虛擬實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的優(yōu)勢和實(shí)現(xiàn)方式

【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn) 物理教學(xué) 優(yōu)勢 實(shí)現(xiàn)方式

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2012）11B-

0084-01

在物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)既是重要的教學(xué)內(nèi)容，也是重要的一種學(xué)習(xí)方式，它對(duì)于物理教學(xué)有著不可低估的作用。為了緊密配合新課程改革，豐富、優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本文對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)做一些探索。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)就是在電腦上將各種虛擬的儀器，按實(shí)驗(yàn)要求組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)在這個(gè)系統(tǒng)上“完成”整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，包括原材料的添加、實(shí)驗(yàn)條件的改變、數(shù)據(jù)的采集以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)、分析。虛擬實(shí)驗(yàn)在廣義上似乎也是一種模擬實(shí)驗(yàn)，但它在實(shí)驗(yàn)的本體逼真性和應(yīng)用普適性，以及在給予實(shí)驗(yàn)者的現(xiàn)場感受和實(shí)驗(yàn)效果等方面，是傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)無法相比的。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

1.可彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足�，F(xiàn)在許多學(xué)校缺乏實(shí)驗(yàn)器材，影響了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，嚴(yán)重制約著實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以讓學(xué)生不受課堂的限制，自主地模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，同時(shí)能減少實(shí)驗(yàn)儀器的購置、維護(hù)費(fèi)用。

2.便于學(xué)生自主探索研究。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，受時(shí)間、地點(diǎn)限制，有一定的局限性。而對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)來說，學(xué)生可以在課外在家中，根據(jù)自己的實(shí)際情況有針對(duì)性地進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，獲得接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體會(huì)，從而能豐富學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

3.有利于激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和學(xué)習(xí)熱情。虛擬實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的直觀性和交互性，操作便捷，饒有趣味，因此能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和學(xué)習(xí)熱情。

4.有利于擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)和觀察的范圍。有些物理實(shí)驗(yàn)不便觀察、不便操作，有些甚至不可能進(jìn)行。而利用虛擬實(shí)驗(yàn)則可以進(jìn)行那些常規(guī)環(huán)境無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以徹底打破空間的限制。大到宇宙天體，小到原子粒子，學(xué)生都可以很好地進(jìn)行“觀察”。一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，在虛擬實(shí)驗(yàn)中可以在很短的時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生。以往一些對(duì)于人體健康有危害甚至危及人身安全的實(shí)驗(yàn)，一般采用觀看電視錄像的方式來取代。學(xué)生不參與實(shí)驗(yàn)，就無法獲得感性認(rèn)識(shí)。進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，則可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。學(xué)生在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心地去做各種實(shí)驗(yàn)。

5.有利于發(fā)揮學(xué)生的想象力與創(chuàng)造性。虛擬實(shí)驗(yàn)不同于一般的多媒體演示實(shí)驗(yàn)，幾乎可以做到真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)茏龅降囊磺�，加上虛擬儀器具有不怕?lián)p壞、數(shù)量不受限制等真實(shí)實(shí)驗(yàn)沒有的特點(diǎn)，學(xué)生可以反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察，具有很強(qiáng)的靈活性和可重復(fù)性。通過設(shè)計(jì)各種不同的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以全面鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考、動(dòng)手操作能力，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力與創(chuàng)造性。

6.有利于培養(yǎng)學(xué)生的信息處理能力。虛擬實(shí)驗(yàn)可以記錄下全過程各個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，并可以利用系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算器或其它軟件來進(jìn)行處理，還可以根據(jù)需要繪制出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)圖。這有利于培養(yǎng)學(xué)生的信息處理能力。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方式

1.基于本地計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)室。只要將具有仿真物理實(shí)驗(yàn)功能的計(jì)算機(jī)軟件安裝到計(jì)算機(jī)上，學(xué)生便擁有了一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境和平臺(tái)。這種軟件的主要特點(diǎn)是不受網(wǎng)絡(luò)的限制，安裝簡單，操作容易。其中，“仿真物理實(shí)驗(yàn)室”是最常用的軟件。它面向中學(xué)物理課堂、物理教師和全體學(xué)生，具有全開放性，能給師生提供一個(gè)功能齊全、實(shí)驗(yàn)器材非常完備的綜合性虛擬實(shí)驗(yàn)室。利用它幾乎可以進(jìn)行所有的物理課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)。師生可以在1分鐘內(nèi)制作一個(gè)彈簧振子或單擺的物理模型，在2分鐘內(nèi)完成驗(yàn)證動(dòng)量守恒的實(shí)驗(yàn)，在幾分鐘內(nèi)制作一個(gè)粒子加速器的原理模型。它能讓學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)物理現(xiàn)象和規(guī)律的理解，使學(xué)生提高物理學(xué)習(xí)興趣，是中學(xué)物理課堂教學(xué)的有力助手。

“幾何畫板”是另外一個(gè)值得關(guān)注的基于本地計(jì)算機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件，也是全國中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育研究中心推薦的適合中學(xué)物理教師使用的計(jì)算機(jī)軟件。它不僅能為教師提供一個(gè)制作課件的平臺(tái)，也能為學(xué)生提供一個(gè)進(jìn)行物理“實(shí)驗(yàn)”的環(huán)境。通過仿真的實(shí)驗(yàn)操作，可以幫助學(xué)生建立物理模型，進(jìn)一步加深對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的理解和研究。

2.基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室�，F(xiàn)在許多學(xué)校已經(jīng)建立了校園網(wǎng)并與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，同時(shí)一些學(xué)校和教育網(wǎng)站還開發(fā)和搭建了基于Web（網(wǎng)絡(luò)）的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。利用基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生就能夠模擬進(jìn)行許多物理實(shí)驗(yàn)。由于這一平臺(tái)是基于Web開發(fā)的，師生只要擁有一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)就可以充分利用這一資源，在電腦上只需要安裝簡單的客戶端軟件，而不需要安裝類似本地虛擬實(shí)驗(yàn)室的軟件，安裝更為方便，使用成本更低，而且服務(wù)器端的軟件可以隨時(shí)升級(jí)更新，為學(xué)生提供最適宜的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)和其他同學(xué)共同合作實(shí)驗(yàn)，教師也可通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，其互動(dòng)性非常明顯。因而，大力構(gòu)建和推廣基于Web的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是發(fā)展遠(yuǎn)程教育的重要措施，是實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要途徑之一，具有很高的實(shí)用價(jià)值和很好的發(fā)展前景。

3.基于云計(jì)算的虛擬實(shí)驗(yàn)室。提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱作“云”。云計(jì)算是通過網(wǎng)絡(luò)按需提供動(dòng)態(tài)的廉價(jià)計(jì)算服務(wù)。它使教育教學(xué)對(duì)信息服務(wù)的需要得到最大的滿足。隨著云計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展，遠(yuǎn)程互動(dòng)云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。它可以通過網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源共享，使得基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源利用效率更高，實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)效果更好。

當(dāng)然，無論虛擬實(shí)驗(yàn)多么接近真實(shí)，優(yōu)勢多么明顯，它都不能取代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵谡鎸?shí)實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)故障的分析及排除等來培養(yǎng)學(xué)生的能力在虛擬實(shí)驗(yàn)中是不可能完全做到的。虛擬實(shí)驗(yàn)只是一種新的教學(xué)輔助手段。我們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，就能夠更合理、更好地利用它。

（責(zé)編 王學(xué)軍）

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