虛擬實(shí)驗(yàn)與初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的實(shí)踐與反思

PAGEPAGE5摘要：物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。因此在物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)是教學(xué)活動(dòng)中一個(gè)必不可少的過(guò)程，它對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和解決問(wèn)題的能力是至關(guān)重要的，可以說(shuō)學(xué)生的大部分實(shí)踐能力都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的。作為新發(fā)展起來(lái)的虛擬實(shí)驗(yàn)，雖然解決了初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些問(wèn)題，但又帶來(lái)了一些新的問(wèn)題。本文根據(jù)自己在教學(xué)實(shí)踐和學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的類型、與物理真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的模式作了一些粗淺的探討，并就整合過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了深刻的反思。關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；物理實(shí)驗(yàn)；初中物理教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合，就是要發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。把虛擬實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生的認(rèn)知工具，為學(xué)習(xí)主體建構(gòu)一個(gè)發(fā)揮創(chuàng)造潛力的教與學(xué)環(huán)境，構(gòu)建創(chuàng)造教育的新模式，通過(guò)學(xué)生的參與，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力。一、用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的兩種虛擬實(shí)驗(yàn)初中物理教學(xué)中，有以下兩種常見(jiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)1.動(dòng)畫(huà)演示課件動(dòng)畫(huà)演示是信息技術(shù)用于學(xué)科教學(xué)的最初表現(xiàn)形式，是信息技術(shù)和課程整合的最低層次，目前大多數(shù)教師都采用這種形式和方法。教師可以使用現(xiàn)成的計(jì)算機(jī)輔助的教學(xué)軟件或多媒體素材庫(kù)，選擇其中合適的部分用在自己的學(xué)科教學(xué)之中，也可以利用PowerPoint、flash、幾何畫(huà)板、Authorware等軟件，綜合利用各種教學(xué)素材，將實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象設(shè)計(jì)成模擬真實(shí)情況的演示文稿和多媒體課件，演示某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)地展示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和理論模型，幫助學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了它們無(wú)法實(shí)現(xiàn)的教育教學(xué)功能。動(dòng)畫(huà)演示物理實(shí)驗(yàn)雖然有一定的動(dòng)態(tài)性，但是它只是對(duì)物理現(xiàn)象和結(jié)果的定性的展示，它所展示的物理結(jié)果并不是由計(jì)算而得，而是被預(yù)先設(shè)定好，一般不具有交互性，它所有的動(dòng)態(tài)過(guò)程一般都采用文件播放形式，形成一種模式比較固定的教學(xué)方式。2.虛擬實(shí)驗(yàn)室下的仿真實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境,其中的每一個(gè)可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備,通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊以及拖曳操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備,即可進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn),達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相一致的教學(xué)要求和目的。它是虛擬仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)理論知識(shí)多方面結(jié)合的結(jié)晶。無(wú)論是學(xué)生還是教師都可以自由地、無(wú)顧慮地隨時(shí)進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室操作儀器進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了條件和技術(shù)支持。虛擬物理實(shí)驗(yàn)室和一般意義上的物理實(shí)驗(yàn)室的不同之處在于虛擬實(shí)驗(yàn)室中操作的并不是真實(shí)存在的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，而只是以軟件仿真來(lái)模擬已經(jīng)存在和使用的設(shè)備。仿真物理實(shí)驗(yàn)室的使用旨在為物理教學(xué)創(chuàng)造一個(gè)激發(fā)學(xué)生積極探究的物理情境。