導(dǎo)語：傳統(tǒng)物理實驗與虛擬仿真實驗研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:物理學(xué)作為探索自然規(guī)律、解釋自然現(xiàn)象的一門學(xué)科，物理實驗構(gòu)成了它的基礎(chǔ)。隨著人類教育的逐漸進(jìn)步，傳統(tǒng)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(xué)中的所有要求。隨信息技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的虛擬仿真技術(shù)，由于其獨特的優(yōu)點被引入各種物理實驗，成為與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合的一種新的實驗教學(xué)模式。這兩種實驗方式各有其優(yōu)缺點，兩者相互結(jié)合、相互彌補(bǔ)，實現(xiàn)物理實驗在物理教學(xué)中的更大功能。

關(guān)鍵詞:傳統(tǒng)物理實驗；虛擬仿真實驗；虛實

結(jié)合作為一門自然學(xué)科，物理學(xué)有著鍛煉學(xué)生邏輯思維能力的作用，而作為物理學(xué)基礎(chǔ)的物理實驗則是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、科學(xué)思維能力、合作交流能力的主要手段。傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ接捎跁r空限制、儀器設(shè)備等原因無法實現(xiàn)對學(xué)生的培養(yǎng)要求。虛擬仿真實驗則為實驗教學(xué)打開了一個新的世界，它是計算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)的產(chǎn)物，成為教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新[1]。相比之下，虛擬仿真實驗是通過構(gòu)造一個結(jié)構(gòu)化的虛擬實驗室，為學(xué)生開展探究型學(xué)習(xí)提供實驗條件，并幫助學(xué)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(tǒng)物理實驗的優(yōu)點與不足

1.1傳統(tǒng)物理實驗的優(yōu)點。（1）能提高學(xué)生感性認(rèn)知。從心理學(xué)的角度出發(fā)，學(xué)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(xué)中，物理概念與物理規(guī)律是建立在一定的感性認(rèn)知基礎(chǔ)之上的。傳統(tǒng)實驗由真實的實驗儀器和設(shè)備構(gòu)成實驗的物質(zhì)基礎(chǔ)，學(xué)生操作真實的實驗儀器設(shè)備，通過視覺、聽覺、觸覺等來認(rèn)識客觀事物獲得感性認(rèn)知，對物理產(chǎn)生熱愛的同時加深對理論知識的學(xué)習(xí)與掌握。（2）能提高學(xué)生操作能力。學(xué)生在進(jìn)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(xué)生學(xué)會分析相關(guān)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(tǒng)誤差兩個角度進(jìn)行分析，清楚如何調(diào)節(jié)儀器來解決相關(guān)問題。在實驗結(jié)論不符合理論推導(dǎo)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(jìn)行調(diào)節(jié)。在對真實儀器的調(diào)節(jié)過程中提高了學(xué)生的動手能力和解決問題的能力。1.2傳統(tǒng)物理實驗的不足。（1）實驗教學(xué)受時空、人力限制。傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)一般都是在特定的實驗室進(jìn)行。然而，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)校，由于經(jīng)費問題沒有建設(shè)專門的實驗室，使得物理實驗無法正常開展，無法實現(xiàn)實驗在教學(xué)中的作用。另外，實驗員數(shù)量不足和物理教師兼職實驗員的現(xiàn)象使傳統(tǒng)實驗的開展出現(xiàn)了困難[3]。中學(xué)物理教師自身壓力大，他們既擔(dān)負(fù)著提高升學(xué)率的重?fù)?dān)，又有自己職稱評定的壓力，而部分學(xué)校一般是將他們的職稱評定與升學(xué)任務(wù)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(xué)，他們更多是把精力集中于理論課的教學(xué)。而這樣就又回到了以前的應(yīng)試教育模式，對學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常不利。（2）實驗儀器老舊。傳統(tǒng)實驗使用實驗儀器進(jìn)行操作時，隨著實驗次數(shù)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(xué)生即使在操作無誤的情況下，觀察到的實驗現(xiàn)象和獲得的實驗數(shù)據(jù)也不理想。所以，在實驗中經(jīng)常出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，學(xué)生為了能得到較理想的結(jié)果在整個實驗過程中都忙著檢查、修復(fù)儀器，浪費大量的時間，甚至到最后為了完成實驗任務(wù)不得不向其他同學(xué)匆匆借鑒一份數(shù)據(jù)，這嚴(yán)重影響了學(xué)生進(jìn)行實驗的積極性。（3）部分抽象實驗現(xiàn)象不明顯。物理學(xué)中的部分知識較抽象，通過傳統(tǒng)的實驗無法將這些抽象性的物理現(xiàn)象呈現(xiàn)給學(xué)生。因此，學(xué)生在無法獲得感性認(rèn)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(zhì)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(xiàn)，學(xué)生無法通過感性認(rèn)知去理解，從而成為學(xué)習(xí)的難點。

