探究高中物理虛擬仿真實驗教學(xué)

張秀峰

【摘 要】高中物理是普通高中學(xué)習(xí)的一門基礎(chǔ)課程，與九義務(wù)教育物理或科學(xué)課程相銜接，旨在進一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。高中物理教學(xué)中物理實驗是一個重要的內(nèi)容，也是物理教學(xué)的重要方法和手段。

【關(guān)鍵詞】高中物理；虛擬仿真；實驗

目前對于物理演示實驗的研究主要集中于在新課改的理念下，怎樣才能更好的結(jié)合演示實驗與學(xué)生在課堂上的主體地位，從而創(chuàng)建高效課堂；對于仿真物理實驗的研究大多也停留在仿真物理實驗的深入應(yīng)用和設(shè)計方面，對于仿真物理實驗在實驗教學(xué)中應(yīng)用優(yōu)缺點的討論。對于仿真物理實驗的課堂應(yīng)用效果研究較少。本文的主要內(nèi)容在于研究物理課堂中的傳統(tǒng)演示實驗與基于flash的物理仿真演示實驗的優(yōu)缺點的討論，哪種實驗更有利于教學(xué)設(shè)計。

一、關(guān)鍵概念解釋

探究即“深入探討，反復(fù)研究”，筆者認為探究是人們發(fā)現(xiàn)問題、搜集數(shù)據(jù)、形成解釋、解決問題從而實現(xiàn)從未知到已知的一個知識建構(gòu)的過程。實驗是學(xué)生進行科學(xué)探究的重要途徑，是物理課程目標和內(nèi)容的必要組成部分，學(xué)生學(xué)習(xí)和運用物理實驗技能和科學(xué)探究方法。

虛擬仿真實驗是指利用多媒體和仿真技術(shù)在計算機上對傳統(tǒng)的真實實驗中的各操作環(huán)節(jié)進行模擬，實驗者可以像在真實的實驗環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于在真實環(huán)境中所取得的效果。虛擬實驗建立在一個虛擬的實驗環(huán)境（平臺仿真）之上，而注重的是實驗操作的交互性和實驗結(jié)果的仿真性。

二、高中物理實驗教學(xué)概述

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在高中物理課程各個模塊中都安排了一些典型的科學(xué)探究或物理實驗。實驗是科學(xué)探究的重要方式，大體上可以分為如下四種：

A.儀器使用類實驗：如游標卡尺、彈簧秤的使用等；

B.測量類實驗：如測定勻變速直線運動的加速度；

C.驗證性實驗：如動量守恒定律的驗證等；

D.探究類實驗：如探究平拋物體的運動，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系等。

三、虛擬仿真實驗的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前最權(quán)威的仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)是中國科技大學(xué)天文與應(yīng)用物理系開發(fā)的大學(xué)物理仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，該成果在國內(nèi)一些高校得到廣泛應(yīng)用。這套軟件的特點在于采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建模，對儀器和器件實現(xiàn)模塊化，用數(shù)值模型建立儀器原理、實驗設(shè)計、操作的各種數(shù)學(xué)關(guān)系，用圖像模型表現(xiàn)操作的真實感，并用事件驅(qū)動方式將它們編制出來，使得這種軟件具有任意的操作性和真實的交互功能，實現(xiàn)可設(shè)計性和真實感。

與在高等學(xué)校中的發(fā)展和應(yīng)用狀況相比，物理仿真實驗在普通高中階段仍然沒有很大的發(fā)展，很多高中物理仿真實驗，只是具有演示功能，離真正的交互實驗、學(xué)生自主設(shè)置實驗參數(shù)還有很大的距離。大多數(shù)只是在課堂上利用PPT來演示播放flash動畫讓學(xué)生觀察，并沒有讓學(xué)生自己去操作。因此很大部分的仿真實驗還不是真正的仿真！缺少開發(fā)高中物理仿真實驗的人才，也是物理仿真實驗在高中鮮有應(yīng)用的原因，一般情況下懂物理實驗教學(xué)的人不懂軟件開發(fā)，懂軟件開發(fā)的人不懂物理實驗教學(xué)。

四、高中物理仿真實驗設(shè)計與實現(xiàn)的必要性與優(yōu)越性

1.仿真實驗引入高中物理實驗教學(xué)的必要性

高中物理是普通高中科學(xué)學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程，與九年義務(wù)教育物理或科學(xué)課程相銜接，旨在進一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。高中物理課程有助于學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)基本的物理知識與技能；體驗科學(xué)探究過程，了解科學(xué)研究方法；增強創(chuàng)新意識和實踐能力，發(fā)展探索自然、理解自然的興趣與熱情；認識物理學(xué)對科技進步以及文化、經(jīng)濟和社會發(fā)展的影響；為終身發(fā)展，形成科學(xué)世界觀和科學(xué)價值觀打下基礎(chǔ)。

2.仿真實驗在高中物理實驗教學(xué)中的優(yōu)越性

仿真實驗在高中教學(xué)中應(yīng)用，它不僅可以逼真地模擬實際的物理環(huán)境，也可以模擬實際的儀器，大量的真實實驗都可以用仿真實驗來模擬和再現(xiàn)。而且，仿真實驗有著真實實驗無法取代的優(yōu)越性，這具體體現(xiàn)在：

（1）仿真實驗具有可擴展性。

（2）通過計算機仿真模擬一些重要的、在現(xiàn)實實驗環(huán)境下難以完成的物理實驗，則可彌補常規(guī)實驗儀器的不足，提高物理實驗的演示效果。

（3）仿真實驗在計算機虛擬的環(huán)境下，可以完成現(xiàn)實條件下不可能完成的實驗。

（4）對于真實實驗無法完成的抽象的物理現(xiàn)象和實驗室無法完成的真實物理圖景，仿真實驗都可以完成。

（5）仿真實驗可以突破客觀條件限制，是一種較好的“理想實驗”法。

五、虛擬仿真實驗的優(yōu)勢和不足

Flash因其采用矢量圖，具有交互性，所以虛擬仿真實驗的圖形界面可以做的非常逼真，操作也可以做到非常簡單，比 Matlab 等軟件在界面處理上要好很多，有利于我們讓學(xué)生更直觀的了解一些危險性實驗。

由于 Flash 主要用于簡單動畫制作、動態(tài)文字制作、廣告設(shè)計等領(lǐng)域，其本身不擅長科學(xué)計算，有時計算明顯具有誤差，并且在多層循環(huán)時，響應(yīng)速度已經(jīng)相當乏力，如果再在多層循環(huán)中進行大量運算，忽略仿真效果，忽略響應(yīng)時間的問題，動畫能也幾乎不能正常運行了。

Flash仿真實驗仿真程度仍然不夠高，數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果太過理想，過于符合所研究的規(guī)律，并且在一些儀器故障的分析處理等方面與真實實驗差距較大。因此仿真實驗不能完全取代真實實驗。

這就要求我們教師要跟著時代的步伐，努力的擴充自己的知識，這樣才能與新的條件下的新技術(shù)結(jié)合起來，提高我們的課堂教學(xué)水平。