探究高中物理虛擬仿真實驗教學

張秀峰

【摘 要】高中物理是普通高中學習的一門基礎課程，與九義務教育物理或科學課程相銜接，旨在進一步提高學生的科學素養。高中物理教學中物理實驗是一個重要的內容，也是物理教學的重要方法和手段。

【關鍵詞】高中物理；虛擬仿真；實驗

目前對于物理演示實驗的研究主要集中于在新課改的理念下，怎樣才能更好的結合演示實驗與學生在課堂上的主體地位，從而創建高效課堂；對于仿真物理實驗的研究大多也停留在仿真物理實驗的深入應用和設計方面，對于仿真物理實驗在實驗教學中應用優缺點的討論。對于仿真物理實驗的課堂應用效果研究較少。本文的主要內容在于研究物理課堂中的傳統演示實驗與基于flash的物理仿真演示實驗的優缺點的討論，哪種實驗更有利于教學設計。

一、關鍵概念解釋

探究即“深入探討，反復研究”，筆者認為探究是人們發現問題、搜集數據、形成解釋、解決問題從而實現從未知到已知的一個知識建構的過程。實驗是學生進行科學探究的重要途徑，是物理課程目標和內容的必要組成部分，學生學習和運用物理實驗技能和科學探究方法。

虛擬仿真實驗是指利用多媒體和仿真技術在計算機上對傳統的真實實驗中的各操作環節進行模擬，實驗者可以像在真實的實驗環境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。虛擬實驗建立在一個虛擬的實驗環境（平臺仿真）之上，而注重的是實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性。

二、高中物理實驗教學概述

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，在高中物理課程各個模塊中都安排了一些典型的科學探究或物理實驗。實驗是科學探究的重要方式，大體上可以分為如下四種：

A.儀器使用類實驗：如游標卡尺、彈簧秤的使用等；

B.測量類實驗：如測定勻變速直線運動的加速度；

C.驗證性實驗：如動量守恒定律的驗證等；

D.探究類實驗：如探究平拋物體的運動，探究加速度與力、質量的關系等。

三、虛擬仿真實驗的研究及應用現狀

目前最權威的仿真實驗教學系統是中國科技大學天文與應用物理系開發的大學物理仿真實驗教學系統，該成果在國內一些高校得到廣泛應用。這套軟件的特點在于采用面向對象技術建模，對儀器和器件實現模塊化，用數值模型建立儀器原理、實驗設計、操作的各種數學關系，用圖像模型表現操作的真實感，并用事件驅動方式將它們編制出來，使得這種軟件具有任意的操作性和真實的交互功能，實現可設計性和真實感。

與在高等學校中的發展和應用狀況相比，物理仿真實驗在普通高中階段仍然沒有很大的發展，很多高中物理仿真實驗，只是具有演示功能，離真正的交互實驗、學生自主設置實驗參數還有很大的距離。大多數只是在課堂上利用PPT來演示播放flash動畫讓學生觀察，并沒有讓學生自己去操作。因此很大部分的仿真實驗還不是真正的仿真！缺少開發高中物理仿真實驗的人才，也是物理仿真實驗在高中鮮有應用的原因，一般情況下懂物理實驗教學的人不懂軟件開發，懂軟件開發的人不懂物理實驗教學。

四、高中物理仿真實驗設計與實現的必要性與優越性

1.仿真實驗引入高中物理實驗教學的必要性

高中物理是普通高中科學學習領域的一門基礎課程，與九年義務教育物理或科學課程相銜接，旨在進一步提高學生的科學素養。高中物理課程有助于學生繼續學習基本的物理知識與技能；體驗科學探究過程，了解科學研究方法；增強創新意識和實踐能力，發展探索自然、理解自然的興趣與熱情；認識物理學對科技進步以及文化、經濟和社會發展的影響；為終身發展，形成科學世界觀和科學價值觀打下基礎。

2.仿真實驗在高中物理實驗教學中的優越性

仿真實驗在高中教學中應用，它不僅可以逼真地模擬實際的物理環境，也可以模擬實際的儀器，大量的真實實驗都可以用仿真實驗來模擬和再現。而且，仿真實驗有著真實實驗無法取代的優越性，這具體體現在：

（1）仿真實驗具有可擴展性。

（2）通過計算機仿真模擬一些重要的、在現實實驗環境下難以完成的物理實驗，則可彌補常規實驗儀器的不足，提高物理實驗的演示效果。

（3）仿真實驗在計算機虛擬的環境下，可以完成現實條件下不可能完成的實驗。

（4）對于真實實驗無法完成的抽象的物理現象和實驗室無法完成的真實物理圖景，仿真實驗都可以完成。

（5）仿真實驗可以突破客觀條件限制，是一種較好的“理想實驗”法。

五、虛擬仿真實驗的優勢和不足

Flash因其采用矢量圖，具有交互性，所以虛擬仿真實驗的圖形界面可以做的非常逼真，操作也可以做到非常簡單，比 Matlab 等軟件在界面處理上要好很多，有利于我們讓學生更直觀的了解一些危險性實驗。

由于 Flash 主要用于簡單動畫制作、動態文字制作、廣告設計等領域，其本身不擅長科學計算，有時計算明顯具有誤差，并且在多層循環時，響應速度已經相當乏力，如果再在多層循環中進行大量運算，忽略仿真效果，忽略響應時間的問題，動畫能也幾乎不能正常運行了。

Flash仿真實驗仿真程度仍然不夠高，數據和實驗結果太過理想，過于符合所研究的規律，并且在一些儀器故障的分析處理等方面與真實實驗差距較大。因此仿真實驗不能完全取代真實實驗。

這就要求我們教師要跟著時代的步伐，努力的擴充自己的知識，這樣才能與新的條件下的新技術結合起來，提高我們的課堂教學水平。