数字化信息系统与虚拟实验平台在物理教学中的应用

丁健雯

（无锡工业高级技工学校 江苏 无锡 214000）

数字化信息系统与虚拟实验平台在物理教学中的应用

丁健雯

（无锡工业高级技工学校 江苏 无锡 214000）

物理课程与信息技术的整合是新课程关注的重点领域之一，数字化信息系统（DIS）与虚拟实验平台进入物理实验教学是其具体表现。本文以现代教学技术的理论为指导，从现代教学理念的角度，通过对DIS和虚拟实验平台的构成要素、技术特征和在教学中的地位作用的深入分析，探讨了DIS和虚拟实验平台在物理教学中的应用特点和整合应用，并总结了虚拟实验教学与DIS实验教学整合的教学体会。

数字化信息系统（DIS）；虚拟实验平台；物理实验

现代物理教学理念，强调在教学过程中学生主动学习，使学生提高兴趣而获取知识，摆脱学生对知识的被动接受和教师对知识结论论证的注重。因此，从强调单纯积累知识向强调探求知识方向转变，是物理教学的改革重点。重视学习过程的科学性和学生观察能力与解决问题能力的培养，构成了现代物理教学的基本原则。有效地体现现代物理教学理念需要采取科学的教学方法，而通过有效实验形式，提高学生在学习过程中形成概念、发现规律、建立理论等能力，成为了物理教学的关键所在。

采用数字化信息系统DIS（Digital Information System）的实验技术，是由“传感器+数据采集器+实验软件包（教材专用软件、通用扩展软件）+计算机网络”构成的新型实验系统。DIS实验技术，不但克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，而且可以重点培养学生的学习兴趣，促进知识的融会贯通，支持了信息技术与物理教学的全面整合，是教学确立现代物理教学观的关键。虚拟实验平台的引入，拓展了DIS的适用场合，为DIS带来了一场改革。

DIS系统与虚拟实验

DIS系统由传感器系统、计算机网络和DIS系统软件（实验软件包）组成，系统的主要功能是对各种物理量，如电流、电压、压强、温度、声波、位移、力、磁、光等，通过多种传感器实时、动态地测量，转化成电信号，通过计算机网络送入计算机系统，并由对应的实验软件包显示各物理量和物理过程以及各物理量之间的关系。DIS系统软件是针对物理教学与物理实验研发而成的，它可以完成物理教学涉及的演示实验和学生实验，具有简洁、易用、贴近教学、可重复可验证等特点，并且可以自行进行必要的二次开发与实验设定，具备物理实验过程显示、物理量的曲线显示、分析拟合计算、实验结果存储等扩展功能，更适于对物理概念与物理过程的分析研究。可以将DIS理解为一个复杂物理试验系统的简化系统，它通过科学计算和计算可视化技术，将不可见的物理现象图形化，更有利于人们对物理现象的理解。

在物理实验中使用DIS实验技术，可以采用多种实验测量手段和数据处理方式，提高学生理解实验原理和物理规律的能力，大大增强学生学习物理的兴趣。在实验准备、测量数据、分析问题、处理结果等过程中，物理问题体现得更集中、更形象，学生就会有更多的想象空间去发现、思考和解决实验中出现的问题，从而为学生学习的自主性、探究性和交互性提供了技术保证，也为物理教学的有效性提供了重要的保证。

虽然DIS实验技术在物理实验教学中具有重要的作用，但由于受到硬件环境的限制，学校往往不会大规模地配备DIS实验设备。DIS实验设备严重不足，多数学生在课堂上就只能看教师做演示实验，自己不能动手实验，教师就很难对每名学生的物理实验过程进行指导与评价。学生的实验学习次数少，时间短，仅限于课堂上看教师做，课后几乎没有动手操作，将直接影响物理实验教学的质量与水平，导致难以完成课程标准所提出的教学要求。

引入虚拟实验教学，是有效解决DIS面临问题的有效手段。虚拟实验应用了三维虚拟技术，为学生提供了一个虚拟实验场景，其对DIS物理实验的过程记录与回放功能，能有效起到教学演示作用，最大限度地缩小真实实验与虚拟实验的差异。虚拟实验平台能为学生提供人手一套虚拟实验设备，使学生在计算机上的操作就如同对DIS的操作一样。同时，网络技术的发展使得虚拟实验教学可以远程开展。

DIS与虚拟实验平台结合的教学优势

在物理教学中，不可否认的是真实物理实验的重要性和不可替代性，虚拟实验是不能替代真实物理实验的，当前物理实验教学最缺少的就是物理实验。很大一部分学校的实验条件远不能满足教学要求。鉴于现实情况，建立一个将DIS和虚拟实验相结合的实验平台，将在相当大程度上达到物理实验教学实际需求，也利于学生物理实验的开展。

