傳統物理實驗與虛擬仿真實驗研究

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摘要:物理學作為探索自然規律、解釋自然現象的一門學科，物理實驗構成了它的基礎。隨著人類教育的逐漸進步，傳統的物理實驗由于其自身的一些限制性條件而無法滿足物理教學中的所有要求。隨信息技術發展而出現的虛擬仿真技術，由于其獨特的優點被引入各種物理實驗，成為與傳統實驗相結合的一種新的實驗教學模式。這兩種實驗方式各有其優缺點，兩者相互結合、相互彌補，實現物理實驗在物理教學中的更大功能。

關鍵詞:傳統物理實驗；虛擬仿真實驗；虛實

結合作為一門自然學科，物理學有著鍛煉學生邏輯思維能力的作用，而作為物理學基礎的物理實驗則是培養學生動手能力、科學思維能力、合作交流能力的主要手段。傳統實驗模式由于時空限制、儀器設備等原因無法實現對學生的培養要求。虛擬仿真實驗則為實驗教學打開了一個新的世界，它是計算機技術、虛擬現實技術、人機交互技術的產物，成為教育領域應用信息技術的一種創新[1]。相比之下，虛擬仿真實驗是通過構造一個結構化的虛擬實驗室，為學生開展探究型學習提供實驗條件，并幫助學生研究、分析和探索物理世界中各種感興趣的問題[2]。

1傳統物理實驗的優點與不足

1.1傳統物理實驗的優點。（1）能提高學生感性認知。從心理學的角度出發，學生總是對自己能夠親身接觸的實物記憶得更加深刻和透徹。在物理教學中，物理概念與物理規律是建立在一定的感性認知基礎之上的。傳統實驗由真實的實驗儀器和設備構成實驗的物質基礎，學生操作真實的實驗儀器設備，通過視覺、聽覺、觸覺等來認識客觀事物獲得感性認知，對物理產生熱愛的同時加深對理論知識的學習與掌握。（2）能提高學生操作能力。學生在進行物理實驗的過程中，除了對原理的理解有所不足外，還會遇到各種各樣的實驗誤差，這就要求學生學會分析相關實驗的誤差原因，擁有一定的問題解決能力，知道從偶然誤差和系統誤差兩個角度進行分析，清楚如何調節儀器來解決相關問題。在實驗結論不符合理論推導時，能夠思考是由于儀器使用方法出錯還是儀器本身有缺陷引起的，并進行調節。在對真實儀器的調節過程中提高了學生的動手能力和解決問題的能力。1.2傳統物理實驗的不足。（1）實驗教學受時空、人力限制。傳統的物理實驗教學一般都是在特定的實驗室進行。然而，在一些偏遠地區的學校，由于經費問題沒有建設專門的實驗室，使得物理實驗無法正常開展，無法實現實驗在教學中的作用。另外，實驗員數量不足和物理教師兼職實驗員的現象使傳統實驗的開展出現了困難[3]。中學物理教師自身壓力大，他們既擔負著提高升學率的重擔，又有自己職稱評定的壓力，而部分學校一般是將他們的職稱評定與升學任務的完成情況連為一體。所以，物理教師們不可能專注于物理實驗的教學，他們更多是把精力集中于理論課的教學。而這樣就又回到了以前的應試教育模式，對學生實踐能力、創新能力的培養非常不利。（2）實驗儀器老舊。傳統實驗使用實驗儀器進行操作時，隨著實驗次數的增加，實驗儀器被使用的頻率提高，儀器的磨損率變大，從而使學生即使在操作無誤的情況下，觀察到的實驗現象和獲得的實驗數據也不理想。所以，在實驗中經常出現這樣的現象，學生為了能得到較理想的結果在整個實驗過程中都忙著檢查、修復儀器，浪費大量的時間，甚至到最后為了完成實驗任務不得不向其他同學匆匆借鑒一份數據，這嚴重影響了學生進行實驗的積極性。（3）部分抽象實驗現象不明顯。物理學中的部分知識較抽象，通過傳統的實驗無法將這些抽象性的物理現象呈現給學生。因此，學生在無法獲得感性認知的情況下，很難理解這些抽象的知識。如電磁波的形成需要變化的磁場與電場的相互作用，所涉及的電場、磁場、電磁波都是物質的一種客觀存在，但看不見也摸不著，在真實的實驗中也無法呈現，學生無法通過感性認知去理解，從而成為學習的難點。

