部分實驗受環(huán)境因素的影響，在傳統(tǒng)實驗室里很難正常開展；有的實驗操作復(fù)雜，要求精確度高，操作的不規(guī)范性會影響實驗結(jié)果，會誤導(dǎo)學(xué)生對實驗的認(rèn)識。在對云南省的部分中學(xué)進(jìn)行的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)竟無一所中學(xué)的物理實驗室在課外時間開放，原因是開放實驗室要安排專業(yè)的人員，需要花費經(jīng)費，管理麻煩；其次是學(xué)校課程安排緊，課余時間少。傳統(tǒng)實驗室只有在課上為學(xué)生開放，實驗室的資源利用率較低，甚至有些學(xué)校的實驗室只是作為一個擺設(shè)，目的只是為了應(yīng)付上級領(lǐng)導(dǎo)的檢查和參觀而已，并沒有實際投入使用。

2.2 仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用符合教育信息化的趨勢

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等現(xiàn)代教學(xué)資源漸漸應(yīng)用到教育活動中，仿真實驗在教學(xué)中的應(yīng)用符合現(xiàn)代教育技術(shù)信息化教育模式的發(fā)展方向，克服了傳統(tǒng)實驗在儀器配備上的不足和時空的限制。把仿真實驗應(yīng)用到中學(xué)物理實驗教學(xué)中，不僅克服了傳統(tǒng)實驗所存在的局限性，同時促進(jìn)了中學(xué)物理實驗教學(xué)的改革和發(fā)展。

3 仿真實驗應(yīng)用到中學(xué)物理實驗教學(xué)中的優(yōu)勢

仿真實驗應(yīng)用到中學(xué)物理實驗教學(xué)中無疑在培養(yǎng)學(xué)生興趣、教學(xué)資源利用及彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗不足方面都有優(yōu)勢。

3.1 仿真實驗有利于培養(yǎng)學(xué)生對物理學(xué)的興趣

物理學(xué)作為一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗是其重要的一部分。中學(xué)的物理實驗由力學(xué)實驗、電學(xué)實驗、熱學(xué)實驗、光學(xué)實驗和近代物理實驗共同構(gòu)成。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)都是在真實的實驗室完成，然而真實的實驗室由于實驗器材的缺乏、時間空間的限制、實驗難度大、實驗可控性差的影響，中學(xué)物理教師大多只是選擇在課堂上講實驗或一個人在講臺上做實驗，這樣枯燥的學(xué)習(xí)氛圍會讓學(xué)生失去對實驗的興趣，漸漸對物理課程失去信心，所以很多學(xué)生都覺得物理很難學(xué)。興趣是最好的老師，然而在對學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的問卷調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)目前有相當(dāng)多的學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，學(xué)習(xí)積極性不高，部分學(xué)生對學(xué)習(xí)感到厭倦、煩惱[4]。因此，在中學(xué)物理教學(xué)中，教師應(yīng)該注重對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。在中學(xué)物理實驗教學(xué)中采用仿真實驗，將有利于培養(yǎng)學(xué)生對物理的興趣，提升學(xué)生對物理知識學(xué)習(xí)的積極性。

3.2 仿真實驗無時空局限性，使得教學(xué)資源得到充分的利用

仿真實驗無時空的局限，可以讓每個學(xué)生都參與到實驗中。傳統(tǒng)實驗受空間和時間的限制，在實驗教學(xué)中，教師往往是將數(shù)個實驗同時開設(shè)，學(xué)生輪流做。通常是以組為單位做實驗，在以組為單位做實驗的過程中，難免有學(xué)生在里面濫竽充數(shù)。教師在課堂上既要管好實驗教學(xué)的秩序，又要實時監(jiān)控學(xué)生實驗進(jìn)度和答疑，這既增加了教師的工作強(qiáng)度，也影響到實驗教學(xué)的效果。仿真實驗作為一種教學(xué)軟件，易于攜帶和傳播，學(xué)生可根據(jù)自己的時間安排實驗的學(xué)習(xí)。仿真軟件可實現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行實時監(jiān)控，教師可根據(jù)監(jiān)控結(jié)果找出學(xué)生遇到的問題及學(xué)習(xí)情況。由于物理實驗花費時間較長，教師一般是把實驗教學(xué)和理論教學(xué)分開，而實驗的現(xiàn)象和結(jié)論總是貫穿在整個物理教學(xué)中，不利于學(xué)生及時應(yīng)用實驗在物理學(xué)習(xí)中。采用仿真實驗，可將實驗帶進(jìn)課堂，在理論學(xué)習(xí)的同時貫穿實驗教學(xué)，實現(xiàn)實驗教學(xué)輔助理論知識的學(xué)習(xí)，使理論知識得到加深和鞏固。這樣把中學(xué)物理的理論知識和實驗教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，提高物理理論知識學(xué)習(xí)效率和實驗觀察能力。

