仿真實驗在中學物理實驗教學中的應用

朱麗镕 羊波

玉溪師范學院教育技術系 云南玉溪 653100

1 引言

隨著計算機技術的迅猛發展，各種媒體技術在教學中得到廣泛的應用。特別是在具有實驗性的課程教學中，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的教學方式。學生具有了豐富的學習資源，增強了自主學習能力，仿真實驗在高校的教學中取得顯著的成效。

伴隨著教育改革的不斷深化，全國實行了九年義務教育，高中教育得到基本普及，在校的學生逐漸增多，導致傳統的實驗室已經不能夠滿足學生的需求。而物理實驗卻貫穿于整個物理學習中，由于物理實驗操作復雜，學校實驗器材欠缺，實驗環境受限，實驗可控性較差等原因，影響了物理實驗教學效果，不利于學生對物理理論知識的學習和培養學生的觀察能力。

仿真實驗室是計算機領域中的虛擬現實技術與實驗教學相結合的產物。它將實驗儀器、實驗環境、實驗環節等全部由計算機仿真系統來完成，既可以仿真傳統實驗，又可以仿真傳統教學實驗無法涉及的、條件要求很苛刻的實驗，使得一些在實際實驗中無法實現的實驗現象或者是難以觀察的實驗現象變得直觀明了[1]。仿真實驗的產生和發展給實驗教學注入新的血液，提升了學生對物理的熱情，改善了傳統實驗教學方式，提高了學生的學習效率，節省了學校資金。

2 中學物理實驗教學中應用仿真實驗的現實意義

目前我國普九教育基本實現，高中教育普及率不斷提高，在校學生漸漸增加，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，但學校的資源還相對欠缺。由于各個地區和學校級別的不同，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云南省怒江州各個學校的調查中發現，各個學校的實驗配備數量不足，都未達到教育部教學儀器研究所2007年5月18日發布的《物理實驗室的裝備要求》的指標[2]。對我國5個省份的22所學校進行的調查結果顯示，所有學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準看，有超過1/3的學校沒有達到實驗室配備標準的要求，既沒有達到教育部標準也沒有達到本省標準的占22.7%[3]。盡管大多數學校物理實驗能夠達到教育部2000年頒布的物理實驗教學儀器配置的標準，但從配置標準來看，實驗室能容納的學生人數非常有限，當學校的學生人數增加時，實驗設備不能及時增加。因此，傳統的實驗配置不能及時適應現代教育教學的改革。

2.1 傳統實驗自身的局限性

傳統實驗室的設備要專門的人員進行日常維護及管理，花費成本較高；中學物理的部分實驗受環境因素的影響，在傳統實驗室里很難正常開展；有的實驗操作復雜，要求精確度高，操作的不規范性會影響實驗結果，會誤導學生對實驗的認識。在對云南省的部分中學進行的調查中，發現竟無一所中學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的人員，需要花費經費，管理麻煩；其次是學校課程安排緊，課余時間少。傳統實驗室只有在課上為學生開放，實驗室的資源利用率較低，甚至有些學校的實驗室只是作為一個擺設，目的只是為了應付上級領導的檢查和參觀而已，并沒有實際投入使用。

2.2 仿真實驗在教學中的應用符合教育信息化的趨勢

隨著計算機技術的發展，人機交互、網絡教學等現代教學資源漸漸應用到教育活動中，仿真實驗在教學中的應用符合現代教育技術信息化教育模式的發展方向，克服了傳統實驗在儀器配備上的不足和時空的限制。把仿真實驗應用到中學物理實驗教學中，不僅克服了傳統實驗所存在的局限性，同時促進了中學物理實驗教學的改革和發展。

3 仿真實驗應用到中學物理實驗教學中的優勢

仿真實驗應用到中學物理實驗教學中無疑在培養學生興趣、教學資源利用及彌補傳統實驗不足方面都有優勢。

3.1 仿真實驗有利于培養學生對物理學的興趣

物理學作為一門以觀察和實驗為基礎的學科，實驗是其重要的一部分。中學的物理實驗由力學實驗、電學實驗、熱學實驗、光學實驗和近代物理實驗共同構成。傳統的實驗教學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，這樣枯燥的學習氛圍會讓學生失去對實驗的興趣，漸漸對物理課程失去信心，所以很多學生都覺得物理很難學。興趣是最好的老師，然而在對學生學習狀況的問卷調查中，發現目前有相當多的學生學習興趣低，學習積極性不高，部分學生對學習感到厭倦、煩惱[4]。因此，在中學物理教學中，教師應該注重對學生的學習興趣的培養。在中學物理實驗教學中采用仿真實驗，將有利于培養學生對物理的興趣，提升學生對物理知識學習的積極性。

3.2 仿真實驗無時空局限性，使得教學資源得到充分的利用

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

3.3 仿真實驗彌補了傳統實驗中存在的不足

仿真實驗作為一種學習軟件，可將有難度的實驗設置預習階段，只有預習后方能進行實驗，這樣能監督學生進行實驗前的預習過程。在傳統實驗教學中，很多學生在實驗前并沒有實驗預習，但教師不可能給大家時間進行預習，于是直接進入實驗室就開始做實驗，這樣不僅影響了實驗的進度，還讓學生厭惡實驗教學。在傳統的實驗室里，復雜的實驗受條件的影響無法將實驗過程重現，這樣很容易忽略重要的細節。而仿真實驗具有重現能力，讓一個實驗多次重現，直至學生掌握該實驗為止。仿真實驗室不僅能夠實現真實實驗室能實現的實驗，還能實驗一些真實實驗室無法實現的功能。特別在中學物理的光學實驗部分，因為光學實驗對環境的要求甚高。仿真實驗能夠實時顯示測量結果，并能提供多種實驗方法和設計平臺，有利于培養學生的設計思考能力和比較判斷能力，可以達到操作實驗難以實現的效果[5]。傳統的實驗室總是要花費許多資金來維護和管理，采用仿真實驗可大大節省資源和學校經費。

