虚拟实验室教学对中学物理教学的作用

石海

【摘要】虚拟实验室可以专门为中学物理教学开发应用软件，实现了信息技术与学科教学的整合。利用虚拟实验室运用到中学物理教学既提高了教学效果，又激发学生的学习兴趣，培养学生的创新能力和自主探究能力。

【关键词】虚拟实验室；中学物理教学；创新；自主探究

虚拟实验室是一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟器材库和开放式实验室管理系统组成。虚拟实验室为开设各种虚拟实验课程提供了全新的教学环境。虚拟实验台与真实实验台类似，可供学生自己动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的器材自由搭建任意合理的典型实验，或实验案例，这一点是虚拟实验室有别于一般实验教学课件的重要特征。

中学物理是以实验科学为基础的，随着新课程改革的不断深入，实验教学在中学物理教学中起着举足轻重的作用。课程实验能充分锻炼和提高学生动手创新能力，还能培养学生严谨、认真、耐心的科学态度。

但现实中各自条件的限制，比如实验课的减少使得很多的内容得不到实验学习，或者内容不减但匆匆了事。还有些实验因实验条件的限制导致实验结果与理论不一致，甚至相反，让学生经常对正确的理论产生过分地怀疑，造成学生在实验课后即使得到实验结果，却不能深刻体会其反应原理，对于实验意义、适用范围的理解更是不充分。

而且传统模式的实验教学是以教师为中心，学生往往是按照教师设置好的设备和仪器，根据实验指导书上规定的方法和步骤按部就班的进行。上实验课时也是老师先讲解实验步骤，学生再一步一步做，与其说做实验不如说体会实验过程，学生在其中很少能够得到思考，只是机械地完成课程任务，这样的教学模式无法培养学生学习的主观能动性与创造性，更不会深刻理解教学内容从而学以致用，影响学生思路的开拓。

在传统中学物理实验室存在一些弊端，因条件所限，有的学校教师因为实验室太小，仪器缺乏，上实验课需要的时间太长影响课程进度等原因，不愿意带学生做实验等等。还有学校出于安全考虑和为了避免仪器损失而在实验室规定了许多规章制度，束缚了学生的创新性思维。因此在整个实验过程中，学生始终处于被动地位，严重影响了学生的动手操作能力，使学生的学习主动性和积极性受到压抑，同时也不利于学生个性的发展，不利于创新思维和创造性人才的培养。

在中学物理实验中学生应该有独立动手的机会，这样就可以体验实验中所要面临的各种问题，积累经验，即使出错也会找到原因进行纠正，这样才会不断的强化、深刻理解、从而可以应用自如。而如果教学中却并未开展相应的，这无疑对于学生的积极性会起到消极作用。而利用虚拟物理实验室恰好可以大大改善传统实验教学对学生的种种制约。在操作实验之前，学生可以先在虚拟实验室进行模拟实验，帮助熟悉实验步骤及实验方法，熟练之后再实际操作，既做到真正动手，又避免了仪器的损坏，还节省时间，从而有效地提高实验课教学效率。

更重要的是，虚拟实验室运用到实验教学中，可以帮助学生充分调动其积极性，增强学生的自主意识，有利于发挥学生的创造性思维。学生在虚拟环境中操作，不受仪器短缺和害怕损坏仪器的影响，以良好的心态充分发挥想象力大胆地搭建自己创作的实验，积极主动地参与到实验教学中，使教学真正达到以学生的学为中心的新课改要求，培养学生的自主发现问题的能力。有了发现的意识和能力，才会有创新。

虚拟实验室（virtual laboratory）的定义

虚拟实验室是由计算机生成的一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。是由以计算机仿真技术为核心的虚拟实验和用于运行虚拟实验的网络结构等构成的实验室。其核心虚拟实验是指按照实验教学的基本要求，在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，以虚拟现实技术为基础，实验者可以像在真实的环境中一样运用各种虚拟实验器械和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真操作，完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验的开展符合教学现代化的要求，有利于学生素质的提高。

虚拟实验室相比真正的实验室有不少的优点：

1、多感知性：虚拟实验室运用虚拟现实技术，除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有人所具有的一切感知功能。由于相关技术，特别是传感技术的限制，目前虚拟现实技术所具有的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉、运动等几种。

2、交互性：是指学生在虚拟实验室中通过身体运动等自然技能，实现对环境中对象的操作。

3、现实性：虚拟实验室通过虚拟现实技术可以最大限度地模拟实验，尽量创造其真实性，可以充分估计到学生操作过程中遇到的各种实际问题。

4、开放性：实验者可以自由地进入或退出虚拟实验室，具有良好的开放性。学生随时可以进行模拟实验，这成为他们预习与复习实验的好帮手。增加了学生的实验有效时数，提高了实验效率，对实现实验内容的远程教育起到了很大的推动作用。

除此之外，针对中学物理的学习，在物理概念、定理和规律的讲解中，采用虚拟仿真物理实验演示法，对一些抽象的，难以观察，和课堂中难以真实再现的实验，可对其进行仿真模拟、永久再现，将抽象知识具体化、形象化，微观现象可视化，可以避免过于空洞的描述，让学生产生真切的体验，激发学生的学习热情，促进学生学习的积极性，实现对抽象物理概念和规律的感性认识，再上升为理性认识。有助于发挥演示实验在中学物理教学中的作用。

虚拟实验室不单单是对实验的模拟，也可以用来帮助分析物理规律。课程中遇到情况复杂的物理场景，可以利用在虚拟实验室中建立相应的物理模型，对其进行分析，结果一目了然，能帮助学生理清分析思路，加深对物理现象的印象，便于对物理定理或规律的理解。这样，不仅帮助学生较容易地掌握基础知识和基本技能，还使学生学会自主探究，对物理学科产生积极情感，逐步形成努力求知，乐于在探索中获取新知的心里素质，培养不断探索的科学精神。这也是中学物理新课程改革中所倡导的。

教师还可利用它来方便地制作一些比较复杂的课件，使精力主要放在如何优化课堂教学设计，从而提高课堂教学效率。

当然，虚拟实验室在各个方面都显现出优越性，能够提高教学效果，帮助培养学生的自主探讨能力、创新能力和分析能力，但是在应用于实际教学中，也要注意其自身的弊端。毕竟它不是真正的实验室，不能让人真正切身感受实验过程，因此应将它作为一种辅助性工具，不可盲目地运用，更不可将虚拟实验取代传统实验，应将两者辩证地统一起来，使理论与实践能很好地结合起来用以提高学生的科学素质和实验技能。总之，合理地将虚拟实验室运用到中学物理教学中才能充分发挥它的优越性，使其有效地服务于教学过程。

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