數字化信息系統與虛擬實驗平臺在物理教學中的應用

丁健雯

（無錫工業高級技工學校 江蘇 無錫 214000）

數字化信息系統與虛擬實驗平臺在物理教學中的應用

丁健雯

（無錫工業高級技工學校 江蘇 無錫 214000）

物理課程與信息技術的整合是新課程關注的重點領域之一，數字化信息系統（DIS）與虛擬實驗平臺進入物理實驗教學是其具體表現。本文以現代教學技術的理論為指導，從現代教學理念的角度，通過對DIS和虛擬實驗平臺的構成要素、技術特征和在教學中的地位作用的深入分析，探討了DIS和虛擬實驗平臺在物理教學中的應用特點和整合應用，并總結了虛擬實驗教學與DIS實驗教學整合的教學體會。

數字化信息系統（DIS）；虛擬實驗平臺；物理實驗

現代物理教學理念，強調在教學過程中學生主動學習，使學生提高興趣而獲取知識，擺脫學生對知識的被動接受和教師對知識結論論證的注重。因此，從強調單純積累知識向強調探求知識方向轉變，是物理教學的改革重點。重視學習過程的科學性和學生觀察能力與解決問題能力的培養，構成了現代物理教學的基本原則。有效地體現現代物理教學理念需要采取科學的教學方法，而通過有效實驗形式，提高學生在學習過程中形成概念、發現規律、建立理論等能力，成為了物理教學的關鍵所在。

采用數字化信息系統DIS（Digital Information System）的實驗技術，是由“傳感器+數據采集器+實驗軟件包（教材專用軟件、通用擴展軟件）+計算機網絡”構成的新型實驗系統。DIS實驗技術，不但克服了傳統物理實驗儀器的諸多弊端，而且可以重點培養學生的學習興趣，促進知識的融會貫通，支持了信息技術與物理教學的全面整合，是教學確立現代物理教學觀的關鍵。虛擬實驗平臺的引入，拓展了DIS的適用場合，為DIS帶來了一場改革。

DIS系統與虛擬實驗

DIS系統由傳感器系統、計算機網絡和DIS系統軟件（實驗軟件包）組成，系統的主要功能是對各種物理量，如電流、電壓、壓強、溫度、聲波、位移、力、磁、光等，通過多種傳感器實時、動態地測量，轉化成電信號，通過計算機網絡送入計算機系統，并由對應的實驗軟件包顯示各物理量和物理過程以及各物理量之間的關系。DIS系統軟件是針對物理教學與物理實驗研發而成的，它可以完成物理教學涉及的演示實驗和學生實驗，具有簡潔、易用、貼近教學、可重復可驗證等特點，并且可以自行進行必要的二次開發與實驗設定，具備物理實驗過程顯示、物理量的曲線顯示、分析擬合計算、實驗結果存儲等擴展功能，更適于對物理概念與物理過程的分析研究。可以將DIS理解為一個復雜物理試驗系統的簡化系統，它通過科學計算和計算可視化技術，將不可見的物理現象圖形化，更有利于人們對物理現象的理解。

在物理實驗中使用DIS實驗技術，可以采用多種實驗測量手段和數據處理方式，提高學生理解實驗原理和物理規律的能力，大大增強學生學習物理的興趣。在實驗準備、測量數據、分析問題、處理結果等過程中，物理問題體現得更集中、更形象，學生就會有更多的想象空間去發現、思考和解決實驗中出現的問題，從而為學生學習的自主性、探究性和交互性提供了技術保證，也為物理教學的有效性提供了重要的保證。

雖然DIS實驗技術在物理實驗教學中具有重要的作用，但由于受到硬件環境的限制，學校往往不會大規模地配備DIS實驗設備。DIS實驗設備嚴重不足，多數學生在課堂上就只能看教師做演示實驗，自己不能動手實驗，教師就很難對每名學生的物理實驗過程進行指導與評價。學生的實驗學習次數少，時間短，僅限于課堂上看教師做，課后幾乎沒有動手操作，將直接影響物理實驗教學的質量與水平，導致難以完成課程標準所提出的教學要求。

引入虛擬實驗教學，是有效解決DIS面臨問題的有效手段。虛擬實驗應用了三維虛擬技術，為學生提供了一個虛擬實驗場景，其對DIS物理實驗的過程記錄與回放功能，能有效起到教學演示作用，最大限度地縮小真實實驗與虛擬實驗的差異。虛擬實驗平臺能為學生提供人手一套虛擬實驗設備，使學生在計算機上的操作就如同對DIS的操作一樣。同時，網絡技術的發展使得虛擬實驗教學可以遠程開展。

DIS與虛擬實驗平臺結合的教學優勢

在物理教學中，不可否認的是真實物理實驗的重要性和不可替代性，虛擬實驗是不能替代真實物理實驗的，當前物理實驗教學最缺少的就是物理實驗。很大一部分學校的實驗條件遠不能滿足教學要求。鑒于現實情況，建立一個將DIS和虛擬實驗相結合的實驗平臺，將在相當大程度上達到物理實驗教學實際需求，也利于學生物理實驗的開展。