它具有很強(qiáng)的交互性、開(kāi)放性和構(gòu)建性，對(duì)于正在學(xué)習(xí)物理的學(xué)生來(lái)說(shuō)，仿真實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)理想的學(xué)習(xí)工具。二、信息技術(shù)下的虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的教學(xué)模式虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合，一方面要發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，同時(shí)又借助于實(shí)驗(yàn)為載體，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)并應(yīng)用信息技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題；另一方面突出學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程，有效地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)。1.動(dòng)畫(huà)課件演示型教學(xué)模式教師使用信息技術(shù)為主的動(dòng)畫(huà)演示型教學(xué)模式中，最簡(jiǎn)單的方式就是在現(xiàn)有教學(xué)模式基礎(chǔ)上將信息技術(shù)作為新教學(xué)媒體使用，信息技術(shù)成為供教師展示教學(xué)內(nèi)容的工具。運(yùn)用這一教學(xué)模式，教師應(yīng)熟悉多媒體教學(xué)課件的開(kāi)發(fā)、使用。一般在演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的物理過(guò)程和結(jié)果，可使靜態(tài)事物動(dòng)態(tài)化，微觀現(xiàn)象可視化，抽象知識(shí)形象化，完成難做實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫(huà)模擬，進(jìn)行物理過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析。在做好實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上應(yīng)用動(dòng)畫(huà)模擬再疊加分析性的信息，為學(xué)生搭建由形象思維邁向抽象思維，由表象到理性的“橋梁”，促進(jìn)學(xué)生識(shí)別實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)生及變化的條件，然后再進(jìn)行抽象概括，形成概念、規(guī)律，歸納物理現(xiàn)象的共同特征。它的流程一般如圖1所示。設(shè)疑激趣演示實(shí)驗(yàn)設(shè)疑激趣演示實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)驗(yàn)意義建構(gòu)應(yīng)用創(chuàng)新圖1例如：筆者在進(jìn)行“聲音不能在真空中傳播”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，用抽氣盤(pán)和抽氣機(jī)進(jìn)行演示。由于絕對(duì)真空不可能實(shí)現(xiàn)，只可以隨氣體的逐漸減少，我們可聽(tīng)見(jiàn)的聲音逐漸減弱，實(shí)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到理想的效果。在講清實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的支持下，筆者采用了動(dòng)畫(huà)課件的演示，幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)。應(yīng)當(dāng)提出的是，我們?cè)诶眠@些資源時(shí)，不能只停留在演示播放的水平上，我們必須根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的要求，依據(jù)建構(gòu)主義的基本原理，做好師生教與學(xué)的活動(dòng)方式的設(shè)計(jì)，把它們作為認(rèn)知工具，構(gòu)建新型的教學(xué)模式。2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)下自主探究的教學(xué)模式隨著信息技術(shù)的發(fā)展，借助于多媒體技術(shù)和一些工具軟件創(chuàng)設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了我們的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，它為學(xué)生提供了全方位的操作環(huán)境、為教師提供了開(kāi)放性的教學(xué)平臺(tái)、學(xué)生探索性的學(xué)習(xí)平臺(tái)。一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，由于條件的限制，儀器被損壞的不可修復(fù)性等所造成的學(xué)生探求欲望得不到滿足；另一方面，它為實(shí)驗(yàn)提供了必要的工具和手段，使學(xué)生可以在自主地在“問(wèn)題空間”里進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，教師可以將更多的探究、分析、思考任務(wù)交給學(xué)生，使學(xué)生在教師的指導(dǎo)下由被動(dòng)的實(shí)驗(yàn)變?yōu)橹鲃?dòng)的探究，可以象“研究者”那樣，在虛擬仿真的情景下來(lái)學(xué)習(xí)、來(lái)創(chuàng)造，自主地發(fā)現(xiàn)、探索知識(shí)，使學(xué)習(xí)過(guò)程呈現(xiàn)一種新景象。如筆者在進(jìn)行八年級(jí)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)，所使用的“新課標(biāo)實(shí)驗(yàn)室—初中電學(xué)”就是一個(gè)很好的虛擬仿真教學(xué)軟件。