淺析虛擬與真實物理實驗的教學整合

　　摘要：近年來隨著計算機軟件技術開發的進步，虛擬實驗室被應用到教學的各個領域。在物理教學中，虛擬實驗在很大程度上解決了真實實驗中遇到的困難，成為教學的好幫手，但同時虛擬實驗也有其負面作用。虛擬實驗與物理真實實驗教學整合的模式有待探討。
　　關鍵詞：虛擬實驗；真實實驗；整合；教學模式
　　
　　虛擬物理實驗與真實實驗教學的整合，就是要發揮虛擬實驗在實驗教學中的優勢。把虛擬實驗作為學生的學習工具，為學生建構一個培養創造能力的教學環境，培養學生的創造性思維和實踐能力。
　　一、物理實驗教學的兩種虛擬環境
　　1.課件。這是多媒體技術用于教學的最初表現形式，是多媒體技術和課程整合的最初形式，目前大多數教師都采用這種方法。教師可以使用計算機輔助教學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之中，也可以利用PowerPoint、flash、GIF［1］等軟件，將實驗過程和現象設計成模擬真實情況的多媒體課件，動態地展示實驗過程和理論模型，幫助學生理解所學知識。
　　動畫演示雖然有一定的動態性，但是它只是對物理現象和結論的定性的展示，它所展示的結果并不是由計算而得，而是被預先設定好，不具有交互性，它所有的動態過程都采用文件播放形式，形成一種模式比較固定的教學方式。
　　2.虛擬實驗。虛擬實驗是利用計算機創建一個可視化的實驗操作平臺，其中的可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設備，通過計算機外設操作這些虛擬的實驗儀器，即可進行各種實驗，達到與真實實驗相一致的教學過程。它是虛擬仿真技術、計算機技術和專業知識相結合的產品。學生可以自由地、無顧慮地隨時進入虛擬實驗室操作儀器來進行各種實驗，為實驗教學的改革提供了技術支持。
　　虛擬物理實驗室和真實物理實驗室的不同之處在于學生所處環境不同，虛擬實驗室中操作的不是真實的實驗儀器，而只是以軟件仿真來模擬的設備。
　　虛擬物理實驗室的使用旨在為物理教學創造一個易于操做的物理環境。它具有很強的交互性和構建性，對于學生來說，仿真實驗室是一個不錯的學習工具。
　　二、虛擬實驗與真實實驗整合的教學模式
　　1.課件演示為主的教學模式。這種教學模式就是在常規講解教學模式基礎上將多媒體技術作為新教學媒體使用，多媒體技術成為教師展示教學內容的工具。這一教學模式要求教師應熟悉多媒體教學課件的開發、使用。在演示實驗的基礎上，用課件模擬實驗的物理過程和結果，可使靜態事物動態化，抽象知識形象化，完成困難實驗的動畫模擬，進行實驗過程的動態分析。在做好實驗的基礎上應用動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，由表象到實質的“橋梁”，使學生認識實驗現象發生及變化的條件，然后再進行具體概括，形成概念、規律，歸納實驗現象的共同特征。
　　應當注意的是，我們在利用這些資源時，不能只停留在演示播放的水平上，要根據教學目標的要求，做好教學活動方式的設計，把它們作為認知工具，構建新型的教學模式。
　　2.虛擬實驗為主的教學模式。隨著軟件技術的發展，借助于多媒體技術和工具軟件創設的虛擬實驗室引入了我們的物理實驗教學，它為學生提供了全新的操作環境、為教師提供了開放性的教學平臺。虛擬實驗可以彌補真實實驗中誤操作導致儀器被損壞的不足，使學生可以自主地在“問題空間”里大膽地進行探究實驗，教師可以將更多的探究、分析、思考任務交給學生，使學生在教師的指導下由被動地實驗變為主動的探究，使學習過程呈現一種新景象。
　　3.學習包與主題學習網站模式。教師可以課前把與學習內容有關的課件、仿真實驗室工具軟件、聲像、文本資源等按章節或單元整理成文件包或者編輯成專題學習網頁后提供給每個學習小組，文件包儲存于學習機上供學生課前和課后查閱瀏覽。讓學生通過瀏覽學習包中的課件和主題學習網站針對學習內容自主地提出問題和設計實驗方案，通過網絡教室展示他們的學習成果，讓學生對此進行討論和完善，其他同學也可以提出新的方案進行補充，在整個過程中，教師只是對學生的學習過程進行組織和指導。讓學生通過對比受到啟發，找到自己的不足，從而使所學的知識得到升華，思維變得更開闊。這種模式為學生開展自主分層學習提供了可行性，學生可以通過瀏覽學習包和主題學習網頁中的資源，根據自己的學習興趣和自己的學習基礎調整學習內容，使每個學生都學有所得。
