導(dǎo)語(yǔ)：傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)由于其自身的一些限制性條件而無(wú)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被引入各種物理實(shí)驗(yàn)，成為與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。這兩種實(shí)驗(yàn)方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，兩者相互結(jié)合、相互彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的更大功能。

關(guān)鍵詞:傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；虛實(shí)

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(shí)驗(yàn)則是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接捎跁r(shí)空限制、儀器設(shè)備等原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則為實(shí)驗(yàn)教學(xué)打開了一個(gè)新的世界，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)是通過構(gòu)造一個(gè)結(jié)構(gòu)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生開展探究型學(xué)習(xí)提供實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)與不足

1.1傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。（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(duì)自己能夠親身接觸的實(shí)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(shí)驗(yàn)由真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備構(gòu)成實(shí)驗(yàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，學(xué)生操作真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，通過視覺、聽覺、觸覺等來(lái)認(rèn)識(shí)客觀事物獲得感性認(rèn)知，對(duì)物理產(chǎn)生熱愛的同時(shí)加深對(duì)理論知識(shí)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(shí)驗(yàn)的過程中，除了對(duì)原理的理解有所不足外，還會(huì)遇到各種各樣的實(shí)驗(yàn)誤差，這就要求學(xué)生學(xué)會(huì)分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(gè)角度進(jìn)行分析，清楚如何調(diào)節(jié)儀器來(lái)解決相關(guān)問題。在實(shí)驗(yàn)結(jié)論不符合理論推導(dǎo)時(shí)，能夠思考是由于儀器使用方法出錯(cuò)還是儀器本身有缺陷引起的，并進(jìn)行調(diào)節(jié)。在對(duì)真實(shí)儀器的調(diào)節(jié)過程中提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力。1.2傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的不足。（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時(shí)空、人力限制。傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般都是在特定的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。然而，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)校，由于經(jīng)費(fèi)問題沒有建設(shè)專門的實(shí)驗(yàn)室，使得物理實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常開展，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用。另外，實(shí)驗(yàn)員數(shù)量不足和物理教師兼職實(shí)驗(yàn)員的現(xiàn)象使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(píng)定的壓力，而部分學(xué)校一般是將他們的職稱評(píng)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(shí)驗(yàn)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(duì)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常不利。（2）實(shí)驗(yàn)儀器老舊。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，實(shí)驗(yàn)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(wú)誤的情況下，觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不理想。所以，在實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)過程中都忙著檢查、修復(fù)儀器，浪費(fèi)大量的時(shí)間，甚至到最后為了完成實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的積極性。（3）部分抽象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。物理學(xué)中的部分知識(shí)較抽象，通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)無(wú)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(wú)法獲得感性認(rèn)知的情況下，很難理解這些抽象的知識(shí)。如電磁波的形成需要變化的磁場(chǎng)與電場(chǎng)的相互作用，所涉及的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、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(shí)的實(shí)驗(yàn)中也無(wú)法呈現(xiàn)，學(xué)生無(wú)法通過感性認(rèn)知去理解，從而成為學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)與不足

