探究高中物理虚拟仿真实验教学

张秀峰

【摘 要】高中物理是普通高中学习的一门基础课程，与九义务教育物理或科学课程相衔接，旨在进一步提高学生的科学素养。高中物理教学中物理实验是一个重要的内容，也是物理教学的重要方法和手段。

【关键词】高中物理；虚拟仿真；实验

目前对于物理演示实验的研究主要集中于在新课改的理念下，怎样才能更好的结合演示实验与学生在课堂上的主体地位，从而创建高效课堂；对于仿真物理实验的研究大多也停留在仿真物理实验的深入应用和设计方面，对于仿真物理实验在实验教学中应用优缺点的讨论。对于仿真物理实验的课堂应用效果研究较少。本文的主要内容在于研究物理课堂中的传统演示实验与基于flash的物理仿真演示实验的优缺点的讨论，哪种实验更有利于教学设计。

一、关键概念解释

探究即“深入探讨，反复研究”，笔者认为探究是人们发现问题、搜集数据、形成解释、解决问题从而实现从未知到已知的一个知识建构的过程。实验是学生进行科学探究的重要途径，是物理课程目标和内容的必要组成部分，学生学习和运用物理实验技能和科学探究方法。

虚拟仿真实验是指利用多媒体和仿真技术在计算机上对传统的真实实验中的各操作环节进行模拟，实验者可以像在真实的实验环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验建立在一个虚拟的实验环境（平台仿真）之上，而注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。

二、高中物理实验教学概述

物理学是一门以实验为基础的自然科学，在高中物理课程各个模块中都安排了一些典型的科学探究或物理实验。实验是科学探究的重要方式，大体上可以分为如下四种：

A.仪器使用类实验：如游标卡尺、弹簧秤的使用等；

B.测量类实验：如测定匀变速直线运动的加速度；

C.验证性实验：如动量守恒定律的验证等；

D.探究类实验：如探究平抛物体的运动，探究加速度与力、质量的关系等。

三、虚拟仿真实验的研究及应用现状

目前最权威的仿真实验教学系统是中国科技大学天文与应用物理系开发的大学物理仿真实验教学系统，该成果在国内一些高校得到广泛应用。这套软件的特点在于采用面向对象技术建模，对仪器和器件实现模块化，用数值模型建立仪器原理、实验设计、操作的各种数学关系，用图像模型表现操作的真实感，并用事件驱动方式将它们编制出来，使得这种软件具有任意的操作性和真实的交互功能，实现可设计性和真实感。

与在高等学校中的发展和应用状况相比，物理仿真实验在普通高中阶段仍然没有很大的发展，很多高中物理仿真实验，只是具有演示功能，离真正的交互实验、学生自主设置实验参数还有很大的距离。大多数只是在课堂上利用PPT来演示播放flash动画让学生观察，并没有让学生自己去操作。因此很大部分的仿真实验还不是真正的仿真！缺少开发高中物理仿真实验的人才，也是物理仿真实验在高中鲜有应用的原因，一般情况下懂物理实验教学的人不懂软件开发，懂软件开发的人不懂物理实验教学。

四、高中物理仿真实验设计与实现的必要性与优越性

1.仿真实验引入高中物理实验教学的必要性

高中物理是普通高中科学学习领域的一门基础课程，与九年义务教育物理或科学课程相衔接，旨在进一步提高学生的科学素养。高中物理课程有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情；认识物理学对科技进步以及文化、经济和社会发展的影响；为终身发展，形成科学世界观和科学价值观打下基础。

2.仿真实验在高中物理实验教学中的优越性

仿真实验在高中教学中应用，它不仅可以逼真地模拟实际的物理环境，也可以模拟实际的仪器，大量的真实实验都可以用仿真实验来模拟和再现。而且，仿真实验有着真实实验无法取代的优越性，这具体体现在：

（1）仿真实验具有可扩展性。

（2）通过计算机仿真模拟一些重要的、在现实实验环境下难以完成的物理实验，则可弥补常规实验仪器的不足，提高物理实验的演示效果。

（3）仿真实验在计算机虚拟的环境下，可以完成现实条件下不可能完成的实验。

（4）对于真实实验无法完成的抽象的物理现象和实验室无法完成的真实物理图景，仿真实验都可以完成。

（5）仿真实验可以突破客观条件限制，是一种较好的“理想实验”法。

五、虚拟仿真实验的优势和不足

Flash因其采用矢量图，具有交互性，所以虚拟仿真实验的图形界面可以做的非常逼真，操作也可以做到非常简单，比 Matlab 等软件在界面处理上要好很多，有利于我们让学生更直观的了解一些危险性实验。

由于 Flash 主要用于简单动画制作、动态文字制作、广告设计等领域，其本身不擅长科学计算，有时计算明显具有误差，并且在多层循环时，响应速度已经相当乏力，如果再在多层循环中进行大量运算，忽略仿真效果，忽略响应时间的问题，动画能也几乎不能正常运行了。

Flash仿真实验仿真程度仍然不够高，数据和实验结果太过理想，过于符合所研究的规律，并且在一些仪器故障的分析处理等方面与真实实验差距较大。因此仿真实验不能完全取代真实实验。

这就要求我们教师要跟着时代的步伐，努力的扩充自己的知识，这样才能与新的条件下的新技术结合起来，提高我们的课堂教学水平。