仿真实验在中学物理实验教学中的应用

摘 要 在中学物理实验教学中应用仿真实验，给传统的物理实验教学增添了新的色彩。分析传统实验和仿真实验在实验教学中的优势，提出充分应用仿真实验资源优势服务教学的策略方法，进而提高实验教学的效率。

关键词 仿真实验；中学物理；实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2013）15-0129-03

1 引言

随着计算机技术的迅猛发展，各种媒体技术在教学中得到广泛的应用。特别是在具有实验性的课程教学中，许多高校都搭建了自己的仿真实验室，通过仿真实验改善了传统的教学方式。学生具有了丰富的学习资源，增强了自主学习能力，仿真实验在高校的教学中取得显著的成效。

伴随着教育改革的不断深化，全国实行了九年义务教育，高中教育得到基本普及，在校的学生逐渐增多，导致传统的实验室已经不能够满足学生的需求。而物理实验却贯穿于整个物理学习中，由于物理实验操作复杂，学校实验器材欠缺，实验环境受限，实验可控性较差等原因，影响了物理实验教学效果，不利于学生对物理理论知识的学习和培养学生的观察能力。

仿真实验室是计算机领域中的虚拟现实技术与实验教学相结合的产物。它将实验仪器、实验环境、实验环节等全部由计算机仿真系统来完成，既可以仿真传统实验，又可以仿真传统教学实验无法涉及的、条件要求很苛刻的实验，使得一些在实际实验中无法实现的实验现象或者是难以观察的实验现象变得直观明了[1]。仿真实验的产生和发展给实验教学注入新的血液，提升了学生对物理的热情，改善了传统实验教学方式，提高了学生的学习效率，节省了学校资金。

2 中学物理实验教学中应用仿真实验的现实意义

目前我国普九教育基本实现，高中教育普及率不断提高，在校学生渐渐增加，人们受教育程度越来越高。尽管每年国家在教育基金的投入上都有提高，但学校的资源还相对欠缺。由于各个地区和学校级别的不同，物理实验配备存在很大的差异。在对具有代表性的西南民族地区云南省怒江州各个学校的调查中发现，各个学校的实验配备数量不足，都未达到教育部教学仪器研究所2007年5月18日发布的《物理实验室的装备要求》的指标[2]。对我国5个省份的22所学校进行的调查结果显示，所有学校都有专用的实验室和仪器室，从教育部制定的实验配置标准看，有超过1/3的学校没有达到实验室配备标准的要求，既没有达到教育部标准也没有达到本省标准的占22.7%[3]。尽管大多数学校物理实验能够达到教育部2000年颁布的物理实验教学仪器配置的标准，但从配置标准来看，实验室能容纳的学生人数非常有限，当学校的学生人数增加时，实验设备不能及时增加。因此，传统的实验配置不能及时适应现代教育教学的改革。

2.1 传统实验自身的局限性

传统实验室的设备要专门的人员进行日常维护及管理，花费成本较高；中学物理的部分实验受环境因素的影响，在传统实验室里很难正常开展；有的实验操作复杂，要求精确度高，操作的不规范性会影响实验结果，会误导学生对实验的认识。在对云南省的部分中学进行的调查中，发现竟无一所中学的物理实验室在课外时间开放，原因是开放实验室要安排专业的人员，需要花费经费，管理麻烦；其次是学校课程安排紧，课余时间少。传统实验室只有在课上为学生开放，实验室的资源利用率较低，甚至有些学校的实验室只是作为一个摆设，目的只是为了应付上级领导的检查和参观而已，并没有实际投入使用。

2.2 仿真实验在教学中的应用符合教育信息化的趋势

随着计算机技术的发展，人机交互、网络教学等现代教学资源渐渐应用到教育活动中，仿真实验在教学中的应用符合现代教育技术信息化教育模式的发展方向，克服了传统实验在仪器配备上的不足和时空的限制。把仿真实验应用到中学物理实验教学中，不仅克服了传统实验所存在的局限性，同时促进了中学物理实验教学的改革和发展。

