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虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的合理應(yīng)用

2022-11-24 04:11孫金芳張侃韓玉龍
關(guān)鍵詞:仿真技術(shù)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

孫金芳, 張侃, 韓玉龍

(安徽信息工程學(xué)院 通識教育與外國語學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,對于學(xué)生而言,實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)行自主探究、實(shí)踐的平臺,學(xué)生可以將課堂中學(xué)習(xí)的理論知識應(yīng)用到實(shí)踐操作中,加深自己對知識的理解,提高應(yīng)用能力。對于教師而言,開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力的有效途徑。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)不再局限于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作,信息技術(shù)為學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了全新的體驗(yàn),學(xué)生獲取知識的途徑變得更加多元化。目前,教育信息化已經(jīng)成為各個(gè)院校教育改革的目標(biāo)之一,信息技術(shù)的應(yīng)用不能局限于PPT、視頻、音頻教學(xué),學(xué)生也不再滿足于演示實(shí)驗(yàn)[1]。虛擬仿真技術(shù)具有介入性、交互性和互動性,教師可以根據(jù)需求,在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注入新的活力,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的興趣開展虛擬實(shí)驗(yàn),提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力,調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,實(shí)現(xiàn)教育信息化發(fā)展,以適應(yīng)快速發(fā)展的社會對高質(zhì)量人才的需求。

一、傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的缺陷

受到升學(xué)考試制度和傳統(tǒng)教育觀念的影響,多數(shù)物理教師注重于對理論知識的傳授,忽視了實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要作用,導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合能力有限。甚至部分學(xué)校的實(shí)驗(yàn)課只是為考試服務(wù)的,學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等的理解較為淺顯,只會以教師給出的步驟為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械地操作儀器,降低了學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣。

(一)教學(xué)模式較為單一

由于學(xué)校對物理實(shí)驗(yàn)重視程度較低,導(dǎo)致物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式較為單一,幾乎所有的物理實(shí)驗(yàn)都是預(yù)習(xí)、操作、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告幾個(gè)基本流程。開展實(shí)驗(yàn)課程之前,學(xué)生必須預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識,了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、具體操作步驟和方法,是提高實(shí)驗(yàn)成功率的重要因素[2]。但實(shí)際的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中,學(xué)生并沒有以具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備為參照,只是反復(fù)研究教材中給出的枯燥、抽象的實(shí)驗(yàn)原理,導(dǎo)致學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)畏懼情緒,以敷衍的態(tài)度完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)工作,并沒有理解和掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)的真正的原理,在實(shí)際操作過程中留下諸多隱患,降低了實(shí)驗(yàn)的成功率與準(zhǔn)確率。實(shí)驗(yàn)課堂中,教師會為學(xué)生講解并演示具體實(shí)驗(yàn)步驟,學(xué)生只需要復(fù)制操作步驟即可完成實(shí)驗(yàn),操作過程中學(xué)生不會主動思考該步驟實(shí)施的意義與目的,更不會對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,學(xué)生只需根據(jù)教材給出的公式代入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),便可完成對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理,撰寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告是統(tǒng)一的模板,學(xué)生對實(shí)驗(yàn)報(bào)告的態(tài)度敷衍,對數(shù)據(jù)處理的能力和對實(shí)驗(yàn)原理的理解不佳,難以將所學(xué)知識真正運(yùn)用到實(shí)踐。

(二)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性

多數(shù)學(xué)生和教師都覺得物理實(shí)驗(yàn)非常乏味、枯燥,具有非常明顯的程序性,完成實(shí)驗(yàn)難以帶給學(xué)生成就感,出現(xiàn)這些問題的根本原因是物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性與設(shè)計(jì)性。其一,學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)教材需要長期的積累與編撰,且同一版教材會使用許多年,要反映出物理知識的連續(xù)性,但與科技前沿聯(lián)系較少,缺乏創(chuàng)新性,導(dǎo)致教師需要年復(fù)一年地將相同的教學(xué)內(nèi)容教授給不同的學(xué)生,使其在常年教學(xué)工作中逐漸出現(xiàn)疲勞感[3],且每一屆學(xué)生學(xué)習(xí)的物理實(shí)驗(yàn)都是相同的,學(xué)生還未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就已經(jīng)得知實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對物理實(shí)驗(yàn)失去興趣。其二,現(xiàn)階段,物理實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺少設(shè)計(jì)性、探究性實(shí)驗(yàn)。課堂教學(xué)的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都有明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理方式,使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材、數(shù)量等已經(jīng)為學(xué)生提前備好,限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維,學(xué)生沒有機(jī)會自主設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)。此外,學(xué)生如果不根據(jù)教師給出的步驟操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備,可能會出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)安全問題、導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)故障,限制了學(xué)生對未知事物探索的能力。