　　三、虛擬實驗與真實物理實驗教學整合的反思
　　1.虛擬實驗與真實實驗教學的有機結合。所謂有機結合，即處理好虛擬實驗與真實物理實驗、虛擬實驗與其它教學手段、虛擬實驗與教師講授之間的關系。
　　虛擬實驗有利于提高實驗效率與效果［2］，但虛擬實驗不能淡化真實物理實驗。真實物理實驗是學生獲得物理知識最直接的手段、最真實的經驗和最好的感性材料。虛擬實驗只能逼真，而不可能真實，不能試圖用虛擬實驗去代替真實物理實驗。實驗教學中難以進行、效果不好，需用電腦模擬的實驗，要將真實的實驗呈現給學生，講清實驗環境、實驗條件、實驗過程，再進行電腦模擬，將虛擬實驗與真實物理實驗結合起來。
　　物理實驗教學，實驗為其根本，我們必須加強實驗研究。在教學實踐中設計更合理的實驗過程，改進和制作物理實驗儀器，結合科學技術的發展，采用更先進的實驗手段。而且電腦模擬有其局限，如聲學實驗，演示噪音、樂音及其波形，除示波器外，我們要用錄音機，這種真實性是虛擬實驗不能達到的。有的模擬用投影、幻燈就可簡潔而形象地進行，也不必費時、費力去進行電腦模擬。
　　2.虛擬實驗教學的負面效應。不可否認，虛擬物理實驗應用于物理教學的確改變了物理的教學方式與學習方式，解放了學生學習的時間與空間，可以為學生創造出圖文并茂、豐富多彩、人機交互、即時反饋的學習環境，能充分地調動學生的多種感官去操作、觀察、猜想、歸納、類比來獲取知識，增強學生的自信心。在為信息技術整合物理實驗教學而歡欣鼓舞的同時，我們也應該清醒地認識到信息技術對物理實驗教學所產生的不良影響。如果僅僅將課件演示來代替演示實驗，虛擬仿真物理實驗代替學生的探究實驗，使教師成為操作員，形成了人與人的隔絕，忽視學生間合作與情感的交流，那就與整合背道而馳了。信息技術是把雙刃劍，使用得當，教師、學生受益；使用不當，教師的教學會缺乏激情，學生的記憶力、運算能力也得不到提高，對這種負面的影響我們決不能等閑視之。過分地依賴技術也會束縛人腦思維的開放性，使得人們的想象力受到限制。因此，要處理好信息技術下的虛擬實驗教學與傳統實驗教學的關系。
　　3.虛擬實驗教學要在設計上下功夫。虛擬實驗與物理實驗教學的整合需要在教學設計上下功夫，即如何設計使學生的人格、思維、智慧得到更大的發展。因此，要以建構主義、多元智能理論作為支撐點，全面審視信息技術環境下的實驗教學的結構、內容、實施等方面的設計問題，探尋整合的切入點。在設計的過程中要防止用虛擬實驗的過程代替學生的思維和操作過程。如：計算機可以進行快速的分析與運算，可以快速繪圖與推理，所以教師在教學過程中就有可能不再關注學生的運算和分析問題、解決問題的能力的培養；教學中教師可能會顧此失彼，這樣做的結果勢必會使學生的物理素養下降。因此，樹立整合的科學設計觀對物理實驗教學的實施具有十分重要的意義。整合的設計觀要求把傳統的實驗教學與現代信息技術環境下的虛擬物理實驗教學有機地結合起來，提升學生對物理概念、規律及其現象本質的理解。整合的設計觀決不能游離于真實實驗，不能為了用信息技術而丟失了物理實驗的本來的特色，而是要全方位地關注學生、教師、資源的發展，在物理實驗教學的實施過程中與學生一起分享、共同承擔。整合的設計觀要求教師認真學習物理課程標準，明確教學目標，深入鉆研教材，挖掘知識之間的內在聯系，創造性地完成教學設計，實現整合的發展。
　　綜上，虛擬實驗，我們不能因為它的優點而讓它完全替代傳統的實驗儀器，也不能因為它不同于傳統儀器的操作方式而抵觸它，而要根據實驗的特點、學生的情況、教學的安排，適時選擇，揚長避短，合理有效、選擇性地利用它，發揮其最大的功效。
　　參考文獻：
　　［1］ 潘振寬.現代教育技術［M］.濟南：山東大學出版社，2008：86.
　　［2］ 周燕.虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用［J］.合肥工業大學學報，2008，22（5）：108.