2虛擬仿真實驗的優點與不足

2.1虛擬仿真實驗的優點。（1）安全、經濟。部分實驗過程中，為了保證學生的安全，實驗教師都會在實驗前重點給學生講解注意事項，可學生總是會對老師所告誡的一些不能做的事有著強烈的好奇心，總想去嘗試一下看看會有什么結果。如，中學電學實驗中，老師告誡學生不可將一根單獨的導線接于電源的兩端，學生處于初學階段，非常好奇想要親自看到這樣操作會出現什么現象，在老師不注意的情況下進行錯誤的操作，就可能會燒壞電源引發安全事故。虛擬仿真實驗提供虛擬的元器件和實驗環境，學生可以按照自己的想法連接實驗器件、觀察實驗現象。操作錯誤時，虛擬軟件會出現相關操作錯誤警告，提醒這樣操作會引起的危害，而不會引發真正的事故。這就體現了虛擬仿真實驗比傳統實驗更加安全、經濟的優點。（2）實驗結果更接近理論值。傳統物理實驗會受到實驗儀器、場所等客觀因素的影響而造成實驗結果不理想。而采用虛擬仿真實驗可以提供理想化的實驗環境，使得實驗環境不會對實驗儀器造成影響。例如，在用單擺驗證機械能量守恒實驗時，虛擬的環境不用考慮單擺受空氣阻力等影響，所以不會出現像真實實驗的擺動過程中振幅越來越小的現象。虛擬實驗中的各個實驗儀器之間并不是直接接觸，避免了儀器之間可能會有摩擦而產生的誤差。（3）開放性的實驗環境。中學生處于思維活躍、富于幻想、好奇心強的階段，他們總是對一切事物充滿了好奇心，會在頭腦中想出一些天馬行空的東西，對于一些動手操作的事情充滿了極大的興趣，對一些既定的規則制度總有質疑。所以，在實驗中經常有這樣的現象出現：學生很不理解實驗的操作為什么要按照書中所寫的步驟進行，換自己的方法可不可以？即使教師向學生仔細地解釋其緣由，學生依然固執地認為按照自己的想法和設計也能得到實驗效果并且還更簡單。虛擬仿真實驗則向學生提供了一個開放的實驗平臺，學生可以運用虛擬軟件按照自己的想法來選擇實驗模式、設計實驗步驟，在實驗過程中充分發揮了他們的直覺思維能力、創造思維能力，也實現了培養學生學習興趣的目的。2.2虛擬仿真實驗的不足。（1）缺乏實驗的氛圍。虛擬仿真實驗采用人機交互的模式，學生面對的是冰冷的電腦和一些不真實的軟件。實驗時老師一般是通過主機控制方式與學生互動，這會給學生帶來一種感覺：他們面對只是一個會講解實驗知識的機器，而并非真正的人。虛擬仿真實驗模式一般采取一人一機，無法提供真實實驗中的人文環境，難以實現核心素養中提出的培養學生合作交流能力的要求。（2）實驗過于理想。虛擬實驗完全是在虛擬的環境中進行，各種器材的連接、調節都是通過鼠標或者鍵盤來操作，學生只要掌握了實驗原理，根據實驗原理對實驗儀器設備進行連接，就可以基本保證實驗結果與理論結果相符。物理核心素養中的“科學思維”提出培養學生分析問題和解決問題的能力。而虛擬實驗過程都非常理想，對真實實驗過程中的一些細節，特別是易出現的實驗故障等問題缺乏模擬，不利于培養學生發現問題和解決問題的能力。

3兩種實驗的互補性

傳統實驗模式與虛擬仿真實驗各有其獨特的優缺點，兩者并非非此即彼、相互對立的關系，而是相互共存、相互促進的統一體。為了使物理實驗教學效果達到最優化，在中學物理實驗教學中應考慮將兩種實驗模式結合起來，從而實現實驗教學的目的。（1）從安全性與感性認知考慮兩者的結合。（2）根據實驗目的合理選擇“虛”“實”實驗模式。物理實驗有多種類型，不同的實驗類型有不同的實驗目的，可大致分為，以觀察實驗現象為主的演示性實驗、以驗證物理定理或定則為主的驗證性實驗、以測量為主的測量性實驗、以探究物理規律為主的探究性實驗。教師可以根據實驗項目目的的不同，靈活地采用虛擬實驗和傳統實驗。由于虛擬實驗模式提供的實驗環境和所得的實驗結果較理想，所以對于一些主要是以觀察實驗現象為目的的實驗就可以采取虛擬仿真實驗模式。如牛頓環實驗、小孔成像實驗等。另外，一些難以理解的抽象概念和一些需要學生根據實驗原理自行設計的設計型實驗也可以采用虛擬仿真實驗模式，使學生在實驗過程中能夠充分發揮自己的創新意識。

4討論

在信息技術還未發展時，物理實驗都是采用傳統的實驗模式來進行。隨著虛擬仿真技術在教學領域的應用，也使得傳統的教學發生了變革，帶來了一種新的教學觀念，并影響著教學模式和教學內容的變化。虛擬實驗的安全性、經濟性以及所具有的能夠營造理想的實驗環境的優點彌補了傳統實驗模式的不足。同時，由于虛擬仿真技術暫時未發展到能夠像傳統實驗那樣調動學習者各種感知覺的強大功能，所以這種方法只能作為傳統實驗的一種輔助。也正如前面所述，兩者并非非此即彼的關系，而是相互補充、共同發揮實驗教學的最大功能。在今后的教學中如何將這兩種實驗模式有機結合，就需要我們這些即將成為人民教育工作者的學生和正在教育一線工作的教師們的不懈努力。

參考文獻

[1]張金鳳,賈小文,趙云飛,等.信息技術在物理實驗課教學中的應用[D].天津:陸軍軍事交通學院基礎部,2018.

[2]王衛國,胡今鴻,劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現狀與發展[J].實驗室研究與探索,2015:214-219.

[3]劉科.仿真物理實驗室在高中物理教學中的有效應用策略研究[D].成都:四川師范大學,2012.

作者:馮靚 劉高福 單位:貴州師范學院物理與電子科學學院