传统物理实验与虚拟仿真实验研究

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摘要:物理学作为探索自然规律、解释自然现象的一门学科，物理实验构成了它的基础。随着人类教育的逐渐进步，传统的物理实验由于其自身的一些限制性条件而无法满足物理教学中的所有要求。随信息技术发展而出现的虚拟仿真技术，由于其独特的优点被引入各种物理实验，成为与传统实验相结合的一种新的实验教学模式。这两种实验方式各有其优缺点，两者相互结合、相互弥补，实现物理实验在物理教学中的更大功能。

关键词:传统物理实验；虚拟仿真实验；虚实

结合作为一门自然学科，物理学有着锻炼学生逻辑思维能力的作用，而作为物理学基础的物理实验则是培养学生动手能力、科学思维能力、合作交流能力的主要手段。传统实验模式由于时空限制、仪器设备等原因无法实现对学生的培养要求。虚拟仿真实验则为实验教学打开了一个新的世界，它是计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术的产物，成为教育领域应用信息技术的一种创新[1]。相比之下，虚拟仿真实验是通过构造一个结构化的虚拟实验室，为学生开展探究型学习提供实验条件，并帮助学生研究、分析和探索物理世界中各种感兴趣的问题[2]。

1传统物理实验的优点与不足

1.1传统物理实验的优点。（1）能提高学生感性认知。从心理学的角度出发，学生总是对自己能够亲身接触的实物记忆得更加深刻和透彻。在物理教学中，物理概念与物理规律是建立在一定的感性认知基础之上的。传统实验由真实的实验仪器和设备构成实验的物质基础，学生操作真实的实验仪器设备，通过视觉、听觉、触觉等来认识客观事物获得感性认知，对物理产生热爱的同时加深对理论知识的学习与掌握。（2）能提高学生操作能力。学生在进行物理实验的过程中，除了对原理的理解有所不足外，还会遇到各种各样的实验误差，这就要求学生学会分析相关实验的误差原因，拥有一定的问题解决能力，知道从偶然误差和系统误差两个角度进行分析，清楚如何调节仪器来解决相关问题。在实验结论不符合理论推导时，能够思考是由于仪器使用方法出错还是仪器本身有缺陷引起的，并进行调节。在对真实仪器的调节过程中提高了学生的动手能力和解决问题的能力。1.2传统物理实验的不足。（1）实验教学受时空、人力限制。传统的物理实验教学一般都是在特定的实验室进行。然而，在一些偏远地区的学校，由于经费问题没有建设专门的实验室，使得物理实验无法正常开展，无法实现实验在教学中的作用。另外，实验员数量不足和物理教师兼职实验员的现象使传统实验的开展出现了困难[3]。中学物理教师自身压力大，他们既担负着提高升学率的重担，又有自己职称评定的压力，而部分学校一般是将他们的职称评定与升学任务的完成情况连为一体。所以，物理教师们不可能专注于物理实验的教学，他们更多是把精力集中于理论课的教学。而这样就又回到了以前的应试教育模式，对学生实践能力、创新能力的培养非常不利。（2）实验仪器老旧。传统实验使用实验仪器进行操作时，随着实验次数的增加，实验仪器被使用的频率提高，仪器的磨损率变大，从而使学生即使在操作无误的情况下，观察到的实验现象和获得的实验数据也不理想。所以，在实验中经常出现这样的现象，学生为了能得到较理想的结果在整个实验过程中都忙着检查、修复仪器，浪费大量的时间，甚至到最后为了完成实验任务不得不向其他同学匆匆借鉴一份数据，这严重影响了学生进行实验的积极性。（3）部分抽象实验现象不明显。物理学中的部分知识较抽象，通过传统的实验无法将这些抽象性的物理现象呈现给学生。因此，学生在无法获得感性认知的情况下，很难理解这些抽象的知识。如电磁波的形成需要变化的磁场与电场的相互作用，所涉及的电场、磁场、电磁波都是物质的一种客观存在，但看不见也摸不着，在真实的实验中也无法呈现，学生无法通过感性认知去理解，从而成为学习的难点。

