劉維棟

(天水市第二中學(xué) 甘肅 天水 741020)

陳利云

(天水師范學(xué)院生物工程與技術(shù)學(xué)院 甘肅 天水 741001)

自然科學(xué)的發(fā)展建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，科學(xué)實(shí)驗(yàn)是人們利用科學(xué)儀器與設(shè)備通過(guò)人為控制或者模擬自然現(xiàn)象以認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)探究活動(dòng)，如孟德?tīng)柕倪z傳實(shí)驗(yàn)、巴斯德的微生物實(shí)驗(yàn)、赫茲發(fā)現(xiàn)無(wú)線波、費(fèi)米的鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)實(shí)驗(yàn)等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)所揭示的科學(xué)規(guī)律推動(dòng)著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展并深深地影響了人們的生活．科學(xué)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)教育的重要基礎(chǔ),是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)必須的實(shí)踐途徑,培養(yǎng)學(xué)生將動(dòng)手與動(dòng)腦相結(jié)合,通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果等過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生理性認(rèn)識(shí)的方法、穩(wěn)定的認(rèn)知力和持久的創(chuàng)造力，因此“做實(shí)驗(yàn)”的過(guò)程不僅能解決具體的科學(xué)問(wèn)題，更重要的是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)踐活動(dòng)能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究興趣,培養(yǎng)科學(xué)思維習(xí)慣,最終形成科學(xué)的態(tài)度和科學(xué)的價(jià)值觀．但由于受應(yīng)試教育等因素的影響,在我國(guó),中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，重講解、輕實(shí)驗(yàn)、重結(jié)論、輕過(guò)程是普遍存在的現(xiàn)實(shí)，在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的西北地區(qū)尤為突出．物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué), 有許多抽象的科學(xué)現(xiàn)象如磁通、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等，學(xué)生不能直接觀察到需要在了解了相關(guān)概念的基礎(chǔ)上發(fā)揮抽象思維與想象力,同時(shí)物理實(shí)驗(yàn)中可能要涉及到高壓、高危的實(shí)驗(yàn)條件,容易造成安全事故，再者物理實(shí)驗(yàn)中部分實(shí)驗(yàn)器材價(jià)格高昂、耗材量大，實(shí)驗(yàn)成本過(guò)高,尤其對(duì)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)中學(xué)，大量的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難全面開(kāi)展,學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到了很大困難，致使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“教師難教、學(xué)生厭學(xué)”的現(xiàn)象長(zhǎng)期存在．

信息化技術(shù)的迅猛發(fā)展，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境的重要組成部分創(chuàng)造了條件，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，通過(guò)各種專用設(shè)備使學(xué)生置身于此環(huán)境中進(jìn)行自然交互，實(shí)驗(yàn)者能在模擬真實(shí)的操作環(huán)境中完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)效果等同于或優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所獲得的效果，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，它能節(jié)省實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的資金和實(shí)驗(yàn)耗材投入，避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來(lái)的各種危險(xiǎn)，徹底打破空間、時(shí)間的限制，起到部分輔助甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的作用．在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)可作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種重要輔助手段，來(lái)代替部分實(shí)際操作中有難度的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)補(bǔ)充、完善和擴(kuò)展，也是虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能充分發(fā)揮作用的重要研究方向[1]．為此文章將信息技術(shù)與物理課程整合，在物理學(xué)科學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，從中學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能與系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面著手，探討了如何在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)恰當(dāng)?shù)伛詈?，?gòu)建適合于經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)基礎(chǔ)教育虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式．

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展及現(xiàn)狀

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上所進(jìn)行的對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的模擬和仿真，起源于20世紀(jì)下半葉，其發(fā)展過(guò)程大致經(jīng)歷了思維模型與邏輯分析、計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)3個(gè)階段．1966年，以美國(guó)MIT(麻省理工學(xué)院)的林肯實(shí)驗(yàn)室研制頭盔式顯示器為起點(diǎn)，揭開(kāi)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究與應(yīng)用的序幕，1983年，美國(guó)的DARPA(先進(jìn)防御研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu))開(kāi)始開(kāi)發(fā)實(shí)用的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)出了SIMNET系統(tǒng)，到1989年，形成了約260個(gè)地面裝甲仿真器及通訊網(wǎng)絡(luò)、指揮所和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，結(jié)點(diǎn)分布在美國(guó)和德國(guó)的11個(gè)城市．1989年美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的威廉·沃爾夫(William Wolf)教授提出“虛擬實(shí)驗(yàn)”的概念，以美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)、德國(guó)Ruhr大學(xué)等為代表的國(guó)外很多高校、研究機(jī)構(gòu)和中小學(xué)都投入大量的人力、物力和資金去設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，此后虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用得到了迅速發(fā)展．