2.1虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。（1）安全、經(jīng)濟(jì)。部分實(shí)驗(yàn)過程中，為了保證學(xué)生的安全，實(shí)驗(yàn)教師都會(huì)在實(shí)驗(yàn)前重點(diǎn)給學(xué)生講解注意事項(xiàng)，可學(xué)生總是會(huì)對(duì)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(huì)有什么結(jié)果。如，中學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，老師告誡學(xué)生不可將一根單獨(dú)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(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象，在老師不注意的情況下進(jìn)行錯(cuò)誤的操作，就可能會(huì)燒壞電源引發(fā)安全事故。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供虛擬的元器件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以按照自己的想法連接實(shí)驗(yàn)器件、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。操作錯(cuò)誤時(shí)，虛擬軟件會(huì)出現(xiàn)相關(guān)操作錯(cuò)誤警告，提醒這樣操作會(huì)引起的危害，而不會(huì)引發(fā)真正的事故。這就體現(xiàn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更加安全、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近理論值。傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)會(huì)受到實(shí)驗(yàn)儀器、場(chǎng)所等客觀因素的影響而造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想。而采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以提供理想化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使得實(shí)驗(yàn)環(huán)境不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器造成影響。例如，在用單擺驗(yàn)證機(jī)械能量守恒實(shí)驗(yàn)時(shí)，虛擬的環(huán)境不用考慮單擺受空氣阻力等影響，所以不會(huì)出現(xiàn)像真實(shí)實(shí)驗(yàn)的擺動(dòng)過程中振幅越來(lái)越小的現(xiàn)象。虛擬實(shí)驗(yàn)中的各個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器之間并不是直接接觸，避免了儀器之間可能會(huì)有摩擦而產(chǎn)生的誤差。（3）開放性的實(shí)驗(yàn)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(duì)一切事物充滿了好奇心，會(huì)在頭腦中想出一些天馬行空的東西，對(duì)于一些動(dòng)手操作的事情充滿了極大的興趣，對(duì)一些既定的規(guī)則制度總有質(zhì)疑。所以，在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常有這樣的現(xiàn)象出現(xiàn)：學(xué)生很不理解實(shí)驗(yàn)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(jì)也能得到實(shí)驗(yàn)效果并且還更簡(jiǎn)單。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則向?qū)W生提供了一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以運(yùn)用虛擬軟件按照自己的想法來(lái)選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健⒃O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，在實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)的不足。（1）缺乏實(shí)驗(yàn)的氛圍。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用人機(jī)交互的模式，學(xué)生面對(duì)的是冰冷的電腦和一些不真實(shí)的軟件。實(shí)驗(yàn)時(shí)老師一般是通過主機(jī)控制方式與學(xué)生互動(dòng)，這會(huì)給學(xué)生帶來(lái)一種感覺：他們面對(duì)只是一個(gè)會(huì)講解實(shí)驗(yàn)知識(shí)的機(jī)器，而并非真正的人。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭话悴扇∫蝗艘粰C(jī)，無(wú)法提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的人文環(huán)境，難以實(shí)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(shí)驗(yàn)過于理想。虛擬實(shí)驗(yàn)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(lái)操作，學(xué)生只要掌握了實(shí)驗(yàn)原理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行連接，就可以基本保證實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程都非常理想，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中的一些細(xì)節(jié)，特別是易出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)性

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c虛擬仿真實(shí)驗(yàn)各有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，兩者并非非此即彼、相互對(duì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)效果達(dá)到最優(yōu)化，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)考慮將兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇Y(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)康暮侠磉x擇“虛”“實(shí)”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｎ锢韺?shí)驗(yàn)有多種類型，不同的實(shí)驗(yàn)類型有不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，可大致分為，以觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為主的演示性實(shí)驗(yàn)、以驗(yàn)證物理定理或定則為主的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、以測(cè)量為主的測(cè)量性實(shí)驗(yàn)、以探究物理規(guī)律為主的探究性實(shí)驗(yàn)。教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目目的的不同，靈活地采用虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。由于虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教峁┑膶?shí)驗(yàn)環(huán)境和所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較理想，所以對(duì)于一些主要是以觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為目的的實(shí)驗(yàn)就可以采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。如牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)、小孔成像實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理自行設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)也可以采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中能夠充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新意識(shí)。

4討論

在信息技術(shù)還未發(fā)展時(shí)，物理實(shí)驗(yàn)都是采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絹?lái)進(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(lái)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(shí)驗(yàn)的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及所具有的能夠營(yíng)造理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降牟蛔恪Ｍ瑫r(shí)，由于虛擬仿真技術(shù)暫時(shí)未發(fā)展到能夠像傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢诱{(diào)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的最大功能。在今后的教學(xué)中如何將這兩種實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)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(guó),胡今鴻,劉宏.國(guó)外高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015:214-219.

[3]劉科.仿真物理實(shí)驗(yàn)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