3.3 仿真實驗彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗中存在的不足

仿真實驗作為一種學(xué)習(xí)軟件，可將有難度的實驗設(shè)置預(yù)習(xí)階段，只有預(yù)習(xí)后方能進(jìn)行實驗，這樣能監(jiān)督學(xué)生進(jìn)行實驗前的預(yù)習(xí)過程。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，很多學(xué)生在實驗前并沒有實驗預(yù)習(xí)，但教師不可能給大家時間進(jìn)行預(yù)習(xí)，于是直接進(jìn)入實驗室就開始做實驗，這樣不僅影響了實驗的進(jìn)度，還讓學(xué)生厭惡實驗教學(xué)。在傳統(tǒng)的實驗室里，復(fù)雜的實驗受條件的影響無法將實驗過程重現(xiàn)，這樣很容易忽略重要的細(xì)節(jié)。而仿真實驗具有重現(xiàn)能力，讓一個實驗多次重現(xiàn)，直至學(xué)生掌握該實驗為止。仿真實驗室不僅能夠?qū)崿F(xiàn)真實實驗室能實現(xiàn)的實驗，還能實驗一些真實實驗室無法實現(xiàn)的功能。特別在中學(xué)物理的光學(xué)實驗部分，因為光學(xué)實驗對環(huán)境的要求甚高。仿真實驗?zāi)軌驅(qū)崟r顯示測量結(jié)果，并能提供多種實驗方法和設(shè)計平臺，有利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計思考能力和比較判斷能力，可以達(dá)到操作實驗難以實現(xiàn)的效果[5]。傳統(tǒng)的實驗室總是要花費許多資金來維護(hù)和管理，采用仿真實驗可大大節(jié)省資源和學(xué)校經(jīng)費。

4 應(yīng)用仿真實驗在中學(xué)物理實驗教學(xué)中存在的問題

首先，人們?nèi)菀族e誤地把仿真實驗用來完全替代傳統(tǒng)實驗。仿真實驗具有的高度逼真、重現(xiàn)能力強(qiáng)、資源節(jié)約性、良好的人機(jī)交互功能等，在實驗器材較為缺乏的條件下，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗的不足，從而在教育教學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。仿真實驗在教學(xué)中的廣泛推廣，導(dǎo)致部分教師完全用仿真實驗來替代傳統(tǒng)的實驗，這不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實際的動手能力。仿真實驗是按指令要求運行相應(yīng)的程序，一般實驗都能完美無缺地進(jìn)行，實驗結(jié)果與理論分析完全一致，學(xué)生很難在實驗中思考新問題，在一定程度上禁錮了學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此，計算機(jī)仿真實驗不適用于創(chuàng)新性的探索實驗[6]。

其次，許多人忽視仿真實驗存在的缺陷，過分夸大仿真實驗的訓(xùn)練作用。任何事物都有兩面性，仿真實驗在中學(xué)物理實驗教學(xué)中有好的方面，同時也存在一些缺陷。仿真實驗只是帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入一種近似真實的實驗環(huán)境中，但實驗的操作只需要學(xué)生用鼠標(biāo)點擊即可進(jìn)行，實驗過于理想化，將會使學(xué)生忽略實驗的細(xì)節(jié)，這不利于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)的養(yǎng)成。仿真實驗雖然不受時空的限制，在任何時間都可以進(jìn)行實驗，然而學(xué)生在實驗過程中遇到問題卻不能及時和教師進(jìn)行溝通，減少了師生間的相互交流。仿真實驗?zāi)軡M足學(xué)生獨自一人做實驗，而不像傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，通常以組為單位進(jìn)行學(xué)習(xí)，這樣學(xué)生之間的相互交流學(xué)習(xí)機(jī)會減少了，不利于合作學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

