信息化時代背景下物理實驗室的管理與發(fā)展

耿雪紅

摘 要：物理實驗是中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分，隨著信息化普及程度的日益增高，物理實驗室的管理與發(fā)展面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。本文通過對物理實驗室的作用與管理、傳統(tǒng)物理實驗室存在的問題、虛擬物理實驗室的建立、虛擬物理實驗室的優(yōu)點、虛擬物理實驗室的不足、物理實驗室發(fā)展的前景等方面的論述，探討了互聯(lián)網(wǎng)時代虛擬物理實驗室的現(xiàn)狀與未來發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：物理實驗室；虛擬物理實驗室；網(wǎng)絡(luò)化

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2016）17-0320-065

一、物理實驗室的作用與管理

物理學(xué)是基礎(chǔ)性學(xué)科，也是實踐性學(xué)科。物理實驗是物理學(xué)的核心組成部分，是物理學(xué)產(chǎn)生及發(fā)展的基礎(chǔ)。只有通過實驗，學(xué)生才能將課堂上學(xué)習的理論與實踐結(jié)合起來，在實踐中理解課本中的知識。

為了讓學(xué)生最大限度地利用物理實驗室，在實驗室管理方面應(yīng)遵循如下原則：

1.服務(wù)性原則：實驗室管理員要為學(xué)生的學(xué)習提供最好的服務(wù)，準備好充足的實驗器材，按時開放實驗室，保證每一個學(xué)生都能順利完成實驗。

2.開放性原則：實驗室不僅要按照課本的要求提供實驗條件，還要根據(jù)具體的實驗、結(jié)合其他教材與教師密切合作，把實驗室的工作與教師的課堂教學(xué)緊密相連，讓實驗室成為課堂的延伸。

3.安全性原則：物理實驗中，安全性是至關(guān)重要的。像部分電學(xué)實驗、光學(xué)實驗，都帶有一定的危險性，實驗室管理人員的責任十分重大，一定要盡心盡責，保障安全。

4.方便性原則：實驗室既要方便學(xué)生，也要方便管理人員進行管理。方便性原則要求管理人員要具有較高的管理水平和較強的管理能力。

5.經(jīng)濟性原則：一般情況下，物理實驗器材的消耗量不大，但也應(yīng)該遵循經(jīng)濟性原則，盡可能地節(jié)約實驗器材，從而為更多的學(xué)生提供實驗條件。

二、傳統(tǒng)物理實驗室存在的問題

1.驗證性實驗居多，設(shè)計性、探索性實驗不足，影響了學(xué)生做實驗的積極性，降低了物理實驗的吸引力。傳統(tǒng)物理實驗的過程是：教師在課堂上講解實驗理論，然后示范實驗過程；學(xué)生在實驗室中按步驟模仿教師，完成實驗。

這類實驗的過程、目的、方法、步驟、結(jié)果都是預(yù)知的，學(xué)生只是重復(fù)一遍過程而已，對學(xué)生的吸引力十分有限。

2.低水平的實驗居多，多是依靠簡單的裝置就能完成的小實驗，實驗設(shè)備粗糙、簡陋，實驗數(shù)據(jù)誤差較大。而高水平的物理實驗往往具備高檔次的儀器設(shè)備，成本很高，無法普及，更無法讓每個學(xué)生都參與操作。高水平的實驗多是教師演示一下即可，學(xué)生只能觀看。

3.實驗次數(shù)、實驗時間不足，經(jīng)常有學(xué)生還未完成實驗就下課的現(xiàn)象出現(xiàn)。

4.封閉型管理，實驗室無法與其他學(xué)校溝通交流。

5.實驗室管理人員工作量大，工作繁重。

6.理論教學(xué)與動手實驗經(jīng)常不同步。由于實驗室與教室教學(xué)的工作進度不一樣，理論教學(xué)與實驗安排常常脫節(jié)。講理論時，實驗室安排不開；等安排開了，理論教學(xué)早進行到其他部分了。

三、虛擬物理實驗室的建立

信息技術(shù)的發(fā)展為虛擬物理實驗室的建立創(chuàng)造了條件。虛擬實驗室，即用數(shù)字技術(shù)在電腦上模擬實驗室中的設(shè)備、實驗過程和實驗數(shù)據(jù)，最終形成數(shù)字化的實驗結(jié)果的電腦虛擬實驗室。目前，使用最多的虛擬實驗室開發(fā)軟件主要有JAVA、ActiveX控件、VRML、QuickTimeVR等技術(shù)。每個虛擬實驗系統(tǒng)均由若干個子模塊構(gòu)成，每個模塊均承擔著不同的任務(wù)，來共同完成模擬實驗。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗室的軟件水平會不斷提高，仿真度也會越來越高。

四、虛擬物理實驗室的優(yōu)點

1.仿真性：虛擬實驗室中的虛擬設(shè)備，完全模仿現(xiàn)實實驗室中的設(shè)備，所需物理數(shù)據(jù)完全采自現(xiàn)實設(shè)備，具有相同的物理特性。

2.智能性：虛擬的物理設(shè)備有大的數(shù)據(jù)庫作基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)交互反饋、自動糾錯等智能化功能。

3.易用性：可以根據(jù)實驗內(nèi)容隨時改變數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生新的實驗條件。

4.易維護性：純數(shù)字操作，維護工作簡單易行。一個班的學(xué)生做完實驗，管理人員只需保存數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)清零，下一個班即可開始新的實驗。

5.交互性：由于是數(shù)字化操作，很容易實現(xiàn)人—機交互和人—人交互。交互性的提高，將使實驗教學(xué)的教學(xué)效率大幅度提高。

6.開放性：虛擬實驗室可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)共享和遠程操作。學(xué)生只需用賬號登錄，即可在任何可以上網(wǎng)的地方進行物理實驗，這將大大提高實驗室的利用率。

7.經(jīng)濟性：在虛擬實驗室中，實驗都是數(shù)字化運行，成本幾乎為零。特別是對于一些高成本耗材的物理實驗，可以在電腦中無數(shù)次重復(fù)進行，其經(jīng)濟性顯而易見。

五、虛擬物理實驗室的不足

虛擬物理實驗室的優(yōu)勢很明顯，但其不足之處也不容忽視。虛擬物理實驗室的設(shè)備都是數(shù)字化的，與真實環(huán)境下的真實物理實驗相比，實際上有著不小的距離。因此，虛擬物理實驗，只能部分替代真實的物理實驗，一些目前還無法數(shù)字化的實驗因素還無法在虛擬實驗中再現(xiàn)，比如材料的味道等。另外虛擬實驗對真實實驗的模仿，其精確度也是有限的，一些細節(jié)問題可能無法模擬。雖然這個問題可以隨著設(shè)備先進性的提高而得到一定程度的緩解，但虛擬實驗永遠無法達到真實實驗的水平。

六、物理實驗室發(fā)展的前景

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)的實現(xiàn)，給虛擬實驗室技術(shù)帶來了發(fā)展契機。開放性、動態(tài)化將使得虛擬實驗室的水平高速發(fā)展，其精確度將不斷提高，復(fù)雜性將日益豐富，交互性、開放性也將達到新的高度。在今天科技飛速進步的背景下，虛擬物理實驗室的發(fā)展前景一片光明。

參考文獻：

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[責任編輯 吳海婷]