3 仿真实验应用到中学物理实验教学中的优势

仿真实验应用到中学物理实验教学中无疑在培养学生兴趣、教学资源利用及弥补传统实验不足方面都有优势。

3.1 仿真实验有利于培养学生对物理学的兴趣

物理学作为一门以观察和实验为基础的学科，实验是其重要的一部分。中学的物理实验由力学实验、电学实验、热学实验、光学实验和近代物理实验共同构成。传统的实验教学都是在真实的实验室完成，然而真实的实验室由于实验器材的缺乏、时间空间的限制、实验难度大、实验可控性差的影响，中学物理教师大多只是选择在课堂上讲实验或一个人在讲台上做实验，这样枯燥的学习氛围会让学生失去对实验的兴趣，渐渐对物理课程失去信心，所以很多学生都觉得物理很难学。兴趣是最好的老师，然而在对学生学习状况的问卷调查中，发现目前有相当多的学生学习兴趣低，学习积极性不高，部分学生对学习感到厌倦、烦恼[4] 。因此，在中学物理教学中，教师应该注重对学生的学习兴趣的培养。在中学物理实验教学中采用仿真实验，将有利于培养学生对物理的兴趣，提升学生对物理知识学习的积极性。

3.2 仿真实验无时空局限性，使得教学资源得到充分的利用

仿真实验无时空的局限，可以让每个学生都参与到实验中。传统实验受空间和时间的限制，在实验教学中，教师往往是将数个实验同时开设，学生轮流做。通常是以组为单位做实验，在以组为单位做实验的过程中，难免有学生在里面滥竽充数。教师在课堂上既要管好实验教学的秩序，又要实时监控学生实验进度和答疑，这既增加了教师的工作强度，也影响到实验教学的效果。仿真实验作为一种教学软件，易于携带和传播，学生可根据自己的时间安排实验的学习。仿真软件可实现对学生学习进度进行实时监控，教师可根据监控结果找出学生遇到的问题及学习情况。由于物理实验花费时间较长，教师一般是把实验教学和理论教学分开，而实验的现象和结论总是贯穿在整个物理教学中，不利于学生及时应用实验在物理学习中。采用仿真实验，可将实验带进课堂，在理论学习的同时贯穿实验教学，实现实验教学辅助理论知识的学习，使理论知识得到加深和巩固。这样把中学物理的理论知识和实验教学有机结合起来，提高物理理论知识学习效率和实验观察能力。

3.3 仿真实验弥补了传统实验中存在的不足

仿真实验作为一种学习软件，可将有难度的实验设置预习阶段，只有预习后方能进行实验，这样能监督学生进行实验前的预习过程。在传统实验教学中，很多学生在实验前并没有实验预习，但教师不可能给大家时间进行预习，于是直接进入实验室就开始做实验，这样不仅影响了实验的进度，还让学生厌恶实验教学。在传统的实验室里，复杂的实验受条件的影响无法将实验过程重现，这样很容易忽略重要的细节。而仿真实验具有重现能力，让一个实验多次重现，直至学生掌握该实验为止。仿真实验室不仅能够实现真实实验室能实现的实验，还能实验一些真实实验室无法实现的功能。特别在中学物理的光学实验部分，因为光学实验对环境的要求甚高。仿真实验能够实时显示测量结果，并能提供多种实验方法和设计平台，有利于培养学生的设计思考能力和比较判断能力，可以达到操作实验难以实现的效果[5]。传统的实验室总是要花费许多资金来维护和管理，采用仿真实验可大大节省资源和学校经费。

4 应用仿真实验在中学物理实验教学中存在的问题

首先，人们容易错误地把仿真实验用来完全替代传统实验。仿真实验具有的高度逼真、重现能力强、资源节约性、良好的人机交互功能等，在实验器材较为缺乏的条件下，弥补了传统实验的不足，从而在教育教学中得到广泛的应用。仿真实验在教学中的广泛推广，导致部分教师完全用仿真实验来替代传统的实验，这不利于培养学生的创新思维和实际的动手能力。仿真实验是按指令要求运行相应的程序，一般实验都能完美无缺地进行，实验结果与理论分析完全一致，学生很难在实验中思考新问题，在一定程度上禁锢了学生的创新思维。因此，计算机仿真实验不适用于创新性的探索实验[6]。