2虛擬仿真實驗的優(yōu)點與不足

2.1虛擬仿真實驗的優(yōu)點。（1）安全、經(jīng)濟(jì)。部分實驗過程中，為了保證學(xué)生的安全，實驗教師都會在實驗前重點給學(xué)生講解注意事項，可學(xué)生總是會對老師所告誡的一些不能做的事有著強(qiáng)烈的好奇心，總想去嘗試一下看看會有什么結(jié)果。如，中學(xué)電學(xué)實驗中，老師告誡學(xué)生不可將一根單獨的導(dǎo)線接于電源的兩端，學(xué)生處于初學(xué)階段，非常好奇想要親自看到這樣操作會出現(xiàn)什么現(xiàn)象，在老師不注意的情況下進(jìn)行錯誤的操作，就可能會燒壞電源引發(fā)安全事故。虛擬仿真實驗提供虛擬的元器件和實驗環(huán)境，學(xué)生可以按照自己的想法連接實驗器件、觀察實驗現(xiàn)象。操作錯誤時，虛擬軟件會出現(xiàn)相關(guān)操作錯誤警告，提醒這樣操作會引起的危害，而不會引發(fā)真正的事故。這就體現(xiàn)了虛擬仿真實驗比傳統(tǒng)實驗更加安全、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點。（2）實驗結(jié)果更接近理論值。傳統(tǒng)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(jié)果不理想。而采用虛擬仿真實驗可以提供理想化的實驗環(huán)境，使得實驗環(huán)境不會對實驗儀器造成影響。例如，在用單擺驗證機(jī)械能量守恒實驗時，虛擬的環(huán)境不用考慮單擺受空氣阻力等影響，所以不會出現(xiàn)像真實實驗的擺動過程中振幅越來越小的現(xiàn)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(chǎn)生的誤差。（3）開放性的實驗環(huán)境。中學(xué)生處于思維活躍、富于幻想、好奇心強(qiáng)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(guī)則制度總有質(zhì)疑。所以，在實驗中經(jīng)常有這樣的現(xiàn)象出現(xiàn)：學(xué)生很不理解實驗的操作為什么要按照書中所寫的步驟進(jìn)行，換自己的方法可不可以？即使教師向?qū)W生仔細(xì)地解釋其緣由，學(xué)生依然固執(zhí)地認(rèn)為按照自己的想法和設(shè)計也能得到實驗效果并且還更簡單。虛擬仿真實驗則向?qū)W生提供了一個開放的實驗平臺，學(xué)生可以運(yùn)用虛擬軟件按照自己的想法來選擇實驗?zāi)Ｊ?、設(shè)計實驗步驟，在實驗過程中充分發(fā)揮了他們的直覺思維能力、創(chuàng)造思維能力，也實現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)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(jī)交互的模式，學(xué)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(jī)控制方式與學(xué)生互動，這會給學(xué)生帶來一種感覺：他們面對只是一個會講解實驗知識的機(jī)器，而并非真正的人。虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ揭话悴扇∫蝗艘粰C(jī)，無法提供真實實驗中的人文環(huán)境，難以實現(xiàn)核心素養(yǎng)中提出的培養(yǎng)學(xué)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(huán)境中進(jìn)行，各種器材的連接、調(diào)節(jié)都是通過鼠標(biāo)或者鍵盤來操作，學(xué)生只要掌握了實驗原理，根據(jù)實驗原理對實驗儀器設(shè)備進(jìn)行連接，就可以基本保證實驗結(jié)果與理論結(jié)果相符。物理核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”提出培養(yǎng)學(xué)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(xì)節(jié)，特別是易出現(xiàn)的實驗故障等問題缺乏模擬，不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

3兩種實驗的互補(bǔ)性

傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ脚c虛擬仿真實驗各有其獨特的優(yōu)缺點，兩者并非非此即彼、相互對立的關(guān)系，而是相互共存、相互促進(jìn)的統(tǒng)一體。為了使物理實驗教學(xué)效果達(dá)到最優(yōu)化，在中學(xué)物理實驗教學(xué)中應(yīng)考慮將兩種實驗?zāi)Ｊ浇Y(jié)合起來，從而實現(xiàn)實驗教學(xué)的目的。（1）從安全性與感性認(rèn)知考慮兩者的結(jié)合。（2）根據(jù)實驗?zāi)康暮侠磉x擇“虛”“實”實驗?zāi)Ｊ?。物理實驗有多種類型，不同的實驗類型有不同的實驗?zāi)康?，可大致分為，以觀察實驗現(xiàn)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(guī)律為主的探究性實驗。教師可以根據(jù)實驗項目目的的不同，靈活地采用虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗。由于虛擬實驗?zāi)Ｊ教峁┑膶嶒灜h(huán)境和所得的實驗結(jié)果較理想，所以對于一些主要是以觀察實驗現(xiàn)象為目的的實驗就可以采取虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ?。如牛頓環(huán)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(xué)生根據(jù)實驗原理自行設(shè)計的設(shè)計型實驗也可以采用虛擬仿真實驗?zāi)Ｊ?，使學(xué)生在實驗過程中能夠充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新意識。

4討論

在信息技術(shù)還未發(fā)展時，物理實驗都是采用傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ絹磉M(jìn)行。隨著虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，也使得傳統(tǒng)的教學(xué)發(fā)生了變革，帶來了一種新的教學(xué)觀念，并影響著教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容的變化。虛擬實驗的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及所具有的能夠營造理想的實驗環(huán)境的優(yōu)點彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ降牟蛔?。同時，由于虛擬仿真技術(shù)暫時未發(fā)展到能夠像傳統(tǒng)實驗?zāi)菢诱{(diào)動學(xué)習(xí)者各種感知覺的強(qiáng)大功能，所以這種方法只能作為傳統(tǒng)實驗的一種輔助。也正如前面所述，兩者并非非此即彼的關(guān)系，而是相互補(bǔ)充、共同發(fā)揮實驗教學(xué)的最大功能。在今后的教學(xué)中如何將這兩種實驗?zāi)Ｊ接袡C(jī)結(jié)合，就需要我們這些即將成為人民教育工作者的學(xué)生和正在教育一線工作的教師們的不懈努力。

參考文獻(xiàn)

[1]張金鳳,賈小文,趙云飛,等.信息技術(shù)在物理實驗課教學(xué)中的應(yīng)用[D].天津:陸軍軍事交通學(xué)院基礎(chǔ)部,2018.

[2]王衛(wèi)國,胡今鴻,劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)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(xué)中的有效應(yīng)用策略研究[D].成都:四川師范大學(xué),2012.

作者:馮靚 劉高福 單位:貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院