2虚拟仿真实验的优点与不足

2.1虚拟仿真实验的优点。（1）安全、经济。部分实验过程中，为了保证学生的安全，实验教师都会在实验前重点给学生讲解注意事项，可学生总是会对老师所告诫的一些不能做的事有着强烈的好奇心，总想去尝试一下看看会有什么结果。如，中学电学实验中，老师告诫学生不可将一根单独的导线接于电源的两端，学生处于初学阶段，非常好奇想要亲自看到这样操作会出现什么现象，在老师不注意的情况下进行错误的操作，就可能会烧坏电源引发安全事故。虚拟仿真实验提供虚拟的元器件和实验环境，学生可以按照自己的想法连接实验器件、观察实验现象。操作错误时，虚拟软件会出现相关操作错误警告，提醒这样操作会引起的危害，而不会引发真正的事故。这就体现了虚拟仿真实验比传统实验更加安全、经济的优点。（2）实验结果更接近理论值。传统物理实验会受到实验仪器、场所等客观因素的影响而造成实验结果不理想。而采用虚拟仿真实验可以提供理想化的实验环境，使得实验环境不会对实验仪器造成影响。例如，在用单摆验证机械能量守恒实验时，虚拟的环境不用考虑单摆受空气阻力等影响，所以不会出现像真实实验的摆动过程中振幅越来越小的现象。虚拟实验中的各个实验仪器之间并不是直接接触，避免了仪器之间可能会有摩擦而产生的误差。（3）开放性的实验环境。中学生处于思维活跃、富于幻想、好奇心强的阶段，他们总是对一切事物充满了好奇心，会在头脑中想出一些天马行空的东西，对于一些动手操作的事情充满了极大的兴趣，对一些既定的规则制度总有质疑。所以，在实验中经常有这样的现象出现：学生很不理解实验的操作为什么要按照书中所写的步骤进行，换自己的方法可不可以？即使教师向学生仔细地解释其缘由，学生依然固执地认为按照自己的想法和设计也能得到实验效果并且还更简单。虚拟仿真实验则向学生提供了一个开放的实验平台，学生可以运用虚拟软件按照自己的想法来选择实验模式、设计实验步骤，在实验过程中充分发挥了他们的直觉思维能力、创造思维能力，也实现了培养学生学习兴趣的目的。2.2虚拟仿真实验的不足。（1）缺乏实验的氛围。虚拟仿真实验采用人机交互的模式，学生面对的是冰冷的电脑和一些不真实的软件。实验时老师一般是通过主机控制方式与学生互动，这会给学生带来一种感觉：他们面对只是一个会讲解实验知识的机器，而并非真正的人。虚拟仿真实验模式一般采取一人一机，无法提供真实实验中的人文环境，难以实现核心素养中提出的培养学生合作交流能力的要求。（2）实验过于理想。虚拟实验完全是在虚拟的环境中进行，各种器材的连接、调节都是通过鼠标或者键盘来操作，学生只要掌握了实验原理，根据实验原理对实验仪器设备进行连接，就可以基本保证实验结果与理论结果相符。物理核心素养中的“科学思维”提出培养学生分析问题和解决问题的能力。而虚拟实验过程都非常理想，对真实实验过程中的一些细节，特别是易出现的实验故障等问题缺乏模拟，不利于培养学生发现问题和解决问题的能力。

3两种实验的互补性

传统实验模式与虚拟仿真实验各有其独特的优缺点，两者并非非此即彼、相互对立的关系，而是相互共存、相互促进的统一体。为了使物理实验教学效果达到最优化，在中学物理实验教学中应考虑将两种实验模式结合起来，从而实现实验教学的目的。（1）从安全性与感性认知考虑两者的结合。（2）根据实验目的合理选择“虚”“实”实验模式。物理实验有多种类型，不同的实验类型有不同的实验目的，可大致分为，以观察实验现象为主的演示性实验、以验证物理定理或定则为主的验证性实验、以测量为主的测量性实验、以探究物理规律为主的探究性实验。教师可以根据实验项目目的的不同，灵活地采用虚拟实验和传统实验。由于虚拟实验模式提供的实验环境和所得的实验结果较理想，所以对于一些主要是以观察实验现象为目的的实验就可以采取虚拟仿真实验模式。如牛顿环实验、小孔成像实验等。另外，一些难以理解的抽象概念和一些需要学生根据实验原理自行设计的设计型实验也可以采用虚拟仿真实验模式，使学生在实验过程中能够充分发挥自己的创新意识。

4讨论

在信息技术还未发展时，物理实验都是采用传统的实验模式来进行。随着虚拟仿真技术在教学领域的应用，也使得传统的教学发生了变革，带来了一种新的教学观念，并影响着教学模式和教学内容的变化。虚拟实验的安全性、经济性以及所具有的能够营造理想的实验环境的优点弥补了传统实验模式的不足。同时，由于虚拟仿真技术暂时未发展到能够像传统实验那样调动学习者各种感知觉的强大功能，所以这种方法只能作为传统实验的一种辅助。也正如前面所述，两者并非非此即彼的关系，而是相互补充、共同发挥实验教学的最大功能。在今后的教学中如何将这两种实验模式有机结合，就需要我们这些即将成为人民教育工作者的学生和正在教育一线工作的教师们的不懈努力。

参考文献

[1]张金凤,贾小文,赵云飞,等.信息技术在物理实验课教学中的应用[D].天津:陆军军事交通学院基础部,2018.

[2]王卫国,胡今鸿,刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索,2015:214-219.

[3]刘科.仿真物理实验室在高中物理教学中的有效应用策略研究[D].成都:四川师范大学,2012.

作者:冯靓 刘高福 单位:贵州师范学院物理与电子科学学院