丁健雯

（無錫工業(yè)高級技工學校 江蘇 無錫 214000）

數(shù)字化信息系統(tǒng)與虛擬實驗平臺在物理教學中的應用

丁健雯

（無錫工業(yè)高級技工學校 江蘇 無錫 214000）

物理課程與信息技術(shù)的整合是新課程關(guān)注的重點領(lǐng)域之一，數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）與虛擬實驗平臺進入物理實驗教學是其具體表現(xiàn)。本文以現(xiàn)代教學技術(shù)的理論為指導，從現(xiàn)代教學理念的角度，通過對DIS和虛擬實驗平臺的構(gòu)成要素、技術(shù)特征和在教學中的地位作用的深入分析，探討了DIS和虛擬實驗平臺在物理教學中的應用特點和整合應用，并總結(jié)了虛擬實驗教學與DIS實驗教學整合的教學體會。

數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）；虛擬實驗平臺；物理實驗

現(xiàn)代物理教學理念，強調(diào)在教學過程中學生主動學習，使學生提高興趣而獲取知識，擺脫學生對知識的被動接受和教師對知識結(jié)論論證的注重。因此，從強調(diào)單純積累知識向強調(diào)探求知識方向轉(zhuǎn)變，是物理教學的改革重點。重視學習過程的科學性和學生觀察能力與解決問題能力的培養(yǎng)，構(gòu)成了現(xiàn)代物理教學的基本原則。有效地體現(xiàn)現(xiàn)代物理教學理念需要采取科學的教學方法，而通過有效實驗形式，提高學生在學習過程中形成概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、建立理論等能力，成為了物理教學的關(guān)鍵所在。

采用數(shù)字化信息系統(tǒng)DIS（Digital Information System）的實驗技術(shù)，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實驗軟件包（教材專用軟件、通用擴展軟件）+計算機網(wǎng)絡”構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)。DIS實驗技術(shù)，不但克服了傳統(tǒng)物理實驗儀器的諸多弊端，而且可以重點培養(yǎng)學生的學習興趣，促進知識的融會貫通，支持了信息技術(shù)與物理教學的全面整合，是教學確立現(xiàn)代物理教學觀的關(guān)鍵。虛擬實驗平臺的引入，拓展了DIS的適用場合，為DIS帶來了一場改革。

DIS系統(tǒng)與虛擬實驗

DIS系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡和DIS系統(tǒng)軟件（實驗軟件包）組成，系統(tǒng)的主要功能是對各種物理量，如電流、電壓、壓強、溫度、聲波、位移、力、磁、光等，通過多種傳感器實時、動態(tài)地測量，轉(zhuǎn)化成電信號，通過計算機網(wǎng)絡送入計算機系統(tǒng)，并由對應的實驗軟件包顯示各物理量和物理過程以及各物理量之間的關(guān)系。DIS系統(tǒng)軟件是針對物理教學與物理實驗研發(fā)而成的，它可以完成物理教學涉及的演示實驗和學生實驗，具有簡潔、易用、貼近教學、可重復可驗證等特點，并且可以自行進行必要的二次開發(fā)與實驗設定，具備物理實驗過程顯示、物理量的曲線顯示、分析擬合計算、實驗結(jié)果存儲等擴展功能，更適于對物理概念與物理過程的分析研究。可以將DIS理解為一個復雜物理試驗系統(tǒng)的簡化系統(tǒng)，它通過科學計算和計算可視化技術(shù)，將不可見的物理現(xiàn)象圖形化，更有利于人們對物理現(xiàn)象的理解。

在物理實驗中使用DIS實驗技術(shù)，可以采用多種實驗測量手段和數(shù)據(jù)處理方式，提高學生理解實驗原理和物理規(guī)律的能力，大大增強學生學習物理的興趣。在實驗準備、測量數(shù)據(jù)、分析問題、處理結(jié)果等過程中，物理問題體現(xiàn)得更集中、更形象，學生就會有更多的想象空間去發(fā)現(xiàn)、思考和解決實驗中出現(xiàn)的問題，從而為學生學習的自主性、探究性和交互性提供了技術(shù)保證，也為物理教學的有效性提供了重要的保證。