4 應用仿真實驗在中學物理實驗教學中存在的問題

首先，人們容易錯誤地把仿真實驗用來完全替代傳統實驗。仿真實驗具有的高度逼真、重現能力強、資源節約性、良好的人機交互功能等，在實驗器材較為缺乏的條件下，彌補了傳統實驗的不足，從而在教育教學中得到廣泛的應用。仿真實驗在教學中的廣泛推廣，導致部分教師完全用仿真實驗來替代傳統的實驗，這不利于培養學生的創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的程序，一般實驗都能完美無缺地進行，實驗結果與理論分析完全一致，學生很難在實驗中思考新問題，在一定程度上禁錮了學生的創新思維。因此，計算機仿真實驗不適用于創新性的探索實驗[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練作用。任何事物都有兩面性，仿真實驗在中學物理實驗教學中有好的方面，同時也存在一些缺陷。仿真實驗只是帶領學生進入一種近似真實的實驗環境中，但實驗的操作只需要學生用鼠標點擊即可進行，實驗過于理想化，將會使學生忽略實驗的細節，這不利于嚴謹的學風的養成。仿真實驗雖然不受時空的限制，在任何時間都可以進行實驗，然而學生在實驗過程中遇到問題卻不能及時和教師進行溝通，減少了師生間的相互交流。仿真實驗能滿足學生獨自一人做實驗，而不像傳統的實驗教學中，通常以組為單位進行學習，這樣學生之間的相互交流學習機會減少了，不利于合作學習能力的培養。

5 在中學物理實驗教學中應用仿真實驗的思考

仿真實驗在中學物理實驗教學中的應用并不是都能提高實驗教學的效率，只是針對部分學校在實驗器材缺乏的情況下，不能開展傳統的實驗教學，采用仿真實驗可讓學生更直觀地觀察實驗現象，從而提高學生的學習興趣，利于實驗結論的記憶和應用。有部分學校雖然實驗器材配備完善，但實際的實驗教學開出率很低。在對山東省部分高中物理實驗儀器與使用情況的調查中發現，學校實驗沒有開出的主要原因是“教學時間緊張”[7]。針對因教學時間緊張而確實不能開展傳統實驗教學的學校，可利用仿真實驗來優化實驗教學效果。仿真實驗沒有時空的限制，學生可以課后進行實驗。在對云南省部分學校實驗器材的配備情況的調查中發現，演示類的實驗器材幾乎沒有配備，其原因是認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生大致明白實驗的一個現象。如高中物理中光學實驗部分，演示類實驗采用仿真實驗可以達到實驗教學的目的。

研究型實驗和設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生發現問題、分析問題，培養學生解決問題的能力。仿真實驗中只需要用鼠標點擊即可進行實驗，實驗趨向于理想化，這又如何來培養學生發現問題的能力？對于設計型實驗，采用仿真實驗雖然可以避免因錯誤操作而導致災難發生，但學生會形成為所欲為的態度，這樣的態度不利于培養嚴謹的科學觀。因此，在實驗教學中是否采取仿真實驗值得深思。

仿真實驗和傳統實驗在實驗教學中都有各自的優勢，教師應充分利用兩者的優勢來服務自己的實驗教學。首先，在實驗器材缺乏的實驗教學中，可采用仿真實驗來進行實驗教學；其次，在實驗環境要求較高、實驗較為復雜、花費時間較長的情況下，采用仿真實驗可提高教學的效率；再次，對于只要求學生掌握實驗現象的演示類實驗，采用仿真實驗進行實驗教學并沒有不妥。但在實驗器材裝備完善的學校，對于探究性實驗、研究型實驗，應該采用真實的實驗，有利于培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。對于實驗現象復雜的探究性實驗，可先在傳統實驗室里進行實驗，然后利用仿真實驗的可控性來觀察實驗的細節。

在物理教學中可根據具體的情況來進行實驗教學，利用仿真實驗和傳統實驗的有效結合和交替，優化中學物理實驗教學，改革傳統的教學方法，提高教學效率。

6 結語

中學物理課程是一門實踐性較高的課程，而在物理實驗教學中，存在部分實驗器材老化和缺乏、實驗環境復雜、學校資金短缺等情況。仿真實驗給傳統的實驗教學帶來新的變革，提高了學生的積極性。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的實驗，只有兩者有機結合并服務于中學物理實驗教學，才能更好為地國家培養具有創新能力、動手能力強、理論知識扎實的人才。

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

[2]楊同華.云南省怒江州中學物理實驗教學現狀調查研究[D].重慶：西南大學,2008.

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

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

[5]譚守標,霍劍青,王曉蒲.計算機虛擬技術在大學物理仿真實驗教學系統中的應用[J].中國科學技術大學學報,2005：429-433.

[6]張文英,巖帥.物理化學虛擬實驗教學法的應用[J].當代教育理論與實踐,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查研究[D].重慶：西南大學,2006.