其次，许多人忽视仿真实验存在的缺陷，过分夸大仿真实验的训练作用。任何事物都有两面性，仿真实验在中学物理实验教学中有好的方面，同时也存在一些缺陷。仿真实验只是带领学生进入一种近似真实的实验环境中，但实验的操作只需要学生用鼠标点击即可进行，实验过于理想化，将会使学生忽略实验的细节，这不利于严谨的学风的养成。仿真实验虽然不受时空的限制，在任何时间都可以进行实验，然而学生在实验过程中遇到问题却不能及时和教师进行沟通，减少了师生间的相互交流。仿真实验能满足学生独自一人做实验，而不像传统的实验教学中，通常以组为单位进行学习，这样学生之间的相互交流学习机会减少了，不利于合作学习能力的培养。

5 在中学物理实验教学中应用仿真实验的思考

仿真实验在中学物理实验教学中的应用并不是都能提高实验教学的效率，只是针对部分学校在实验器材缺乏的情况下，不能开展传统的实验教学，采用仿真实验可让学生更直观地观察实验现象，从而提高学生的学习兴趣，利于实验结论的记忆和应用。有部分学校虽然实验器材配备完善，但实际的实验教学开出率很低。在对山东省部分高中物理实验仪器与使用情况的调查中发现，学校实验没有开出的主要原因是“教学时间紧张”[7]。针对因教学时间紧张而确实不能开展传统实验教学的学校，可利用仿真实验来优化实验教学效果。仿真实验没有时空的限制，学生可以课后进行实验。在对云南省部分学校实验器材的配备情况的调查中发现，演示类的实验器材几乎没有配备，其原因是认为演示类的实验器材没有必要配备，因为演示类的实验只要求学生大致明白实验的一个现象。如高中物理中光学实验部分，演示类实验采用仿真实验可以达到实验教学的目的。

研究型实验和设计型实验是否采用仿真实验，是一个值得考虑的问题。研究型实验注重的就是学生发现问题、分析问题，培养学生解决问题的能力。仿真实验中只需要用鼠标点击即可进行实验，实验趋向于理想化，这又如何来培养学生发现问题的能力？对于设计型实验，采用仿真实验虽然可以避免因错误操作而导致灾难发生，但学生会形成为所欲为的态度，这样的态度不利于培养严谨的科学观。因此，在实验教学中是否采取仿真实验值得深思。

仿真实验和传统实验在实验教学中都有各自的优势，教师应充分利用两者的优势来服务自己的实验教学。首先，在实验器材缺乏的实验教学中，可采用仿真实验来进行实验教学；其次，在实验环境要求较高、实验较为复杂、花费时间较长的情况下，采用仿真实验可提高教学的效率；再次，对于只要求学生掌握实验现象的演示类实验，采用仿真实验进行实验教学并没有不妥。但在实验器材装备完善的学校，对于探究性实验、研究型实验，应该采用真实的实验，有利于培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。对于实验现象复杂的探究性实验，可先在传统实验室里进行实验，然后利用仿真实验的可控性来观察实验的细节。

在物理教学中可根据具体的情况来进行实验教学，利用仿真实验和传统实验的有效结合和交替，优化中学物理实验教学，改革传统的教学方法，提高教学效率。

6 结语

中学物理课程是一门实践性较高的课程，而在物理实验教学中，存在部分实验器材老化和缺乏、实验环境复杂、学校资金短缺等情况。仿真实验给传统的实验教学带来新的变革，提高了学生的积极性。但毕竟仿真实验还不是全真实验，因此还不能完全替代传统的实验，只有两者有机结合并服务于中学物理实验教学，才能更好为地国家培养具有创新能力、动手能力强、理论知识扎实的人才。

参考文献

[1]成建宇.仿真实验室在物理教学中的应用[J].新课程，2012（10）：165.

[2]杨同华.云南省怒江州中学物理实验教学现状调查研究[D].重庆：西南大学，2008.

[3]陈庆朋.高中物理实验教学条件和实施过程的调查研究[D].重庆：西南大学，2009.

[4]山世华.新形势下高中生心理素质教育探讨[J].中学时代，2012（10）：210-211.

[5]谭守标，霍剑青，王晓蒲.计算机虚拟技术在大学物理仿真实验教学系统中的应用[J].中国科学技术大学学报，2005：

429-433.

[6]张文英，岩帅.物理化学虚拟实验教学法的应用[J].当代教育理论与实践，2012（6）：108-109.

[7]李洪俊.山东省高中物理实验仪器配备及使用情况调查研究[D].重庆：西南大学，2006.

推荐访问:在中 仿真 物理实验 实验 教学中