浅析虚拟与真实物理实验的教学整合

　　摘要：近年来随着计算机软件技术开发的进步，虚拟实验室被应用到教学的各个领域。在物理教学中，虚拟实验在很大程度上解决了真实实验中遇到的困难，成为教学的好帮手，但同时虚拟实验也有其负面作用。虚拟实验与物理真实实验教学整合的模式有待探讨。
　　关键词：虚拟实验；真实实验；整合；教学模式
　　
　　虚拟物理实验与真实实验教学的整合，就是要发挥虚拟实验在实验教学中的优势。把虚拟实验作为学生的学习工具，为学生建构一个培养创造能力的教学环境，培养学生的创造性思维和实践能力。
　　一、物理实验教学的两种虚拟环境
　　1.课件。这是多媒体技术用于教学的最初表现形式，是多媒体技术和课程整合的最初形式，目前大多数教师都采用这种方法。教师可以使用计算机辅助教学软件或多媒体素材库，选择其中合适的部分用在自己的教学之中，也可以利用PowerPoint、flash、GIF［1］等软件，将实验过程和现象设计成模拟真实情况的多媒体课件，动态地展示实验过程和理论模型，帮助学生理解所学知识。
　　动画演示虽然有一定的动态性，但是它只是对物理现象和结论的定性的展示，它所展示的结果并不是由计算而得，而是被预先设定好，不具有交互性，它所有的动态过程都采用文件播放形式，形成一种模式比较固定的教学方式。
　　2.虚拟实验。虚拟实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作平台，其中的可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过计算机外设操作这些虚拟的实验仪器，即可进行各种实验，达到与真实实验相一致的教学过程。它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业知识相结合的产品。学生可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器来进行各种实验，为实验教学的改革提供了技术支持。
　　虚拟物理实验室和真实物理实验室的不同之处在于学生所处环境不同，虚拟实验室中操作的不是真实的实验仪器，而只是以软件仿真来模拟的设备。
　　虚拟物理实验室的使用旨在为物理教学创造一个易于操做的物理环境。它具有很强的交互性和构建性，对于学生来说，仿真实验室是一个不错的学习工具。
　　二、虚拟实验与真实实验整合的教学模式
　　1.课件演示为主的教学模式。这种教学模式就是在常规讲解教学模式基础上将多媒体技术作为新教学媒体使用，多媒体技术成为教师展示教学内容的工具。这一教学模式要求教师应熟悉多媒体教学课件的开发、使用。在演示实验的基础上，用课件模拟实验的物理过程和结果，可使静态事物动态化，抽象知识形象化，完成困难实验的动画模拟，进行实验过程的动态分析。在做好实验的基础上应用动画模拟再加以分析性的文字信息，形成由形象思维迈向抽象思维，由表象到实质的“桥梁”，使学生认识实验现象发生及变化的条件，然后再进行具体概括，形成概念、规律，归纳实验现象的共同特征。
　　应当注意的是，我们在利用这些资源时，不能只停留在演示播放的水平上，要根据教学目标的要求，做好教学活动方式的设计，把它们作为认知工具，构建新型的教学模式。
　　2.虚拟实验为主的教学模式。随着软件技术的发展，借助于多媒体技术和工具软件创设的虚拟实验室引入了我们的物理实验教学，它为学生提供了全新的操作环境、为教师提供了开放性的教学平台。虚拟实验可以弥补真实实验中误操作导致仪器被损坏的不足，使学生可以自主地在“问题空间”里大胆地进行探究实验，教师可以将更多的探究、分析、思考任务交给学生，使学生在教师的指导下由被动地实验变为主动的探究，使学习过程呈现一种新景象。
　　3.学习包与主题学习网站模式。教师可以课前把与学习内容有关的课件、仿真实验室工具软件、声像、文本资源等按章节或单元整理成文件包或者编辑成专题学习网页后提供给每个学习小组，文件包储存于学习机上供学生课前和课后查阅浏览。让学生通过浏览学习包中的课件和主题学习网站针对学习内容自主地提出问题和设计实验方案，通过网络教室展示他们的学习成果，让学生对此进行讨论和完善，其他同学也可以提出新的方案进行补充，在整个过程中，教师只是对学生的学习过程进行组织和指导。让学生通过对比受到启发，找到自己的不足，从而使所学的知识得到升华，思维变得更开阔。这种模式为学生开展自主分层学习提供了可行性，学生可以通过浏览学习包和主题学习网页中的资源，根据自己的学习兴趣和自己的学习基础调整学习内容，使每个学生都学有所得。