該軟件不僅在仿真器材的基礎(chǔ)上，借助于復(fù)雜的程序內(nèi)核，虛擬出了一個(gè)逼真的電學(xué)實(shí)驗(yàn)室，而且應(yīng)用了人工智能技術(shù)，能根據(jù)電路的連接情況自動(dòng)計(jì)算電流、電壓和電阻，產(chǎn)生逼真的實(shí)驗(yàn)的效果，能迅速識(shí)別電路連接方式并繪制出電路圖。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可以很方便地進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，還可以自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，使所學(xué)知識(shí)得以鞏固，創(chuàng)新能力和探索精神得到培養(yǎng)和提高。3.學(xué)習(xí)包與主題學(xué)習(xí)網(wǎng)站模式教師可以課前把與學(xué)習(xí)內(nèi)容有關(guān)的課件、仿真實(shí)驗(yàn)室工具軟件、聲像、文本資源等按章節(jié)或單元整理成文件包或者編輯成專題學(xué)習(xí)網(wǎng)頁(yè)后提供給每個(gè)學(xué)習(xí)小組，文件包儲(chǔ)存于學(xué)習(xí)機(jī)上供學(xué)生課前和課后查閱瀏覽。讓學(xué)生通過(guò)瀏覽學(xué)習(xí)包中的課件和主題學(xué)習(xí)網(wǎng)站針對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容自主地提出問(wèn)題和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教室展示他們的學(xué)習(xí)成果，讓同學(xué)們對(duì)此進(jìn)行討論和完善，其他同學(xué)也可以提出新的方案進(jìn)行補(bǔ)充，在整個(gè)過(guò)程中，教師只是對(duì)同學(xué)們的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行組織和指導(dǎo)。讓學(xué)生通過(guò)對(duì)比受到啟發(fā)，找到自己的不足，從而使所學(xué)的知識(shí)得到升華，思維變得更開(kāi)闊。這種模式為學(xué)生開(kāi)展自主分層學(xué)習(xí)提供了可行性，學(xué)生可以通過(guò)瀏覽學(xué)習(xí)包和主題學(xué)習(xí)網(wǎng)頁(yè)中的資源，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣和自己的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容，使每個(gè)學(xué)生都學(xué)有所得。三、虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合的反思1.虛擬實(shí)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合所謂有機(jī)結(jié)合，即處理好虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)與其它教學(xué)手段、虛擬實(shí)驗(yàn)與教師講授之間的關(guān)系。虛擬實(shí)驗(yàn)不能淡化真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)。真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生獲得物理知識(shí)最直接的手段、最真實(shí)的經(jīng)驗(yàn)和最好的感性材料。虛擬實(shí)驗(yàn)只能逼真，而不可能真實(shí)，不能試圖用虛擬實(shí)驗(yàn)去代替真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以進(jìn)行、效果不好，需用電腦模擬的實(shí)驗(yàn)，要將真實(shí)的實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)給學(xué)生，講清實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)過(guò)程，再進(jìn)行電腦模擬，將虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不言自明，物理實(shí)驗(yàn)為其根本，我們必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究。在教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)更合理的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，改進(jìn)和制作物理實(shí)驗(yàn)儀器，結(jié)合科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段。而且電腦模擬有其局限，如聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，演示噪音、樂(lè)音及其波形，除示波器外，我們要用錄音機(jī)，這種真實(shí)性是虛擬實(shí)驗(yàn)不能達(dá)到的。有的模擬用投影、幻燈就可簡(jiǎn)潔而形象地進(jìn)行，也不必費(fèi)時(shí)、費(fèi)力去進(jìn)行電腦模擬。2.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的負(fù)面效應(yīng)承認(rèn)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的同時(shí)，我們也要辯證地分析虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)所產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。信息技術(shù)條件下的虛擬實(shí)驗(yàn)作為教的工具和學(xué)的工具、學(xué)習(xí)環(huán)境建構(gòu)的工具，確實(shí)在推動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的過(guò)程中發(fā)揮了巨大的作用。