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虛擬實驗在物理教學中的優(yōu)勢和實現方式
【關鍵詞】虛擬實驗 物理教學 優(yōu)勢 實現方式
【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A
【文章編號】0450-9889（2012）11B-
0084-01
在物理教學中，實驗既是重要的教學內容，也是重要的一種學習方式，它對于物理教學有著不可低估的作用。為了緊密配合新課程改革，豐富、優(yōu)化物理實驗教學，本文對虛擬實驗做一些探索。
一、虛擬實驗
虛擬實驗就是在電腦上將各種虛擬的儀器，按實驗要求組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)，同時在這個系統(tǒng)上“完成”整個實驗過程，包括原材料的添加、實驗條件的改變、數據的采集以及實驗結果的呈現、分析。虛擬實驗在廣義上似乎也是一種模擬實驗，但它在實驗的本體逼真性和應用普適性，以及在給予實驗者的現場感受和實驗效果等方面，是傳統(tǒng)的計算機模擬實驗無法相比的。
二、虛擬實驗的優(yōu)勢
1.可彌補教學條件的不足�，F在許多學校缺乏實驗器材，影響了學生實驗的進行，嚴重制約著實驗教學。虛擬實驗室可以讓學生不受課堂的限制，自主地模仿真實實驗，促進教學目標的達成，同時能減少實驗儀器的購置、維護費用。
2.便于學生自主探索研究。傳統(tǒng)的實驗教學，受時間、地點限制，有一定的局限性。而對于虛擬實驗來說，學生可以在課外在家中，根據自己的實際情況有針對性地進行相關的實驗研究，獲得接近真實的實驗體會，從而能豐富學生的感性認識，加深學生對教學內容的理解。
3.有利于激發(fā)學生的實驗興趣和學習熱情。虛擬實驗具有較強的直觀性和交互性，操作便捷，饒有趣味，因此能激發(fā)學生的實驗興趣和學習熱情。
4.有利于擴大實驗和觀察的范圍。有些物理實驗不便觀察、不便操作，有些甚至不可能進行。而利用虛擬實驗則可以進行那些常規(guī)環(huán)境無法進行的實驗，可以徹底打破空間的限制。大到宇宙天體，小到原子粒子，學生都可以很好地進行“觀察”。一些需要幾十年甚至上百年才能觀察的變化過程，在虛擬實驗中可以在很短的時間內呈現給學生。以往一些對于人體健康有危害甚至危及人身安全的實驗，一般采用觀看電視錄像的方式來取代。學生不參與實驗，就無法獲得感性認識。進行虛擬實驗，則可以彌補這個缺陷。學生在虛擬的實驗環(huán)境中，可以放心地去做各種實驗。
5.有利于發(fā)揮學生的想象力與創(chuàng)造性。虛擬實驗不同于一般的多媒體演示實驗，幾乎可以做到真實實驗能做到的一切，加上虛擬儀器具有不怕損壞、數量不受限制等真實實驗沒有的特點，學生可以反復進行實驗和觀察，具有很強的靈活性和可重復性。通過設計各種不同的方案進行實驗，可以全面鍛煉學生的獨立思考、動手操作能力，充分發(fā)揮學生的想象力與創(chuàng)造性。
6.有利于培養(yǎng)學生的信息處理能力。虛擬實驗可以記錄下全過程各個時刻的數據，并可以利用系統(tǒng)內部的計算器或其它軟件來進行處理，還可以根據需要繪制出相應的實驗圖。這有利于培養(yǎng)學生的信息處理能力。
三、虛擬實驗的實現方式
1.基于本地計算機的虛擬實驗室。只要將具有仿真物理實驗功能的計算機軟件安裝到計算機上，學生便擁有了一個虛擬實驗的環(huán)境和平臺。這種軟件的主要特點是不受網絡的限制，安裝簡單，操作容易。其中，“仿真物理實驗室”是最常用的軟件。它面向中學物理課堂、物理教師和全體學生，具有全開放性，能給師生提供一個功能齊全、實驗器材非常完備的綜合性虛擬實驗室。利用它幾乎可以進行所有的物理課堂教學實驗。師生可以在1分鐘內制作一個彈簧振子或單擺的物理模型，在2分鐘內完成驗證動量守恒的實驗，在幾分鐘內制作一個粒子加速器的原理模型。它能讓學生進一步加深對物理現象和規(guī)律的理解，使學生提高物理學習興趣，是中學物理課堂教學的有力助手。
“幾何畫板”是另外一個值得關注的基于本地計算機的虛擬實驗室軟件，也是全國中小學計算機教育研究中心推薦的適合中學物理教師使用的計算機軟件。它不僅能為教師提供一個制作課件的平臺，也能為學生提供一個進行物理“實驗”的環(huán)境。通過仿真的實驗操作，可以幫助學生建立物理模型，進一步加深對物理實驗的理解和研究。
2.基于Web的虛擬實驗室�，F在許多學校已經建立了校園網并與互聯網相聯，同時一些學校和教育網站還開發(fā)和搭建了基于Web（網絡）的虛擬實驗室平臺。利用基于Web的虛擬實驗室，學生就能夠模擬進行許多物理實驗。由于這一平臺是基于Web開發(fā)的，師生只要擁有一臺聯網的計算機就可以充分利用這一資源，在電腦上只需要安裝簡單的客戶端軟件，而不需要安裝類似本地虛擬實驗室的軟件，安裝更為方便，使用成本更低，而且服務器端的軟件可以隨時升級更新，為學生提供最適宜的虛擬實驗環(huán)境。學生可以通過網絡和其他同學共同合作實驗，教師也可通過網絡對學生進行遠程指導，其互動性非常明顯。因而，大力構建和推廣基于Web的虛擬實驗系統(tǒng)是發(fā)展遠程教育的重要措施，是實現虛擬實驗室的重要途徑之一，具有很高的實用價值和很好的發(fā)展前景。
3.基于云計算的虛擬實驗室。提供資源的網絡被稱作“云”。云計算是通過網絡按需提供動態(tài)的廉價計算服務。它使教育教學對信息服務的需要得到最大的滿足。隨著云計算技術的高速發(fā)展，遠程互動云計算虛擬實驗室已經成為現實。它可以通過網絡動態(tài)地實現計算資源共享，使得基于網絡的虛擬資源利用效率更高，實驗的互動效果更好。
當然，無論虛擬實驗多么接近真實，優(yōu)勢多么明顯，它都不能取代真實的實驗，因為在真實實驗中通過對故障的分析及排除等來培養(yǎng)學生的能力在虛擬實驗中是不可能完全做到的。虛擬實驗只是一種新的教學輔助手段。我們認識到這一點，就能夠更合理、更好地利用它。
（責編 王學軍）
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