5 在中學(xué)物理實驗教學(xué)中應(yīng)用仿真實驗的思考

仿真實驗在中學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用并不是都能提高實驗教學(xué)的效率，只是針對部分學(xué)校在實驗器材缺乏的情況下，不能開展傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，采用仿真實驗可讓學(xué)生更直觀地觀察實驗現(xiàn)象，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，利于實驗結(jié)論的記憶和應(yīng)用。有部分學(xué)校雖然實驗器材配備完善，但實際的實驗教學(xué)開出率很低。在對山東省部分高中物理實驗儀器與使用情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，學(xué)校實驗沒有開出的主要原因是“教學(xué)時間緊張”[7]。針對因教學(xué)時間緊張而確實不能開展傳統(tǒng)實驗教學(xué)的學(xué)校，可利用仿真實驗來優(yōu)化實驗教學(xué)效果。仿真實驗沒有時空的限制，學(xué)生可以課后進(jìn)行實驗。在對云南省部分學(xué)校實驗器材的配備情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，演示類的實驗器材幾乎沒有配備，其原因是認(rèn)為演示類的實驗器材沒有必要配備，因為演示類的實驗只要求學(xué)生大致明白實驗的一個現(xiàn)象。如高中物理中光學(xué)實驗部分，演示類實驗采用仿真實驗可以達(dá)到實驗教學(xué)的目的。

研究型實驗和設(shè)計型實驗是否采用仿真實驗，是一個值得考慮的問題。研究型實驗注重的就是學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。仿真實驗中只需要用鼠標(biāo)點擊即可進(jìn)行實驗，實驗趨向于理想化，這又如何來培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力？對于設(shè)計型實驗，采用仿真實驗雖然可以避免因錯誤操作而導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生，但學(xué)生會形成為所欲為的態(tài)度，這樣的態(tài)度不利于培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)觀。因此，在實驗教學(xué)中是否采取仿真實驗值得深思。

仿真實驗和傳統(tǒng)實驗在實驗教學(xué)中都有各自的優(yōu)勢，教師應(yīng)充分利用兩者的優(yōu)勢來服務(wù)自己的實驗教學(xué)。首先，在實驗器材缺乏的實驗教學(xué)中，可采用仿真實驗來進(jìn)行實驗教學(xué)；其次，在實驗環(huán)境要求較高、實驗較為復(fù)雜、花費時間較長的情況下，采用仿真實驗可提高教學(xué)的效率；再次，對于只要求學(xué)生掌握實驗現(xiàn)象的演示類實驗，采用仿真實驗進(jìn)行實驗教學(xué)并沒有不妥。但在實驗器材裝備完善的學(xué)校，對于探究性實驗、研究型實驗，應(yīng)該采用真實的實驗，有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。對于實驗現(xiàn)象復(fù)雜的探究性實驗，可先在傳統(tǒng)實驗室里進(jìn)行實驗，然后利用仿真實驗的可控性來觀察實驗的細(xì)節(jié)。

在物理教學(xué)中可根據(jù)具體的情況來進(jìn)行實驗教學(xué)，利用仿真實驗和傳統(tǒng)實驗的有效結(jié)合和交替，優(yōu)化中學(xué)物理實驗教學(xué)，改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法，提高教學(xué)效率。

6 結(jié)語

中學(xué)物理課程是一門實踐性較高的課程，而在物理實驗教學(xué)中，存在部分實驗器材老化和缺乏、實驗環(huán)境復(fù)雜、學(xué)校資金短缺等情況。仿真實驗給傳統(tǒng)的實驗教學(xué)帶來新的變革，提高了學(xué)生的積極性。但畢竟仿真實驗還不是全真實驗，因此還不能完全替代傳統(tǒng)的實驗，只有兩者有機(jī)結(jié)合并服務(wù)于中學(xué)物理實驗教學(xué)，才能更好為地國家培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、動手能力強(qiáng)、理論知識扎實的人才。

[1]成建宇.仿真實驗室在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].新課程,2012(10)：165.

[2]楊同華.云南省怒江州中學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查研究[D].重慶：西南大學(xué),2008.

[3]陳慶朋.高中物理實驗教學(xué)條件和實施過程的調(diào)查研究[D].重慶：西南大學(xué),2009.

[4]山世華.新形勢下高中生心理素質(zhì)教育探討[J].中學(xué)時代,2012(10)：210-211.

[5]譚守標(biāo),霍劍青,王曉蒲.計算機(jī)虛擬技術(shù)在大學(xué)物理仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2005：429-433.

[6]張文英,巖帥.物理化學(xué)虛擬實驗教學(xué)法的應(yīng)用[J].當(dāng)代教育理論與實踐,2012(6)：108-109.

[7]李洪俊.山東省高中物理實驗儀器配備及使用情況調(diào)查研究[D].重慶：西南大學(xué),2006.