　　三、虚拟实验与真实物理实验教学整合的反思
　　1.虚拟实验与真实实验教学的有机结合。所谓有机结合，即处理好虚拟实验与真实物理实验、虚拟实验与其它教学手段、虚拟实验与教师讲授之间的关系。
　　虚拟实验有利于提高实验效率与效果［2］，但虚拟实验不能淡化真实物理实验。真实物理实验是学生获得物理知识最直接的手段、最真实的经验和最好的感性材料。虚拟实验只能逼真，而不可能真实，不能试图用虚拟实验去代替真实物理实验。实验教学中难以进行、效果不好，需用电脑模拟的实验，要将真实的实验呈现给学生，讲清实验环境、实验条件、实验过程，再进行电脑模拟，将虚拟实验与真实物理实验结合起来。
　　物理实验教学，实验为其根本，我们必须加强实验研究。在教学实践中设计更合理的实验过程，改进和制作物理实验仪器，结合科学技术的发展，采用更先进的实验手段。而且电脑模拟有其局限，如声学实验，演示噪音、乐音及其波形，除示波器外，我们要用录音机，这种真实性是虚拟实验不能达到的。有的模拟用投影、幻灯就可简洁而形象地进行，也不必费时、费力去进行电脑模拟。
　　2.虚拟实验教学的负面效应。不可否认，虚拟物理实验应用于物理教学的确改变了物理的教学方式与学习方式，解放了学生学习的时间与空间，可以为学生创造出图文并茂、丰富多彩、人机交互、即时反馈的学习环境，能充分地调动学生的多种感官去操作、观察、猜想、归纳、类比来获取知识，增强学生的自信心。在为信息技术整合物理实验教学而欢欣鼓舞的同时，我们也应该清醒地认识到信息技术对物理实验教学所产生的不良影响。如果仅仅将课件演示来代替演示实验，虚拟仿真物理实验代替学生的探究实验，使教师成为操作员，形成了人与人的隔绝，忽视学生间合作与情感的交流，那就与整合背道而驰了。信息技术是把双刃剑，使用得当，教师、学生受益；使用不当，教师的教学会缺乏激情，学生的记忆力、运算能力也得不到提高，对这种负面的影响我们决不能等闲视之。过分地依赖技术也会束缚人脑思维的开放性，使得人们的想象力受到限制。因此，要处理好信息技术下的虚拟实验教学与传统实验教学的关系。
　　3.虚拟实验教学要在设计上下功夫。虚拟实验与物理实验教学的整合需要在教学设计上下功夫，即如何设计使学生的人格、思维、智慧得到更大的发展。因此，要以建构主义、多元智能理论作为支撑点，全面审视信息技术环境下的实验教学的结构、内容、实施等方面的设计问题，探寻整合的切入点。在设计的过程中要防止用虚拟实验的过程代替学生的思维和操作过程。如：计算机可以进行快速的分析与运算，可以快速绘图与推理，所以教师在教学过程中就有可能不再关注学生的运算和分析问题、解决问题的能力的培养；教学中教师可能会顾此失彼，这样做的结果势必会使学生的物理素养下降。因此，树立整合的科学设计观对物理实验教学的实施具有十分重要的意义。整合的设计观要求把传统的实验教学与现代信息技术环境下的虚拟物理实验教学有机地结合起来，提升学生对物理概念、规律及其现象本质的理解。整合的设计观决不能游离于真实实验，不能为了用信息技术而丢失了物理实验的本来的特色，而是要全方位地关注学生、教师、资源的发展，在物理实验教学的实施过程中与学生一起分享、共同承担。整合的设计观要求教师认真学习物理课程标准，明确教学目标，深入钻研教材，挖掘知识之间的内在联系，创造性地完成教学设计，实现整合的发展。
　　综上，虚拟实验，我们不能因为它的优点而让它完全替代传统的实验仪器，也不能因为它不同于传统仪器的操作方式而抵触它，而要根据实验的特点、学生的情况、教学的安排，适时选择，扬长避短，合理有效、选择性地利用它，发挥其最大的功效。
　　参考文献：
　　［1］ 潘振宽.现代教育技术［M］.济南：山东大学出版社，2008：86.
　　［2］ 周燕.虚拟仿真技术在大学物理实验教学中的应用［J］.合肥工业大学学报，2008，22（5）：108.