不可否認(rèn)，虛擬物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于物理教學(xué)的確改變了物理的教學(xué)方式與學(xué)習(xí)方式，解放了學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間與空間，可以為學(xué)生創(chuàng)造出圖文并茂、豐富多彩、人機(jī)交互、即時(shí)反饋的學(xué)習(xí)環(huán)境，能充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生的多種感官去操作、觀察、猜想、歸納、類比來(lái)獲取知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的自信心。在為信息技術(shù)整合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)而歡欣鼓舞的同時(shí)，我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到信息技術(shù)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)所產(chǎn)生的不良影響。如果僅僅將課件演示來(lái)代替演示實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)代替學(xué)生的探究實(shí)驗(yàn)，使教師成為操作員，形成了人與人的隔絕，忽視學(xué)生間合作與情感的交流。那就與整合就背道而馳了。信息技術(shù)是把雙刃劍，使用得當(dāng)，教師、學(xué)生受益；使用不當(dāng)，教師的教學(xué)會(huì)缺乏激情，學(xué)生的記憶力、運(yùn)算能力也得不到提高，對(duì)這種負(fù)面的影響我們決不能等閑視之。過(guò)分地依賴技術(shù)也會(huì)束縛人腦思維的開(kāi)放性，使得人們的想象力受到限制。因此，要處理好信息技術(shù)下的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系。3.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)要在設(shè)計(jì)上下功夫虛擬實(shí)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整合需要在教學(xué)設(shè)計(jì)上下功夫，即如何設(shè)計(jì)使學(xué)生的人格、思維、智慧得到更大的發(fā)展，這就要求在設(shè)計(jì)的過(guò)程中切忌形式化、盲目化，以免實(shí)驗(yàn)教學(xué)的本質(zhì)被技術(shù)稀疏化、僵硬化。因此，要以建構(gòu)主義、多元智能理論作為支撐點(diǎn)，全面審視信息技術(shù)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)容、實(shí)施等方面的設(shè)計(jì)問(wèn)題，探尋整合的切入點(diǎn)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要防止用虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程代替學(xué)生的思維和操作過(guò)程。如：計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行快速的分析與運(yùn)算，可以快速繪圖能力與推理能力，所以教師在教學(xué)過(guò)程中就有可能不再關(guān)注學(xué)生的運(yùn)算和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力的培養(yǎng)；教學(xué)中教師可能會(huì)顧此失彼……，這樣做的結(jié)果勢(shì)必會(huì)使學(xué)生的物理素養(yǎng)下降。因此，樹(shù)立整合的科學(xué)設(shè)計(jì)觀對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施具有十分重要的意義。在明確的教學(xué)目標(biāo)引導(dǎo)下，對(duì)運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的每個(gè)細(xì)節(jié)認(rèn)真考慮，不要讓技術(shù)束縛師生的思想和淡化師生的情感、態(tài)度及價(jià)值觀的形成。整合的設(shè)計(jì)觀要求把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)環(huán)境下的虛擬物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，提升學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律及其現(xiàn)象本質(zhì)的理解。整合的設(shè)計(jì)觀決不能游離于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，不能為用信息技術(shù)而丟失物理實(shí)驗(yàn)的本來(lái)的特色，而是要全方位地關(guān)注學(xué)生、教師、資源的發(fā)展，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過(guò)程中與學(xué)生一起分享、共同承擔(dān)。整合的設(shè)計(jì)觀要求教師認(rèn)真學(xué)習(xí)物理課程標(biāo)準(zhǔn)，明確教學(xué)目標(biāo)，深入鉆研教材，挖掘知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，創(chuàng)造性地完成教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整合的發(fā)展。總之，對(duì)于多媒體的虛擬實(shí)驗(yàn)，我們不能因?yàn)樗膬?yōu)點(diǎn)而讓它完全替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器，也不能因?yàn)樗煌趥鹘y(tǒng)儀器的操作方式而抵觸它。我們應(yīng)該認(rèn)真客觀地對(duì)待它，根