初中物理获奖论文虚拟实验在物理教学中的应用

中学生作文

初中物理获奖论文虚拟实验在物理教学中的应用
薛其转  长白山管委会池北二中
    摘 　要: 本文阐述了虚拟实验的特点优点及其局限性 ,说明了真实实验的历史地位和优 点 ,在此基础上结合具体例子阐明了虚拟实验和真实实验“虚 ” “实 ” 互补的两条原则。虚拟实验是对真实实验的模拟 ,真实实验是虚拟实验的基础 ,虚拟实验的局限性恰恰 又是真实实验的优点 ,二者是相辅相成的。发挥二者各自的优势 ,精心组织实验教学 ,会 受到更好的效果。在实验教学中 ,我们要坚持以下原则 : 能“真 ” 勿“虚 ”、 “虚 ” “实 ” 互补。
    关键词: 虚拟实验 ; 虚拟仪器 ; 真实实验
    中学物理教学是建立在实验基础上的，在传授新课以及探究新问题的过程中都借助于动手实际操作的实验，然后根据实验现象总结规律得出结论。然而在实际操作中由于教学条件、环境、器材的质量等因素的影响，使得实验不是每次都能圆满成功，总有不尽人意的不足，在信息技术飞速发展的今天，多媒体和虚拟实验正好填补了这种不足，使物理课在任何情况下都能有声有色，直观易懂，功不可没。那么虚拟实验有哪些优点和不足以及怎样处理虚拟实验与真实实验的关系，以下是个人的一点粗浅认识。      
    虚拟实验的特点 : 虚拟实验根据其历史形成的先后及其使用的真实器材的多少可分成思想实验、 仿真 实验和现代虚拟实验。现在实验教学中运用的虚拟实验多是仿真实验和现代虚拟实验 , 它们具有如下优点和局限 : (1) 虚拟实验能将抽象的内容形象化。多媒体技术能够多角度地提供声、 像、 图文等 内容 ,信息量大 ,应用范围广 ,能够有效地激发学生的学习兴趣 ,丰富其表现和表达能力。 在虚拟实验中 ,编程人员可以利用计算机的可控制性进行精心设计 ,从不同方向 ,不同角 度 ,不同层次展示实验模型和实验过程 ,有利于学生形象化思维的形成。如物理实验中分 析曲线运动的思想方法 —— —运动的分解和合成是个难点 ,如果用计算机直接模拟物体的 平抛运动 ,让学生直接看到物体水平方向上和竖直方向上的运动情况 ,学生就能很容易理 解曲线运动的实质。 (2) 虚拟实验功能全 ,成本低。由于虚拟实验中用的仪器主要是虚拟仪器 ,其功能较 全 ,种类多 ,可以达到传统的真实实验所无法达到的功能。实验中由于不消耗器材 ,所需 器材不受限制 ,大大降低了教学成本。 (3) 虚拟实验速度快 ,效率高。实验的过程程序化 ,实验的内容标准化 ,使实验受环 境和人为影响的因素大大减少。实验的速度决定于计算机的处理速度和程序质量 ,速度 会比真实实验快得多 ,效率也高得多。 (4) 虚拟实验除了上述 3种特点外 ,还有便于开设综合性和设计性实验、 能充分利用 计算机现有资源、 开放灵活、 与计算机同步发展、 可以实现自动化和智能化等特点。
    虚拟实验教学应用的优势 从虚拟实验的技术优势和实验教学的现状需 求出发，其优势主要体现在以下几个方面： （1）资源开放 从虚拟实验的技术实现角度来看，实验教学中 的有效资源全部开放，这使得实验项目从开发到操 作，再到后期数据处理与实验课程的复习全部开放 给学生，学生可以利用系统软件程序模块和实验项 目设计模板等帮助实验设计方案的形成与开发；利 用数据分析与处理工具包进行实验数据的分析与 处理，获得规律性认识；教师的指导性意见、学生的 交流信息和实验故障和误差分析等信息资料，可以 帮助学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固 知识。 （2）组织形式开放 虚拟实验将实验资源、实验项目开发和实验操 作等网络化、平台化，因此实验内容、时间以及地点 等组织形式是开放的具备可选择性。针对目前实验 教学需要跨学科、跨地域、多项实验同时开展等现状要求，虚拟实验所具备的组织形式开放性为实验 教学模式的扩展提供了技术准备。 （3）对象开放 虚拟实验的网络功能能够根据不同的对象设 置不同权限的系统身份，实验参与人员各取所需， 实现学习和交流的目的。在实验教学中，对象的身 份基本分为三种层次和三种身份。三种层次指的是 系统管理员、教师和技术人员、学生。三种身份是针 对学习者而言的:实验课程参与者、远程实验课程 学习者、实验爱好和探索者。

