淺談虛擬實驗在中學物理實驗教學中的應用

◎ 吳寶華

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學是中學物理教學的重要組成部分。豐富多彩、生動有趣的實驗教學是將理論和實際相結合的有效方法，也是激發學生對物理學科持久興趣，發展學生智力，培養學生能力，提高物理教學質量的重要手段。在中學物理實驗教學中，部分經濟欠發達的縣區中學，特別是廣大的農村中學，由于受到常規實驗器材的限制，實驗效果不如人意。而利用現代信息技術建立的虛擬實驗室則可以模擬一些重要的但在現實實驗室中難以完成的物理實驗，則可彌補常規實驗教學的不足，提高物理實驗的演示效果。現就如何在物理教學中開展虛擬實驗，結合自己的一些嘗試進行探討。

虛擬實驗就是利用以網絡技術和多媒體技術為核心的信息技術，將媒體技術、課程資源和技術手段完美地融合到物理實驗教學中。教師通過開發一些適合教學的實驗軟件，利用網絡環境下的“仿真實驗室”“幾何畫板”等資源所進行的虛擬實驗，可以代替部分實際的實驗環境，有力的支持實際實驗，從而突破現實實驗教學的時空限制，輔助實際實驗的教學。具體來說，虛擬實驗在物理教學中的應用主要表現在以下三方面。

一、利用多媒體課件，增強演示效果

物理是一門以實驗為基礎的學科，演示實驗是中學物理實驗教學中很重要的一個環節。由于客觀條件的限制，一些實驗用常規儀器演示的效果不盡如人意，甚至根本無法給學生演示。例如，講《自由落體運動》一節進行牛頓管實驗時，由于玻璃管中空氣抽不凈，演示時都是鐵片先落羽毛后落，從而導致給學生形成錯誤的印象，即重的物體比輕的物體落得快。而筆者用多媒體課件模擬演示了牛頓管中充滿空氣，抽出部分空氣和真空三種情況下鐵片和羽毛下落快慢的對比，整個模擬實驗過程流暢、直觀、明了，從而使學生對該實驗有了一個清晰理解。再比如α粒子散射實驗。現實中無法演示，而應用多媒體的三維動畫進行動態模擬演示，使學生猶如進入了微觀世界，印象非常深刻，從而很好地理解和掌握了這些微觀理論。所以，我們應當充分發揮虛擬實驗的優勢，對那些難以觀察到的、復雜的、困難的實驗進行模擬，作為常規實驗的補充，并將兩者結合起來，使實驗教學上升到一個新的層次，從而有助于學生發現規律、獲得知識，提高學生的科學文化素質和實驗技能。

二、利用網絡技術，發揮學生自主探究作用

在傳統物理實驗室，一方面由于怕發生意外和造成實驗儀器的損壞，有許多實驗室規章制度以及各種相關實驗儀器的操作規程，對學生諸多限制；另一方面由于實驗環境和實驗條件的制約，實驗結果往往偏差較大，這些也暴露出了傳統實驗的弊端。以模擬實驗為基礎的多媒體教學，讓學生在網絡環境下進行虛擬實驗，則可以解決這一問題。如在電學實驗的傳統教學中，一定要告知學生，操作臺上的旋鈕不能隨便亂動，電壓表的接線柱不能接反，電流表不能超過量程，電池組不能短路等等。這些規定無形中扼殺了學生的創造性思維，阻止了學生對問題的深入探究。而有些學生自主意識很強，會偷偷進行一些“違規操作”，最終損壞了儀器。但在網絡環境下采用“仿真物理試驗室”的虛擬電學實驗，學生通過模擬實驗操作自主探究，從而掌握學習成果和學習方法。這樣既可保護實驗儀器又能培養學生的探究意識和探究技能，并能將很多傳統實驗做到再現。

這種虛擬實驗為學生提供了完善的開放性的實驗操作環境，解決了現實實驗中的諸多難題，既激發了學生學習物理的積極性，又能夠培養學生自主探究學習的能力，并促使他們建立科學的世界觀。

三、利用現代信息技術，進行虛擬實驗考試

實驗考試是對實驗教學效果進行評價的重要手段。在實際實驗室中，考查學生的實驗技能需要投入大量的人力和物力，同時也只能選取數量較少的實驗測試，致使考查的廣度不夠，缺少靈活性。

利用信息技術建立的虛擬實驗室，呈現一個近乎真實的物理實驗環境，讓學生模擬完成各個實驗操作，既可高效快速地完成實驗技能的檢測目標，又可以增加考試容量，擴大考試范圍，實現物理實驗的全面考查。同時又能考查實驗的某個環節，增加了考試的靈活性。

同時要特別提出的是，虛擬實驗只是實驗教學的輔助手段，決不能取代實際的實驗操作。虛擬實驗有助于概念、原理的理解，培養學生解決問題的方法和能力，但無論怎樣都無法取代現實實驗對學生動手能力的培養，實驗教學應該以提高學生動手能力和創新能力為宗旨。

虛擬實驗正朝著更理性、更廣闊、更深層的方向發展，我們有理由相信，虛擬實驗在將來的物理教學中將大有作為。