雖然DIS實驗技術(shù)在物理實驗教學中具有重要的作用，但由于受到硬件環(huán)境的限制，學校往往不會大規(guī)模地配備DIS實驗設備。DIS實驗設備嚴重不足，多數(shù)學生在課堂上就只能看教師做演示實驗，自己不能動手實驗，教師就很難對每名學生的物理實驗過程進行指導與評價。學生的實驗學習次數(shù)少，時間短，僅限于課堂上看教師做，課后幾乎沒有動手操作，將直接影響物理實驗教學的質(zhì)量與水平，導致難以完成課程標準所提出的教學要求。

引入虛擬實驗教學，是有效解決DIS面臨問題的有效手段。虛擬實驗應用了三維虛擬技術(shù)，為學生提供了一個虛擬實驗場景，其對DIS物理實驗的過程記錄與回放功能，能有效起到教學演示作用，最大限度地縮小真實實驗與虛擬實驗的差異。虛擬實驗平臺能為學生提供人手一套虛擬實驗設備，使學生在計算機上的操作就如同對DIS的操作一樣。同時，網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展使得虛擬實驗教學可以遠程開展。

DIS與虛擬實驗平臺結(jié)合的教學優(yōu)勢

在物理教學中，不可否認的是真實物理實驗的重要性和不可替代性，虛擬實驗是不能替代真實物理實驗的，當前物理實驗教學最缺少的就是物理實驗。很大一部分學校的實驗條件遠不能滿足教學要求。鑒于現(xiàn)實情況，建立一個將DIS和虛擬實驗相結(jié)合的實驗平臺，將在相當大程度上達到物理實驗教學實際需求，也利于學生物理實驗的開展。

將DIS與三維的虛擬實驗平臺相結(jié)合，使學生能看到教師所做的真實演示實驗（如果條件允許也可以由學生自己做），演示實驗的過程和結(jié)果被虛擬實驗平臺真實地記錄下來，然后學生就可以在計算機上自己動手做虛擬實驗。這樣，學生一學期內(nèi)有限的幾次實驗就轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^三維虛擬實驗平臺不限時段地做實驗，一套DIS實驗設備通過三維虛擬實驗平臺轉(zhuǎn)變?yōu)槿耸忠惶讓嶒炘O備的實驗環(huán)境。學生通過虛擬實驗平臺可以在課后和家中設計和重復物理實驗，對提高學生的實驗學習興趣和增強實驗經(jīng)驗感受是十分有利的。

學生在進行虛擬實驗的過程中會遇到困難，需要教師的指導和幫助。為了在不同時段都能給學生提供指導和幫助，教師可以在實驗前，根據(jù)實際教學經(jīng)驗編程制作實驗提要，在學生實驗中提供在線“面對面”幫助，在學生實驗后提供實驗結(jié)果的判定和過程的評判。這樣教師的教學和學生的學習將從傳統(tǒng)的教學模式中解放出來，由一對多的課堂模式變?yōu)橐粚σ坏闹笇Ы虒W模式。

不同學生的自主學習能力和積極性也是不同的，虛擬實驗平臺需要為每一名學生構(gòu)建合適的實驗學習平臺。教師也能在實驗設計與輔導過程中體現(xiàn)教學指導的靈活性、有效性及針對性。在通常的物理實驗教學中，受班級授課模式和課時的限制，教師難以對每一個實驗小組和每一名學生遇到的實驗問題進行細致且有效的指導。在虛擬實驗教學與DIS實驗教學整合教學模式下，教師可通過虛擬實驗平臺的功能優(yōu)勢，事先把實驗操作步驟、實驗注意事項以合適的方式錄制下來，變成學生在實驗過程中的在線幫助，若有學生在虛擬實驗中需要幫助，可以通過錄像回放和實驗提示請求幫助，還可以通過類似QQ聊天的模式進行文字、語音和視頻的交互，避免了“一人有病大家都吃藥”的現(xiàn)象。通過虛擬實驗平臺，教師的個別指導可大大提高效率。遇到個別問題，教師不必在全班講解，可以在小范圍內(nèi)指導學生。

