探究高中物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

張秀峰

【摘 要】高中物理是普通高中學(xué)習(xí)的一門基礎(chǔ)課程，與九義務(wù)教育物理或科學(xué)課程相銜接，旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。高中物理教學(xué)中物理實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的內(nèi)容，也是物理教學(xué)的重要方法和手段。

【關(guān)鍵詞】高中物理；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)

目前對(duì)于物理演示實(shí)驗(yàn)的研究主要集中于在新課改的理念下，怎樣才能更好的結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生在課堂上的主體地位，從而創(chuàng)建高效課堂；對(duì)于仿真物理實(shí)驗(yàn)的研究大多也停留在仿真物理實(shí)驗(yàn)的深入應(yīng)用和設(shè)計(jì)方面，對(duì)于仿真物理實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)的討論。對(duì)于仿真物理實(shí)驗(yàn)的課堂應(yīng)用效果研究較少。本文的主要內(nèi)容在于研究物理課堂中的傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)與基于flash的物理仿真演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)的討論，哪種實(shí)驗(yàn)更有利于教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、關(guān)鍵概念解釋

探究即“深入探討，反復(fù)研究”，筆者認(rèn)為探究是人們發(fā)現(xiàn)問題、搜集數(shù)據(jù)、形成解釋、解決問題從而實(shí)現(xiàn)從未知到已知的一個(gè)知識(shí)建構(gòu)的過程。實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的重要途徑，是物理課程目標(biāo)和內(nèi)容的必要組成部分，學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用物理實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)探究方法。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指利用多媒體和仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)上對(duì)傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的各操作環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)建立在一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（平臺(tái)仿真）之上，而注重的是實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。

二、高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)概述

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在高中物理課程各個(gè)模塊中都安排了一些典型的科學(xué)探究或物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要方式，大體上可以分為如下四種：

A.儀器使用類實(shí)驗(yàn)：如游標(biāo)卡尺、彈簧秤的使用等；

B.測量類實(shí)驗(yàn)：如測定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度；

C.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：如動(dòng)量守恒定律的驗(yàn)證等；

D.探究類實(shí)驗(yàn)：如探究平拋物體的運(yùn)動(dòng)，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系等。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前最權(quán)威的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是中國科技大學(xué)天文與應(yīng)用物理系開發(fā)的大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，該成果在國內(nèi)一些高校得到廣泛應(yīng)用。這套軟件的特點(diǎn)在于采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建模，對(duì)儀器和器件實(shí)現(xiàn)模塊化，用數(shù)值模型建立儀器原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作的各種數(shù)學(xué)關(guān)系，用圖像模型表現(xiàn)操作的真實(shí)感，并用事件驅(qū)動(dòng)方式將它們編制出來，使得這種軟件具有任意的操作性和真實(shí)的交互功能，實(shí)現(xiàn)可設(shè)計(jì)性和真實(shí)感。

與在高等學(xué)校中的發(fā)展和應(yīng)用狀況相比，物理仿真實(shí)驗(yàn)在普通高中階段仍然沒有很大的發(fā)展，很多高中物理仿真實(shí)驗(yàn)，只是具有演示功能，離真正的交互實(shí)驗(yàn)、學(xué)生自主設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)還有很大的距離。大多數(shù)只是在課堂上利用PPT來演示播放flash動(dòng)畫讓學(xué)生觀察，并沒有讓學(xué)生自己去操作。因此很大部分的仿真實(shí)驗(yàn)還不是真正的仿真！缺少開發(fā)高中物理仿真實(shí)驗(yàn)的人才，也是物理仿真實(shí)驗(yàn)在高中鮮有應(yīng)用的原因，一般情況下懂物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的人不懂軟件開發(fā)，懂軟件開發(fā)的人不懂物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

四、高中物理仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的必要性與優(yōu)越性

1.仿真實(shí)驗(yàn)引入高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

高中物理是普通高中科學(xué)學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程，與九年義務(wù)教育物理或科學(xué)課程相銜接，旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。高中物理課程有助于學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)基本的物理知識(shí)與技能；體驗(yàn)科學(xué)探究過程，了解科學(xué)研究方法；增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，發(fā)展探索自然、理解自然的興趣與熱情；認(rèn)識(shí)物理學(xué)對(duì)科技進(jìn)步以及文化、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的影響；為終身發(fā)展，形成科學(xué)世界觀和科學(xué)價(jià)值觀打下基礎(chǔ)。

2.仿真實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)越性

仿真實(shí)驗(yàn)在高中教學(xué)中應(yīng)用，它不僅可以逼真地模擬實(shí)際的物理環(huán)境，也可以模擬實(shí)際的儀器，大量的真實(shí)實(shí)驗(yàn)都可以用仿真實(shí)驗(yàn)來模擬和再現(xiàn)。而且，仿真實(shí)驗(yàn)有著真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法取代的優(yōu)越性，這具體體現(xiàn)在：

（1）仿真實(shí)驗(yàn)具有可擴(kuò)展性。

（2）通過計(jì)算機(jī)仿真模擬一些重要的、在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下難以完成的物理實(shí)驗(yàn)，則可彌補(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器的不足，提高物理實(shí)驗(yàn)的演示效果。

（3）仿真實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境下，可以完成現(xiàn)實(shí)條件下不可能完成的實(shí)驗(yàn)。

（4）對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法完成的抽象的物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)室無法完成的真實(shí)物理圖景，仿真實(shí)驗(yàn)都可以完成。

（5）仿真實(shí)驗(yàn)可以突破客觀條件限制，是一種較好的“理想實(shí)驗(yàn)”法。

五、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和不足

Flash因其采用矢量圖，具有交互性，所以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的圖形界面可以做的非常逼真，操作也可以做到非常簡單，比 Matlab 等軟件在界面處理上要好很多，有利于我們讓學(xué)生更直觀的了解一些危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)。

由于 Flash 主要用于簡單動(dòng)畫制作、動(dòng)態(tài)文字制作、廣告設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，其本身不擅長科學(xué)計(jì)算，有時(shí)計(jì)算明顯具有誤差，并且在多層循環(huán)時(shí)，響應(yīng)速度已經(jīng)相當(dāng)乏力，如果再在多層循環(huán)中進(jìn)行大量運(yùn)算，忽略仿真效果，忽略響應(yīng)時(shí)間的問題，動(dòng)畫能也幾乎不能正常運(yùn)行了。

Flash仿真實(shí)驗(yàn)仿真程度仍然不夠高，數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果太過理想，過于符合所研究的規(guī)律，并且在一些儀器故障的分析處理等方面與真實(shí)實(shí)驗(yàn)差距較大。因此仿真實(shí)驗(yàn)不能完全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

這就要求我們教師要跟著時(shí)代的步伐，努力的擴(kuò)充自己的知識(shí)，這樣才能與新的條件下的新技術(shù)結(jié)合起來，提高我們的課堂教學(xué)水平。