(三)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)態(tài)度消極

受到應(yīng)試教育的影響,學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的重視程度低于基礎(chǔ)的理論課程,學(xué)校會縮減物理實(shí)驗(yàn)課時(shí),教師需要在非常短的課時(shí)內(nèi)為學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)、介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的使用方法、注意事項(xiàng),并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完成操作,學(xué)生必須緊跟教師步伐才能完成實(shí)驗(yàn),幾乎沒有獨(dú)立思考、分析問題的時(shí)間,更沒有機(jī)會設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效率低下。因此,多數(shù)學(xué)生參加物理實(shí)驗(yàn)課程僅是滿足教學(xué)要求,對實(shí)驗(yàn)的態(tài)度非常消極,沒有嚴(yán)格按照教師要求操作,導(dǎo)致得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論精確度降低,對實(shí)驗(yàn)設(shè)備造成損傷。為了幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理和儀器基本操作方法,教師可能會選擇班級中學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo),然后由這些優(yōu)秀學(xué)生利用課余時(shí)間向其他人講解實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟等,便于學(xué)生溝通和學(xué)習(xí),但學(xué)生彼此講解實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容時(shí),沒有對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器可以操作,抽象的理論知識難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,教學(xué)效果依舊難以達(dá)到預(yù)期[4]。

(四)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善

與理論課程相比,開展實(shí)驗(yàn)課程需要投入大量資金,學(xué)校對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視程度相對較低,常常學(xué)生數(shù)量和實(shí)驗(yàn)儀器的比例不合適,學(xué)生只能通過小組合作的形式完成實(shí)驗(yàn),且不是每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。難度較大或需要昂貴的儀器才能完成的實(shí)驗(yàn)一般由教師演示完成,學(xué)生只能通過觀察獲取相關(guān)的知識,不能親自動手操作,導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐能力較弱,學(xué)生對物理的探究興趣和創(chuàng)新意識會逐漸減少。此外,有的學(xué)校專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)教師數(shù)量有限,對于實(shí)驗(yàn)器材、設(shè)備的維護(hù)存在滯后性,且實(shí)驗(yàn)室中的部分儀器過于陳舊,學(xué)校沒有及時(shí)更新設(shè)備,學(xué)生使用多次維修的設(shè)備得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度較低,影響了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)論的理解和認(rèn)識。

二、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

隨著互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,教育信息化逐漸成為現(xiàn)代教育改革的主要內(nèi)容之一,虛擬仿真技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛。虛擬仿真技術(shù)也被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),是一種由傳感技術(shù)、人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)等結(jié)合形成的一種具有視覺、觸覺、聽覺等多重感知的高度仿真虛擬環(huán)境。目前,多數(shù)高等院校會設(shè)立專門的虛擬仿真多媒體機(jī)房,以供學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)難度較大、危險(xiǎn)性較大、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯或所需儀器昂貴的物理實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生與虛擬環(huán)境中的事物產(chǎn)生交流、互動,使其產(chǎn)生身臨其境的感覺,增加學(xué)生動手實(shí)踐的機(jī)會,提高物理教學(xué)效率,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維[5]。

(一)創(chuàng)設(shè)直觀的教學(xué)情境

與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相比,虛擬仿真技術(shù)可以幫助學(xué)生創(chuàng)設(shè)更為直觀、具體的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)情境,幫助學(xué)生獲得更好的操作體驗(yàn)。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和物理學(xué)科特點(diǎn),教師可以利用虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生營造出與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相適應(yīng)的教學(xué)情境,例如以音頻、動畫、游戲等方式將物理實(shí)驗(yàn)原理呈現(xiàn)給學(xué)生,活躍課堂氣氛,吸引學(xué)生的注意力,提升學(xué)生的課堂參與度,培養(yǎng)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力,使學(xué)生形成對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)等的長期記憶。將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,不僅可以營造生動的教學(xué)情境,還可以增加學(xué)生獲取相關(guān)物理知識的渠道,主動融入實(shí)驗(yàn)情境中獲取知識,自主探究分析實(shí)驗(yàn)中遇到的問題,逐步形成自己的知識體系[6]。例如,教師可以使用虛擬仿真技術(shù)模擬家庭電路短路現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生回憶自己生活中是否遇到過類似的問題,分析家庭停電現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,以及生活中解決此類問題的方法,引入電路探究實(shí)驗(yàn)。

