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虛擬實驗在物理教學(xué)中的優(yōu)勢和實現(xiàn)方式
【關(guān)鍵詞】虛擬實驗 物理教學(xué) 優(yōu)勢 實現(xiàn)方式
【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A
【文章編號】0450-9889（2012）11B-
0084-01
在物理教學(xué)中，實驗既是重要的教學(xué)內(nèi)容，也是重要的一種學(xué)習(xí)方式，它對于物理教學(xué)有著不可低估的作用。為了緊密配合新課程改革，豐富、優(yōu)化物理實驗教學(xué)，本文對虛擬實驗做一些探索。
一、虛擬實驗
虛擬實驗就是在電腦上將各種虛擬的儀器，按實驗要求組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)，同時在這個系統(tǒng)上“完成”整個實驗過程，包括原材料的添加、實驗條件的改變、數(shù)據(jù)的采集以及實驗結(jié)果的呈現(xiàn)、分析。虛擬實驗在廣義上似乎也是一種模擬實驗，但它在實驗的本體逼真性和應(yīng)用普適性，以及在給予實驗者的現(xiàn)場感受和實驗效果等方面，是傳統(tǒng)的計算機(jī)模擬實驗無法相比的。
二、虛擬實驗的優(yōu)勢
1.可彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足�，F(xiàn)在許多學(xué)校缺乏實驗器材，影響了學(xué)生實驗的進(jìn)行，嚴(yán)重制約著實驗教學(xué)。虛擬實驗室可以讓學(xué)生不受課堂的限制，自主地模仿真實實驗，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，同時能減少實驗儀器的購置、維護(hù)費(fèi)用。
2.便于學(xué)生自主探索研究。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，受時間、地點限制，有一定的局限性。而對于虛擬實驗來說，學(xué)生可以在課外在家中，根據(jù)自己的實際情況有針對性地進(jìn)行相關(guān)的實驗研究，獲得接近真實的實驗體會，從而能豐富學(xué)生的感性認(rèn)識，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解。
3.有利于激發(fā)學(xué)生的實驗興趣和學(xué)習(xí)熱情。虛擬實驗具有較強(qiáng)的直觀性和交互性，操作便捷，饒有趣味，因此能激發(fā)學(xué)生的實驗興趣和學(xué)習(xí)熱情。
4.有利于擴(kuò)大實驗和觀察的范圍。有些物理實驗不便觀察、不便操作，有些甚至不可能進(jìn)行。而利用虛擬實驗則可以進(jìn)行那些常規(guī)環(huán)境無法進(jìn)行的實驗，可以徹底打破空間的限制。大到宇宙天體，小到原子粒子，學(xué)生都可以很好地進(jìn)行“觀察”。一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，在虛擬實驗中可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)給學(xué)生。以往一些對于人體健康有危害甚至危及人身安全的實驗，一般采用觀看電視錄像的方式來取代。學(xué)生不參與實驗，就無法獲得感性認(rèn)識。進(jìn)行虛擬實驗，則可以彌補(bǔ)這個缺陷。學(xué)生在虛擬的實驗環(huán)境中，可以放心地去做各種實驗。
5.有利于發(fā)揮學(xué)生的想象力與創(chuàng)造性。虛擬實驗不同于一般的多媒體演示實驗，幾乎可以做到真實實驗?zāi)茏龅降囊磺�，加上虛擬儀器具有不怕?lián)p壞、數(shù)量不受限制等真實實驗沒有的特點，學(xué)生可以反復(fù)進(jìn)行實驗和觀察，具有很強(qiáng)的靈活性和可重復(fù)性。通過設(shè)計各種不同的方案進(jìn)行實驗，可以全面鍛煉學(xué)生的獨立思考、動手操作能力，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力與創(chuàng)造性。