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　  虚拟实验的局限性 由于虚拟实验是以虚拟仪器为主要工具 ,它所仿真的元器件、 仪器仪表和系统功能与 物理硬件系统存在着必然的差异 ,所以虚拟实验存在着一些局限性 : (1) 缺少“实物感 ” 。不管是以 EWB为基础的虚拟电子实验技术 ,还是以 V I为基础 的虚拟检测技术等 ,都缺少“实物感 ” 。如常用的测量仪器仪表、 元件、 集成芯片 ,多种多 样的传感器等 ,在虚拟实验教学中 ,学生是见不到的。(2) 虚拟实验很难仿真真实实验中元器件参数的离散性。真实实验中元器件参数存 在的离散性 ,如标称值与实际值的误差、 同一类型元器件参数的不一致性、 元器件在系统 工作中因工作条件不同参数的差异性、 元器件因老化参数的离散性等 ,在虚拟实验中是反 映不出来的 ,学生就会缺乏这方面的知识 ,不利于学生创新能力和发现问题意识的培养。 (3) 实际各种干扰因素在虚拟实验中难以仿真。在虚拟实验中可以人为地增加些干 扰参数来仿真实际系统 ,但离真实实验中各种干扰因素影响程度还相差很远 ,有些干扰因 素根本无法仿真。真实实验中对不同的干扰因素可以采取相应的措施以减少或排除 ,这 在虚拟实验中是无法实现的。学生在虚拟实验中学不到这方面的知识和体会 ,不利于培 养学生严谨求实的科学态度 ,影响学生对微小变化和非正常信息的感受。 (4) 真实实验系统中各性能指标的精度在虚拟实验中很难控制。真实实验系统各种 参数的精度控制、 在工程中的测量误差及引起误差的因素、 各种元器件和系统的各种故障 现象等 ,在虚拟实验中很难实现。
    认真处理好实验教学中“虚 ” 与“实 ” 的关系；
    虚拟实验是对真实实验的模拟 ,真实实验是虚拟实验的基础 ,虚拟实验的局限性恰恰 又是真实实验的优点 ,二者是相辅相成的。发挥二者各自的优势 ,精心组织实验教学 ,会 受到更好的效果。在实验教学中 ,我们要坚持以下原则 :
    1、　能“真 ” 勿“虚 ” 一些简单的基础性的实验只用到些简单的基础性实验仪器 ,实验操作容易 ,过程简 单 ,在现有条件下能够用真实实验很好地完成实验任务 ,达到预期的教学效果 ,我们就用 真实实验来完成实验教学 ,而不用虚拟实验手段。如物理学上基本电量测量仪表的使用、 常见元器件的使用、 基本测量技术和工艺等要用真实实验来完成 ,使学生掌握工程设计、 调试、 测量及一起仪表元器件的使用方法 ,提高实际动手能力。
    2、　“虚 ” “实 ” 互补 实验教学中的实验 ,有的以观察实验现象为主 ,有的以验证结论为主 ,有的以测量为 主 ,有的以理解概念和实验原理及实验仪器使用为主 ,我们可以根据实验项目的不同 ,确 定采用虚拟实验还是真实实验。 (1) 针对一些实验现象不明显的实验可以采用虚拟实验。如物理学中的静电实验需 要干燥的环境 ,实验不太好做 ,用虚拟实验可以有效地弥补真实实验的不足。再如碰撞问 题是快速相互作用的典型例子 ,因为碰撞过程是在两个以上的物体间进行的 ,作用时间又很短 ,我们很难看清作用的细节 ,如果采用虚拟实验多媒体软件来模拟 ,将碰撞分为接触、 挤压、 分离 3个阶段 ,通过视频效果 ,就能真切地感受到物体作用的整个过程。 (2) 对于现代一些先进技术或要用“贵族仪器 ” 或元器件费用较高的实验内容 ,一般 采用虚拟实验来完成实验教学。 (3) 学生学习新知识时 ,可以安排一些基础的真实实验 ,待学生对要用到的主要仪器、 仪表和元器件有一个真实的感觉后 ,再采用虚拟实验 ,效果要比一开始就采用虚拟实验好。 (4) 学生在预习实验时可选用虚拟实验 ,可以减少在真实实验中的失误。
    总之 ,在实验教学中 ,将虚拟实验和真实实验有机地结合起来 ,充分发挥虚拟实验和 真实实验各自的优势 ,既要加强学生的基本功训练 ,培养实际动手能力 ,又要让学生掌握 新的现代科学技术知识和先进、 高效的实验手段 ,只有这样 ,才能更好地完成实验教学任 务 ,才能培养出既具有扎实的基础 ,又有全面新颖技术的人才 ,才能培养出既具有丰富的 知识又具有很强的动手能力的创新型人才。