(二)突破實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制

教師將虛擬仿真技術(shù)和物理實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來,利用多媒體計(jì)算機(jī)將實(shí)驗(yàn)室移動到教室中,突破現(xiàn)實(shí)中開展物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制,學(xué)生和教師可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn),登錄校園建設(shè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺,根據(jù)自己的興趣和學(xué)習(xí)中的薄弱環(huán)節(jié)開展虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn),拓寬物理實(shí)驗(yàn)的覆蓋范圍,降低了有限的教學(xué)課時(shí)對物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率的影響。就實(shí)驗(yàn)操作空間而言,虛擬仿真技術(shù)突破了現(xiàn)實(shí)中客觀因素或?qū)嶒?yàn)難度的限制,物理實(shí)驗(yàn)的可操作性進(jìn)一步增強(qiáng),學(xué)生不僅可以通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室了解宇宙星體的奧秘,還可以觀察原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。就開展實(shí)驗(yàn)的時(shí)間而言,在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺可以追溯古今,了解過去物理學(xué)家開展實(shí)驗(yàn)的精神和態(tài)度,且可以充分利用碎片時(shí)間,通過大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬等技術(shù)迅速獲得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理結(jié)果,得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論[7]。例如,開展凸透鏡成像實(shí)驗(yàn),利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建兩個(gè)相交的球形,相交部分作為凸透鏡,通過調(diào)整該部分的位置和大小,模擬出凸透鏡成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(三)減少實(shí)驗(yàn)儀器損壞率

受到傳統(tǒng)教育理念和升學(xué)考試壓力的影響,一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的教育資金投入不足,基礎(chǔ)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對落后,部分價(jià)值昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備較少出現(xiàn)在地區(qū)院校,導(dǎo)致傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以進(jìn)行,與新課程標(biāo)準(zhǔn)要求脫節(jié)。此外,有些學(xué)校師資力量不足,實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)一般會由同一個(gè)教師完成,缺少專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)教師和實(shí)驗(yàn)室管理人員,實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)和管理需要消耗大量的時(shí)間和精力,導(dǎo)致許多學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不豐富,限制了學(xué)生對物理知識的認(rèn)識和對知識體系的建構(gòu)。利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行難度較大的物理實(shí)驗(yàn),能夠有效減少對實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材等的消耗,避免實(shí)驗(yàn)過程中由于儀器故障或操作不當(dāng)引起的安全事故,學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容和興趣大膽進(jìn)行實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)和提升自身的探究意識和創(chuàng)新思維。

三、虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)的原則

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)必須與物理課程特點(diǎn)和學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)相結(jié)合,充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢,以學(xué)生為教學(xué)主體,選取難度適中、具有典型性、探究性的物理實(shí)驗(yàn),幫助學(xué)生加深對理論知識和實(shí)驗(yàn)原理的理解,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

(一)學(xué)生為主體的原則

現(xiàn)階段,教學(xué)已經(jīng)由“以教師為主體”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為主體”,認(rèn)為教學(xué)過程中所有的教學(xué)活動都應(yīng)該圍繞學(xué)生展開,減少傳統(tǒng)教學(xué)中單一的演示實(shí)驗(yàn)的比例。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用,能夠幫助學(xué)生更深入地理解物理知識,掌握物理規(guī)律和原理。開展虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)前教師需要詳細(xì)了解學(xué)生對物理知識的掌握程度、認(rèn)知水平,對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理的理解程度,學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤或疑問,設(shè)計(jì)具有針對性的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程和與學(xué)生認(rèn)知能力相適應(yīng)的教學(xué)模式,充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的輔助作用,幫助學(xué)生更好地突破學(xué)習(xí)過程中的難點(diǎn),掌握學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)內(nèi)容,學(xué)會利用物理知識解決實(shí)際問題的技巧和方法[8]。