6.有利于培養(yǎng)學(xué)生的信息處理能力。虛擬實驗可以記錄下全過程各個時刻的數(shù)據(jù)，并可以利用系統(tǒng)內(nèi)部的計算器或其它軟件來進(jìn)行處理，還可以根據(jù)需要繪制出相應(yīng)的實驗圖。這有利于培養(yǎng)學(xué)生的信息處理能力。
三、虛擬實驗的實現(xiàn)方式
1.基于本地計算機(jī)的虛擬實驗室。只要將具有仿真物理實驗功能的計算機(jī)軟件安裝到計算機(jī)上，學(xué)生便擁有了一個虛擬實驗的環(huán)境和平臺。這種軟件的主要特點是不受網(wǎng)絡(luò)的限制，安裝簡單，操作容易。其中，“仿真物理實驗室”是最常用的軟件。它面向中學(xué)物理課堂、物理教師和全體學(xué)生，具有全開放性，能給師生提供一個功能齊全、實驗器材非常完備的綜合性虛擬實驗室。利用它幾乎可以進(jìn)行所有的物理課堂教學(xué)實驗。師生可以在1分鐘內(nèi)制作一個彈簧振子或單擺的物理模型，在2分鐘內(nèi)完成驗證動量守恒的實驗，在幾分鐘內(nèi)制作一個粒子加速器的原理模型。它能讓學(xué)生進(jìn)一步加深對物理現(xiàn)象和規(guī)律的理解，使學(xué)生提高物理學(xué)習(xí)興趣，是中學(xué)物理課堂教學(xué)的有力助手。
“幾何畫板”是另外一個值得關(guān)注的基于本地計算機(jī)的虛擬實驗室軟件，也是全國中小學(xué)計算機(jī)教育研究中心推薦的適合中學(xué)物理教師使用的計算機(jī)軟件。它不僅能為教師提供一個制作課件的平臺，也能為學(xué)生提供一個進(jìn)行物理“實驗”的環(huán)境。通過仿真的實驗操作，可以幫助學(xué)生建立物理模型，進(jìn)一步加深對物理實驗的理解和研究。
2.基于Web的虛擬實驗室。現(xiàn)在許多學(xué)校已經(jīng)建立了校園網(wǎng)并與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，同時一些學(xué)校和教育網(wǎng)站還開發(fā)和搭建了基于Web（網(wǎng)絡(luò)）的虛擬實驗室平臺。利用基于Web的虛擬實驗室，學(xué)生就能夠模擬進(jìn)行許多物理實驗。由于這一平臺是基于Web開發(fā)的，師生只要擁有一臺聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)就可以充分利用這一資源，在電腦上只需要安裝簡單的客戶端軟件，而不需要安裝類似本地虛擬實驗室的軟件，安裝更為方便，使用成本更低，而且服務(wù)器端的軟件可以隨時升級更新，為學(xué)生提供最適宜的虛擬實驗環(huán)境。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)和其他同學(xué)共同合作實驗，教師也可通過網(wǎng)絡(luò)對學(xué)生進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，其互動性非常明顯。因而，大力構(gòu)建和推廣基于Web的虛擬實驗系統(tǒng)是發(fā)展遠(yuǎn)程教育的重要措施，是實現(xiàn)虛擬實驗室的重要途徑之一，具有很高的實用價值和很好的發(fā)展前景。
3.基于云計算的虛擬實驗室。提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱作“云”。云計算是通過網(wǎng)絡(luò)按需提供動態(tài)的廉價計算服務(wù)。它使教育教學(xué)對信息服務(wù)的需要得到最大的滿足。隨著云計算技術(shù)的高速發(fā)展，遠(yuǎn)程互動云計算虛擬實驗室已經(jīng)成為現(xiàn)實。它可以通過網(wǎng)絡(luò)動態(tài)地實現(xiàn)計算資源共享，使得基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源利用效率更高，實驗的互動效果更好。
當(dāng)然，無論虛擬實驗多么接近真實，優(yōu)勢多么明顯，它都不能取代真實的實驗，因為在真實實驗中通過對故障的分析及排除等來培養(yǎng)學(xué)生的能力在虛擬實驗中是不可能完全做到的。虛擬實驗只是一種新的教學(xué)輔助手段。我們認(rèn)識到這一點，就能夠更合理、更好地利用它。
（責(zé)編 王學(xué)軍）
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