另外，采用虛擬實驗平臺，教師還可以把主要精力用在關(guān)注學生的實驗方法、實驗過程、實驗結(jié)果、實驗評價上，關(guān)注學生對實驗物理量之間關(guān)系的理解，關(guān)注學生的實驗操作技能水平，關(guān)注學生的科學態(tài)度和合作方式等。

虛擬實驗教學與DIS實驗教學整合的實施

物理學是自然科學的基礎，體現(xiàn)了高新技術(shù)發(fā)展方向，要提高物理學教學質(zhì)量，關(guān)鍵在于教師在教學中激發(fā)學生對物理的興趣，真正讓學生通過實際操作掌握物理原理和方法。

虛擬實驗教學與DIS實驗教學的整合，能解決當前物理實驗教學經(jīng)費的不足，彌補學生實際操作實驗經(jīng)驗的不足。但是，任何虛擬實驗教學與DIS實驗教學都不是萬能的，有優(yōu)勢，也都有不足。我們要做的工作是發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，注意把握好協(xié)調(diào)和互補的關(guān)系，把工作重點放在實驗設計與材料準備上。

物理現(xiàn)象就在我們的周圍，通過對現(xiàn)象的提問和復現(xiàn)，會讓學生感到物理的生動有趣，與生活密切相關(guān)。如男生比較關(guān)注汽車，和汽車相關(guān)的問題就有許多：汽車駕駛室外面的觀后鏡為什么用凸鏡？車頭燈里的反射鏡又為什么用凹鏡？當解釋了這些物理現(xiàn)象后，采用虛擬實驗平臺和DIS，學生就可以通過實驗的方法解釋并進一步上升到概念與理論，進而認識到物理的重要性和普遍性，對物理學的求知態(tài)度也會從被動轉(zhuǎn)為主動，對物理的興趣也能被激發(fā)出來。

物理教學內(nèi)容包含了近代或現(xiàn)代物理學的最新進展及在現(xiàn)代科學技術(shù)中的應用，如光纖技術(shù)在網(wǎng)絡中的應用。因此，在物理教學中應該反映出這些新技術(shù)在實際中的應用及滲透。然而，這些物理實驗是不可能在學校實驗室中完成的。但基于DIS，我們可以將某些物理現(xiàn)象的結(jié)果表現(xiàn)出來，再結(jié)合虛擬實驗平臺，就可以將深奧的理論可視化，進而深化學生對現(xiàn)代物理的理解。因此，教師在平時除了悉心備課、認真鉆研教材外，還應注意物理科學的新動向，有選擇地給學生介紹一些理論信息和事實材料，并利用虛擬實驗平臺動態(tài)添加一些實驗模塊，讓學生及時了解最新的物理科學進展。

網(wǎng)絡上有豐富的學習資源，上網(wǎng)是學生非常喜歡的活動。應合理引導，把學生上網(wǎng)與物理實驗聯(lián)系起來，增強學生對物理學習的興趣，提高學生的推理能力和知識外延能力。對于計算機能力比較強的學生，還可以引導他們幫助教師完成虛擬實驗的設計制作，通過實踐提升學生的成就感，激勵學生探索物理之奧妙。

[1]任俊仙.DIS與物理實驗教學的整合[J].中國教育信息化，2010（18）：41-42.

[2]王育杰，王昭君，梁志華.虛擬實驗教學與DIS實驗教學的整合研究[J].中國電化教育，2009（7）：92-94.

[3]單美賢.虛擬現(xiàn)實與教育相結(jié)合的理論依據(jù)[J]開放教育研究，2001（6）：23-24.

[4]馬如宇，卓敏.DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)在中學物理實驗教學中的應用研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2001（8）：36-38.

（本欄責任編輯：謝良才）

G712

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1672-5727（2012）07-0175-02

丁健雯（1963—），女，江蘇如皋人，無錫工業(yè)高級技工學校高級講師，研究方向為普通物理、電子技術(shù)及信息技術(shù)。