虚拟实验与初中物理实验教学整合的实践与反思

PAGEPAGE5摘要：物理学是一门以实验为基础的学科。因此在物理教学中，实验是教学活动中一个必不可少的过程，它对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力是至关重要的，可以说学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。作为新发展起来的虚拟实验，虽然解决了初中物理实验教学中的一些问题，但又带来了一些新的问题。本文根据自己在教学实践和学习的基础上对虚拟实验的类型、与物理真实实验教学整合的模式作了一些粗浅的探讨，并就整合过程中存在的问题进行了深刻的反思。关键词：虚拟实验；物理实验；初中物理教学虚拟实验与物理实验教学的整合，就是要发挥虚拟实验在实验教学中的优势。把虚拟实验作为学生的认知工具，为学习主体建构一个发挥创造潜力的教与学环境，构建创造教育的新模式，通过学生的参与，培养学生的创造性思维和实践能力。一、用于物理实验教学的两种虚拟实验初中物理教学中，有以下两种常见的虚拟实验1.动画演示课件动画演示是信息技术用于学科教学的最初表现形式，是信息技术和课程整合的最低层次，目前大多数教师都采用这种形式和方法。教师可以使用现成的计算机辅助的教学软件或多媒体素材库，选择其中合适的部分用在自己的学科教学之中，也可以利用PowerPoint、flash、几何画板、Authorware等软件，综合利用各种教学素材，将实验过程和现象设计成模拟真实情况的演示文稿和多媒体课件，演示某些实验现象，动态地展示实验的过程和理论模型，帮助学生理解所学知识，实现了它们无法实现的教育教学功能。动画演示物理实验虽然有一定的动态性，但是它只是对物理现象和结果的定性的展示，它所展示的物理结果并不是由计算而得，而是被预先设定好，一般不具有交互性，它所有的动态过程一般都采用文件播放形式，形成一种模式比较固定的教学方式。2.虚拟实验室下的仿真实验虚拟仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境,其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备,通过鼠标点击以及拖曳操作这些虚拟的实验仪器或设备,即可进行各种实验,达到与真实实验相一致的教学要求和目的。它是虚拟仿真技术、计算机技术和专业理论知识多方面结合的结晶。无论是学生还是教师都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器进行各种实验，为实验教学的改革提供了条件和技术支持。虚拟物理实验室和一般意义上的物理实验室的不同之处在于虚拟实验室中操作的并不是真实存在的实验仪器和设备，而只是以软件仿真来模拟已经存在和使用的设备。仿真物理实验室的使用旨在为物理教学创造一个激发学生积极探究的物理情境。它具有很强的交互性、开放性和构建性，对于正在学习物理的学生来说，仿真实验室是一个理想的学习工具。二、信息技术下的虚拟实验与传统实验教学整合的教学模式虚拟实验与传统实验教学的整合，一方面要发挥它们各自的优势，强化实验教学过程，同时又借助于实验为载体，促进学生学习并应用信息技术解决实际问题；另一方面突出学生的学习过程，有效地培养学生的学习能力和综合素质。1.动画课件演示型教学模式教师使用信息技术为主的动画演示型教学模式中，最简单的方式就是在现有教学模式基础上将信息技术作为新教学媒体使用，信息技术成为供教师展示教学内容的工具。运用这一教学模式，教师应熟悉多媒体教学课件的开发、使用。一般在演示实验的基础上，用计算机模拟实验现象的物理过程和结果，可使静态事物动态化，微观现象可视化，抽象知识形象化，完成难做实验的动画模拟，进行物理过程的动态分析。在做好实验的基础上应用动画模拟再叠加分析性的信息，为学生搭建由形象思维迈向抽象思维，由表象到理性的“桥梁”，促进学生识别实验现象发生及变化的条件，然后再进行抽象概括，形成概念、规律，归纳物理现象的共同特征。它的流程一般如图1所示。设疑激趣演示实验设疑激趣演示实验模拟实验意义建构应用创新图1例如：笔者在进行“声音不能在真空中传播”的实验教学时，用抽气盘和抽气机进行演示。由于绝对真空不可能实现，只可以随气体的逐渐减少，我们可听见的声音逐渐减弱，实验无法达到理想的效果。在讲清实验环境、实验条件、实验过程和真实实验的支持下，笔者采用了动画课件的演示，帮助学生构建知识。应当提出的是，我们在利用这些资源时，不能只停留在演示播放的水平上，我们必须根据教学目标的要求，依据建构主义的基本原理，做好师生教与学的活动方式的设计，把它们作为认知工具，构建新型的教学模式。2.虚拟仿真实验下自主探究的教学模式随着信息技术的发展，借助于多媒体技术和一些工具软件创设的虚拟仿真实验室进入了我们的物理实验教学，它为学生提供了全方位的操作环境、为教师提供了开放性的教学平台、学生探索性的学习平台。一方面，虚拟实验可以弥补传统实验中，由于条件的限制，仪器被损坏的不可修复性等所造成的学生探求欲望得不到满足；另一方面，它为实验提供了必要的工具和手段，使学生可以在自主地在“问题空间”里进行探究实验，教师可以将更多的探究、分析、思考任务交给学生，使学生在教师的指导下由被动的实验变为主动的探究，可以象“研究者”那样，在虚拟仿真的情景下来学习、来创造，自主地发现、探索知识，使学习过程呈现一种新景象。