我國(guó)最早開(kāi)展虛擬仿真技術(shù)研究的是西安虛擬現(xiàn)實(shí)工程技術(shù)研究中心和北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)系，他們的研究從基礎(chǔ)知識(shí)方面入手，研究重點(diǎn)主要集中在虛擬環(huán)境中的物體物理特性的表面與處理、視覺(jué)接口、有關(guān)計(jì)算方法、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等，建立了網(wǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)研究論壇和三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，并開(kāi)發(fā)出了部分硬件．在教育領(lǐng)域虛擬仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用主要在虛擬仿真校園、虛擬教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)、教育娛樂(lè)等方面，20世紀(jì)90年代后期，國(guó)內(nèi)很多高校和科研機(jī)構(gòu)在虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用方面都進(jìn)行了多方實(shí)踐[2]．1993年，中國(guó)科技大學(xué)開(kāi)始開(kāi)發(fā)物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并用于教學(xué)，隨后北方交通大學(xué)(現(xiàn)北京交通大學(xué))開(kāi)發(fā)了網(wǎng)上電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(RECEL)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制開(kāi)發(fā)了《幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)室》軟件．中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所建立了虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室ChemLab，中國(guó)農(nóng)大建立了虛擬土壤-作物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室并被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域．1994年，主要由中國(guó)科學(xué)院和教育部聯(lián)合創(chuàng)建，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將上海的6個(gè)研究機(jī)構(gòu)和6所大學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室和公共實(shí)驗(yàn)室連接起來(lái)，突破了研究所與大學(xué)間的障礙，運(yùn)行模式類似于“虛擬中心”， 之后中央廣播電視大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)等開(kāi)始了虛擬實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)．目前虛擬實(shí)驗(yàn)教育模式和教學(xué)方法日趨成熟，開(kāi)設(shè)的學(xué)科越來(lái)越豐富，學(xué)科體系越來(lái)越完善，教學(xué)資源已經(jīng)涵蓋物理、化學(xué)、生物等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域．虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在各級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)緩解現(xiàn)實(shí)中師資、硬件、場(chǎng)地不足的問(wèn)題，促進(jìn)我國(guó)教育事業(yè)的發(fā)展起到了積極的作用．

2 中學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與技術(shù)基礎(chǔ)

基于中學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)是建立在學(xué)習(xí)理論與現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)之上，包括建構(gòu)主義、行為主義、探究式學(xué)習(xí)、混合式學(xué)習(xí)、經(jīng)驗(yàn)之塔等學(xué)習(xí)理論．建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為意義建構(gòu)是學(xué)生學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)，教師要指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建學(xué)習(xí)情境，通過(guò)協(xié)作、會(huì)話最后獲得學(xué)習(xí)的意義建構(gòu)，此理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生是認(rèn)知的主體和中心，是信息加工的主體，教師是學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)意義的幫助者和指導(dǎo)者、促進(jìn)者．行為主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為自主學(xué)習(xí)包括自我監(jiān)控理論、自我指導(dǎo)和自我強(qiáng)化3個(gè)過(guò)程，自主學(xué)習(xí)是學(xué)生的認(rèn)識(shí)、動(dòng)機(jī)和行為3個(gè)層面都是一個(gè)積極的參與者的時(shí)候?qū)W習(xí)才是有效的．經(jīng)驗(yàn)之塔學(xué)習(xí)理論是美國(guó)視聽(tīng)教育家戴爾于1946年提出的，他將學(xué)習(xí)的難度以抽象程度不同分成了3大類10個(gè)層次的經(jīng)驗(yàn)之塔，視聽(tīng)媒體位于經(jīng)驗(yàn)之塔的中層，與語(yǔ)言、視覺(jué)符號(hào)相比對(duì)學(xué)生提供具體和易于理解的經(jīng)驗(yàn)更具優(yōu)勢(shì)，視聽(tīng)媒體的應(yīng)用能沖破時(shí)空的限制，能彌補(bǔ)學(xué)生直接經(jīng)驗(yàn)的不足，為信息化時(shí)代網(wǎng)絡(luò)媒體的利用與推廣提供理論指導(dǎo)．探究式學(xué)習(xí)理論是培養(yǎng)學(xué)生探索精神與創(chuàng)新能力的重要方式，它要求在學(xué)習(xí)中選擇和確定主題，通過(guò)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作、信息處理、表達(dá)與交流等過(guò)程，獲得知識(shí)、技能、情感與價(jià)值觀的發(fā)展，是當(dāng)前物理教學(xué)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，也是建立真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)結(jié)合點(diǎn)．

虛擬物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化并綜合不同工具和信息的虛擬集成環(huán)境，是利用計(jì)算機(jī)編程工程，模仿實(shí)驗(yàn)環(huán)境編寫的軟件系統(tǒng)組成，是一個(gè)具有邏輯上限制但無(wú)物理空間限制的計(jì)算機(jī)支持協(xié)同無(wú)墻中心，這個(gè)中心中用戶能有效地利用各種數(shù)據(jù)、信息、儀器設(shè)備和人力等資源．與物理學(xué)真實(shí)實(shí)驗(yàn)一樣，虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)也是學(xué)生親歷的一種實(shí)踐活動(dòng)，是在元認(rèn)知學(xué)習(xí)理論與知識(shí)思維指導(dǎo)下進(jìn)行的，具有真實(shí)性、可擴(kuò)展性和豐富性的特點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)中虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以其完全符合真實(shí)實(shí)驗(yàn)的能力、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、交互能力、擺脫時(shí)空限制的優(yōu)勢(shì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生自主探究、創(chuàng)新思維，提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要意義．