將DIS與三維的虛擬實驗平臺相結合，使學生能看到教師所做的真實演示實驗（如果條件允許也可以由學生自己做），演示實驗的過程和結果被虛擬實驗平臺真實地記錄下來，然后學生就可以在計算機上自己動手做虛擬實驗。這樣，學生一學期內有限的幾次實驗就轉變為通過三維虛擬實驗平臺不限時段地做實驗，一套DIS實驗設備通過三維虛擬實驗平臺轉變為人手一套實驗設備的實驗環境。學生通過虛擬實驗平臺可以在課后和家中設計和重復物理實驗，對提高學生的實驗學習興趣和增強實驗經驗感受是十分有利的。

學生在進行虛擬實驗的過程中會遇到困難，需要教師的指導和幫助。為了在不同時段都能給學生提供指導和幫助，教師可以在實驗前，根據實際教學經驗編程制作實驗提要，在學生實驗中提供在線“面對面”幫助，在學生實驗后提供實驗結果的判定和過程的評判。這樣教師的教學和學生的學習將從傳統的教學模式中解放出來，由一對多的課堂模式變為一對一的指導教學模式。

不同學生的自主學習能力和積極性也是不同的，虛擬實驗平臺需要為每一名學生構建合適的實驗學習平臺。教師也能在實驗設計與輔導過程中體現教學指導的靈活性、有效性及針對性。在通常的物理實驗教學中，受班級授課模式和課時的限制，教師難以對每一個實驗小組和每一名學生遇到的實驗問題進行細致且有效的指導。在虛擬實驗教學與DIS實驗教學整合教學模式下，教師可通過虛擬實驗平臺的功能優勢，事先把實驗操作步驟、實驗注意事項以合適的方式錄制下來，變成學生在實驗過程中的在線幫助，若有學生在虛擬實驗中需要幫助，可以通過錄像回放和實驗提示請求幫助，還可以通過類似QQ聊天的模式進行文字、語音和視頻的交互，避免了“一人有病大家都吃藥”的現象。通過虛擬實驗平臺，教師的個別指導可大大提高效率。遇到個別問題，教師不必在全班講解，可以在小范圍內指導學生。

另外，采用虛擬實驗平臺，教師還可以把主要精力用在關注學生的實驗方法、實驗過程、實驗結果、實驗評價上，關注學生對實驗物理量之間關系的理解，關注學生的實驗操作技能水平，關注學生的科學態度和合作方式等。

虛擬實驗教學與DIS實驗教學整合的實施

物理學是自然科學的基礎，體現了高新技術發展方向，要提高物理學教學質量，關鍵在于教師在教學中激發學生對物理的興趣，真正讓學生通過實際操作掌握物理原理和方法。

虛擬實驗教學與DIS實驗教學的整合，能解決當前物理實驗教學經費的不足，彌補學生實際操作實驗經驗的不足。但是，任何虛擬實驗教學與DIS實驗教學都不是萬能的，有優勢，也都有不足。我們要做的工作是發揮它們各自的優勢，注意把握好協調和互補的關系，把工作重點放在實驗設計與材料準備上。

物理現象就在我們的周圍，通過對現象的提問和復現，會讓學生感到物理的生動有趣，與生活密切相關。如男生比較關注汽車，和汽車相關的問題就有許多：汽車駕駛室外面的觀后鏡為什么用凸鏡？車頭燈里的反射鏡又為什么用凹鏡？當解釋了這些物理現象后，采用虛擬實驗平臺和DIS，學生就可以通過實驗的方法解釋并進一步上升到概念與理論，進而認識到物理的重要性和普遍性，對物理學的求知態度也會從被動轉為主動，對物理的興趣也能被激發出來。

物理教學內容包含了近代或現代物理學的最新進展及在現代科學技術中的應用，如光纖技術在網絡中的應用。因此，在物理教學中應該反映出這些新技術在實際中的應用及滲透。然而，這些物理實驗是不可能在學校實驗室中完成的。但基于DIS，我們可以將某些物理現象的結果表現出來，再結合虛擬實驗平臺，就可以將深奧的理論可視化，進而深化學生對現代物理的理解。因此，教師在平時除了悉心備課、認真鉆研教材外，還應注意物理科學的新動向，有選擇地給學生介紹一些理論信息和事實材料，并利用虛擬實驗平臺動態添加一些實驗模塊，讓學生及時了解最新的物理科學進展。

網絡上有豐富的學習資源，上網是學生非常喜歡的活動。應合理引導，把學生上網與物理實驗聯系起來，增強學生對物理學習的興趣，提高學生的推理能力和知識外延能力。對于計算機能力比較強的學生，還可以引導他們幫助教師完成虛擬實驗的設計制作，通過實踐提升學生的成就感，激勵學生探索物理之奧妙。

[1]任俊仙.DIS與物理實驗教學的整合[J].中國教育信息化，2010（18）：41-42.

[2]王育杰，王昭君，梁志華.虛擬實驗教學與DIS實驗教學的整合研究[J].中國電化教育，2009（7）：92-94.

[3]單美賢.虛擬現實與教育相結合的理論依據[J]開放教育研究，2001（6）：23-24.

[4]馬如宇，卓敏.DIS數字化信息系統在中學物理實驗教學中的應用研究[J].中國現代教育裝備，2001（8）：36-38.

（本欄責任編輯：謝良才）

G712

A

1672-5727（2012）07-0175-02

丁健雯（1963—），女，江蘇如皋人，無錫工業高級技工學校高級講師，研究方向為普通物理、電子技術及信息技術。