如笔者在进行八年级物理电学实验的教学时，所使用的“新课标实验室—初中电学”就是一个很好的虚拟仿真教学软件。该软件不仅在仿真器材的基础上，借助于复杂的程序内核，虚拟出了一个逼真的电学实验室，而且应用了人工智能技术，能根据电路的连接情况自动计算电流、电压和电阻，产生逼真的实验的效果，能迅速识别电路连接方式并绘制出电路图。在这个实验室里，学生可以很方便地进行演示实验和学生分组实验的练习，还可以自主地进行实验探究，使所学知识得以巩固，创新能力和探索精神得到培养和提高。3.学习包与主题学习网站模式教师可以课前把与学习内容有关的课件、仿真实验室工具软件、声像、文本资源等按章节或单元整理成文件包或者编辑成专题学习网页后提供给每个学习小组，文件包储存于学习机上供学生课前和课后查阅浏览。让学生通过浏览学习包中的课件和主题学习网站针对学习内容自主地提出问题和设计实验方案，通过网络教室展示他们的学习成果，让同学们对此进行讨论和完善，其他同学也可以提出新的方案进行补充，在整个过程中，教师只是对同学们的学习过程进行组织和指导。让学生通过对比受到启发，找到自己的不足，从而使所学的知识得到升华，思维变得更开阔。这种模式为学生开展自主分层学习提供了可行性，学生可以通过浏览学习包和主题学习网页中的资源，根据自己的学习兴趣和自己的学习基础调整学习内容，使每个学生都学有所得。三、虚拟实验与传统物理实验教学整合的反思1.虚拟实验与物理实验教学的有机结合所谓有机结合，即处理好虚拟实验与真实物理实验、虚拟实验与其它教学手段、虚拟实验与教师讲授之间的关系。虚拟实验不能淡化真实物理实验。真实物理实验是学生获得物理知识最直接的手段、最真实的经验和最好的感性材料。虚拟实验只能逼真，而不可能真实，不能试图用虚拟实验去代替真实物理实验。实验教学中难以进行、效果不好，需用电脑模拟的实验，要将真实的实验呈现给学生，讲清实验环境、实验条件、实验过程，再进行电脑模拟，将虚拟实验与真实物理实验结合起来。物理实验教学，不言自明，物理实验为其根本，我们必须加强实验研究。在教学实践中设计更合理的实验过程，改进和制作物理实验仪器，结合科学技术的发展，采用更先进的实验手段。而且电脑模拟有其局限，如声学实验，演示噪音、乐音及其波形，除示波器外，我们要用录音机，这种真实性是虚拟实验不能达到的。有的模拟用投影、幻灯就可简洁而形象地进行，也不必费时、费力去进行电脑模拟。2.虚拟实验教学的负面效应承认虚拟实验教学对促进物理实验教学改革的同时，我们也要辩证地分析虚拟实验教学所产生的负面效应。信息技术条件下的虚拟实验作为教的工具和学的工具、学习环境建构的工具，确实在推动物理实验教学发展的过程中发挥了巨大的作用。不可否认，虚拟物理实验应用于物理教学的确改变了物理的教学方式与学习方式，解放了学生学习的时间与空间，可以为学生创造出图文并茂、丰富多彩、人机交互、即时反馈的学习环境，能充分地调动学生的多种感官去操作、观察、猜想、归纳、类比来获取知识，增强学生的自信心。在为信息技术整合物理实验教学而欢欣鼓舞的同时，我们也应该清醒地认识到信息技术对物理实验教学所产生的不良影响。如果仅仅将课件演示来代替演示实验，虚拟仿真物理实验代替学生的探究实验，使教师成为操作员，形成了人与人的隔绝，忽视学生间合作与情感的交流。那就与整合就背道而驰了。信息技术是把双刃剑，使用得当，教师、学生受益；使用不当，教师的教学会缺乏激情，学生的记忆力、运算能力也得不到提高，对这种负面的影响我们决不能等闲视之。过分地依赖技术也会束缚人脑思维的开放性，使得人们的想象力受到限制。因此，要处理好信息技术下的虚拟实验教学与传统实验教学的关系。3.虚拟实验教学要在设计上下功夫虚拟实验与物理实验教学的整合需要在教学设计上下功夫，即如何设计使学生的人格、思维、智慧得到更大的发展，这就要求在设计的过程中切忌形式化、盲目化，以免实验教学的本质被技术稀疏化、僵硬化。因此，要以建构主义、多元智能理论作为支撑点，全面审视信息技术环境下的实验教学的结构、内容、实施等方面的设计问题，探寻整合的切入点。在设计的过程中要防止用虚拟实验的过程代替学生的思维和操作过程。如：计算机可以进行快速的分析与运算，可以快速绘图能力与推理能力，所以教师在教学过程中就有可能不再关注学生的运算和分析问题、解决问题的能力的培养；教学中教师可能会顾此失彼……，这样做的结果势必会使学生的物理素养下降。因此，树立整合的科学设计观对物理实验教学的实施具有十分重要的意义。在明确的教学目标引导下，对运用虚拟实验教学的每个细节认真考虑，不要让技术束缚师生的思想和淡化师生的情感、态度及价值观的形成。整合的设计观要求把传统的实验教学与现代信息技术环境下的虚拟物理实验教学有机地结合起来，提升学生对物理概念、规律及其现象本质的理解。整合的设计观决不能游离于真实实验，不能为用信息技术而丢失物理实验的本来的特色，而是要全方位地关注学生、教师、资源的发展，在物理实验教学的实施过程中与学生一起分享、共同承担。整合的设计观要求教师认真学习物理课程标准，明确教学目标，深入钻研教材，挖掘知识之间的内在联系，创造性地完成教学设计，实现整合的发展。总之，对于多媒体的虚拟实验，我们不能因为它的优点而让它完全替代传统的实验仪器，也不能因为它不同于传统仪器的操作方式而抵触它。我们应该认真客观地对待它，根