将DIS与三维的虚拟实验平台相结合，使学生能看到教师所做的真实演示实验（如果条件允许也可以由学生自己做），演示实验的过程和结果被虚拟实验平台真实地记录下来，然后学生就可以在计算机上自己动手做虚拟实验。这样，学生一学期内有限的几次实验就转变为通过三维虚拟实验平台不限时段地做实验，一套DIS实验设备通过三维虚拟实验平台转变为人手一套实验设备的实验环境。学生通过虚拟实验平台可以在课后和家中设计和重复物理实验，对提高学生的实验学习兴趣和增强实验经验感受是十分有利的。

学生在进行虚拟实验的过程中会遇到困难，需要教师的指导和帮助。为了在不同时段都能给学生提供指导和帮助，教师可以在实验前，根据实际教学经验编程制作实验提要，在学生实验中提供在线“面对面”帮助，在学生实验后提供实验结果的判定和过程的评判。这样教师的教学和学生的学习将从传统的教学模式中解放出来，由一对多的课堂模式变为一对一的指导教学模式。

不同学生的自主学习能力和积极性也是不同的，虚拟实验平台需要为每一名学生构建合适的实验学习平台。教师也能在实验设计与辅导过程中体现教学指导的灵活性、有效性及针对性。在通常的物理实验教学中，受班级授课模式和课时的限制，教师难以对每一个实验小组和每一名学生遇到的实验问题进行细致且有效的指导。在虚拟实验教学与DIS实验教学整合教学模式下，教师可通过虚拟实验平台的功能优势，事先把实验操作步骤、实验注意事项以合适的方式录制下来，变成学生在实验过程中的在线帮助，若有学生在虚拟实验中需要帮助，可以通过录像回放和实验提示请求帮助，还可以通过类似QQ聊天的模式进行文字、语音和视频的交互，避免了“一人有病大家都吃药”的现象。通过虚拟实验平台，教师的个别指导可大大提高效率。遇到个别问题，教师不必在全班讲解，可以在小范围内指导学生。

另外，采用虚拟实验平台，教师还可以把主要精力用在关注学生的实验方法、实验过程、实验结果、实验评价上，关注学生对实验物理量之间关系的理解，关注学生的实验操作技能水平，关注学生的科学态度和合作方式等。

虚拟实验教学与DIS实验教学整合的实施

物理学是自然科学的基础，体现了高新技术发展方向，要提高物理学教学质量，关键在于教师在教学中激发学生对物理的兴趣，真正让学生通过实际操作掌握物理原理和方法。

虚拟实验教学与DIS实验教学的整合，能解决当前物理实验教学经费的不足，弥补学生实际操作实验经验的不足。但是，任何虚拟实验教学与DIS实验教学都不是万能的，有优势，也都有不足。我们要做的工作是发挥它们各自的优势，注意把握好协调和互补的关系，把工作重点放在实验设计与材料准备上。

物理现象就在我们的周围，通过对现象的提问和复现，会让学生感到物理的生动有趣，与生活密切相关。如男生比较关注汽车，和汽车相关的问题就有许多：汽车驾驶室外面的观后镜为什么用凸镜？车头灯里的反射镜又为什么用凹镜？当解释了这些物理现象后，采用虚拟实验平台和DIS，学生就可以通过实验的方法解释并进一步上升到概念与理论，进而认识到物理的重要性和普遍性，对物理学的求知态度也会从被动转为主动，对物理的兴趣也能被激发出来。

物理教学内容包含了近代或现代物理学的最新进展及在现代科学技术中的应用，如光纤技术在网络中的应用。因此，在物理教学中应该反映出这些新技术在实际中的应用及渗透。然而，这些物理实验是不可能在学校实验室中完成的。但基于DIS，我们可以将某些物理现象的结果表现出来，再结合虚拟实验平台，就可以将深奥的理论可视化，进而深化学生对现代物理的理解。因此，教师在平时除了悉心备课、认真钻研教材外，还应注意物理科学的新动向，有选择地给学生介绍一些理论信息和事实材料，并利用虚拟实验平台动态添加一些实验模块，让学生及时了解最新的物理科学进展。

网络上有丰富的学习资源，上网是学生非常喜欢的活动。应合理引导，把学生上网与物理实验联系起来，增强学生对物理学习的兴趣，提高学生的推理能力和知识外延能力。对于计算机能力比较强的学生，还可以引导他们帮助教师完成虚拟实验的设计制作，通过实践提升学生的成就感，激励学生探索物理之奥妙。

[1]任俊仙.DIS与物理实验教学的整合[J].中国教育信息化，2010（18）：41-42.

[2]王育杰，王昭君，梁志华.虚拟实验教学与DIS实验教学的整合研究[J].中国电化教育，2009（7）：92-94.

[3]单美贤.虚拟现实与教育相结合的理论依据[J]开放教育研究，2001（6）：23-24.

[4]马如宇，卓敏.DIS数字化信息系统在中学物理实验教学中的应用研究[J].中国现代教育装备，2001（8）：36-38.

（本栏责任编辑：谢良才）

G712

A

1672-5727（2012）07-0175-02

丁健雯（1963—），女，江苏如皋人，无锡工业高级技工学校高级讲师，研究方向为普通物理、电子技术及信息技术。