2.2 中學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)室可以做如下定義，它是一個(gè)依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù),專業(yè)人員將不受時(shí)空的限制，能隨時(shí)隨地與同行交流協(xié)作,共享儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)和計(jì)算資源,得到遠(yuǎn)程教師的指導(dǎo)以及同行間相互研討交流的無(wú)墻實(shí)驗(yàn)中心．為了能夠在計(jì)算機(jī)環(huán)境下更逼真地模擬現(xiàn)實(shí)世界的人和物及其運(yùn)動(dòng)形態(tài)，必須在三維空間系統(tǒng)中精確地描繪這些事物以實(shí)現(xiàn)三維物體的真實(shí)再現(xiàn)，進(jìn)而為用戶創(chuàng)造一個(gè)身臨其境、形象逼真的環(huán)境．一般來(lái)說(shuō)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要3方面的技術(shù)支撐，包括三維建模、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)．三維建模技術(shù)是其中的核心，它根據(jù)研究對(duì)象的實(shí)際三維空間信息，利用已有的三維建模技術(shù)，采用適合的數(shù)學(xué)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算機(jī)相關(guān)建模軟件及編程語(yǔ)言程序建立三維空間特征點(diǎn)與實(shí)物的二維圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的坐標(biāo)定量關(guān)系，從而確定研究對(duì)象表面任意點(diǎn)的坐標(biāo)值，生成可進(jìn)行各種操作的模型圖形顯示．三維建模技術(shù)又包括人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)字化控制等技術(shù)，它建立在現(xiàn)實(shí)世界虛擬化的三維場(chǎng)景模型基礎(chǔ)上，目前常用的三維建模技術(shù)主要有OpenGL，DirectX，AR，Java3D和IDL等10多種，其中OpenGL是最常用的三維編程技術(shù)，被廣泛用于醫(yī)療、電影、科學(xué)制造、工程制造以及地球科學(xué)等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域[3]．

3 與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相耦合的中學(xué)物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

中學(xué)物理教學(xué)中將傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)相耦合，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，它突破了傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，是一種規(guī)范、科學(xué)、具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的新型物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]，下面以中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)為例設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)．

電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)兩個(gè)大模塊．

實(shí)驗(yàn)原理、步驟講解模塊：教師設(shè)計(jì)通俗易懂的講解模塊，和學(xué)生面對(duì)面地分析交流電產(chǎn)生與變化規(guī)律，用書寫板書的形式講解電學(xué)的實(shí)驗(yàn)原理、定律、公式及電路圖等，幫助學(xué)生對(duì)電學(xué)這個(gè)物理規(guī)律本身功能和原理的充分理解．實(shí)驗(yàn)具體步驟可用清晰簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)導(dǎo)圖的形式呈現(xiàn)，保證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中步驟明確、少犯錯(cuò)誤，為下一模塊虛擬實(shí)驗(yàn)的操作奠定理論基礎(chǔ)．

虛擬實(shí)驗(yàn)操作模塊：包括實(shí)驗(yàn)器材的連接和實(shí)驗(yàn)操作兩個(gè)分模塊．

實(shí)驗(yàn)中所需要的電學(xué)實(shí)驗(yàn)器材均為三維立體模型.實(shí)驗(yàn)演示之前學(xué)生需要對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的外形和功能進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)．通過(guò)視頻演示讓學(xué)生查看儀器的連接是否完好，并可通過(guò)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)器材模型，自行對(duì)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行連接設(shè)置．

實(shí)驗(yàn)操作模塊：實(shí)驗(yàn)操作中學(xué)生可根據(jù)自己的理解通過(guò)交互作用改變影響交流發(fā)電機(jī)發(fā)電的各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，此時(shí)實(shí)驗(yàn)效果會(huì)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)生成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以便完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，此過(guò)程是本實(shí)驗(yàn)的核心模塊．

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代基礎(chǔ)教育中學(xué)物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)幫助物理教學(xué)尤其是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)教師物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)高效的教學(xué)目標(biāo)有顯著的作用．但我們須懂得無(wú)論哪種技術(shù)都是手段，教育最本質(zhì)的目的是促進(jìn)人的發(fā)展，因此我們應(yīng)提防“唯技術(shù)論”的導(dǎo)向，將現(xiàn)代信息技術(shù)與基礎(chǔ)教育教學(xué)深度融合，利用信息技術(shù)的傳播優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)、重組并再造互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下個(gè)性化的教與學(xué)，促進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)教育事業(yè)的發(fā)展．