(二)實(shí)驗(yàn)典型性的原則

物理學(xué)科知識較為復(fù)雜,學(xué)習(xí)難度較大,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也相對較多,完成部分實(shí)驗(yàn)時(shí)需要學(xué)生具備一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),對實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)處理方法等有較為完整的理解和認(rèn)識?,F(xiàn)階段,物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少,專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理教師短缺,實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要教師投入大量時(shí)間和精力備課、設(shè)計(jì)。因此,使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)應(yīng)當(dāng)將學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和認(rèn)知水平置于首位,提取出實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中較為抽象、學(xué)習(xí)難度較大的實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn),理解相關(guān)的理論知識,對于實(shí)驗(yàn)原理簡單、操作步驟易于理解的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),可以讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣在課余時(shí)間自主完成[9]。利用虛擬仿真技術(shù)幫助學(xué)生完成物理教學(xué)中具有典型性的實(shí)驗(yàn),將抽象的概念具體化,培養(yǎng)學(xué)生“舉一反三”的學(xué)習(xí)方法和能力,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性與針對性。

(三)自主探究學(xué)習(xí)原則

開展物理實(shí)驗(yàn)課程的目的是培養(yǎng)和提升學(xué)生的實(shí)踐能力、分析和解決問題的能力以及自主學(xué)習(xí)能力,虛擬仿真技術(shù)引導(dǎo)下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)圍繞實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)目標(biāo),適當(dāng)減少演示實(shí)驗(yàn)比例,提升學(xué)生的課堂參與度和操作實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)感,鼓勵(lì)學(xué)生向他人展示自己,選取優(yōu)秀的學(xué)生代表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并利用虛擬仿真技術(shù)向其他人展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)操作過程,將自己實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出的知識、規(guī)律和注意事項(xiàng)講解給同學(xué),教師及時(shí)進(jìn)行糾正與補(bǔ)充。此外,教師可以將虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)平臺賬號留給學(xué)生,使其利用課后時(shí)間反復(fù)練習(xí)基礎(chǔ)的物理實(shí)驗(yàn)操作,復(fù)習(xí)所學(xué)知識,或者根據(jù)自己已有認(rèn)識水平和興趣,設(shè)計(jì)不同類型的物理實(shí)驗(yàn),自行組成學(xué)習(xí)小組,開展探究實(shí)驗(yàn),形成自主學(xué)習(xí)、思考的習(xí)慣,培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力。

四、提升虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率的方法

虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了新的機(jī)遇,高危、不可逆、高耗能、高成本、大型實(shí)驗(yàn)都可以利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn),通過虛擬仿真技術(shù)開展的事物具有立體、逼真、生動、高效的特點(diǎn),讓傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)J街须y以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)獲得可操作性,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中理解理論知識、實(shí)驗(yàn)原理和規(guī)律[10]。因此,政府要大力支持虛擬仿真技術(shù)在各院校的普及,建設(shè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì),加強(qiáng)對虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè),與大型企業(yè)建立合作,為學(xué)生提供更好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境,為國家和社會培養(yǎng)出創(chuàng)新型、實(shí)踐型高素質(zhì)人才。

(一)發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)的輔助作用

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),不僅可以引導(dǎo)學(xué)生完成現(xiàn)實(shí)中無法完成的實(shí)驗(yàn),還能夠?yàn)檎鎸?shí)的物理實(shí)驗(yàn)做資源、數(shù)據(jù)補(bǔ)充,將現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)資源結(jié)合,發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助作用,完善物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本,提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。學(xué)生可以充分利用自己的碎片時(shí)間在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中反復(fù)練習(xí)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作步驟,了解實(shí)驗(yàn)操作中的注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛿?shù)據(jù)處理方法等內(nèi)容,增加實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)時(shí)的成功率,減少實(shí)驗(yàn)資源不足的阻礙。教師可在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)置與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的問題和交流互助任務(wù),及時(shí)檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果,糾正學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)存在的錯(cuò)誤,提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。例如,教師講解“伏安法測小燈泡電功率”的實(shí)驗(yàn)時(shí),教材中要求實(shí)際電壓不能高于額定電壓的1.2倍,實(shí)際操作時(shí)如果超過1.2倍,則容易燒毀實(shí)驗(yàn)器材,造成資源浪費(fèi),而使用物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺可以模擬實(shí)驗(yàn),為學(xué)生演示錯(cuò)位實(shí)驗(yàn)方法,加深學(xué)生對知識的理解。

(二)構(gòu)建專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理團(tuán)隊(duì)

虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)對教師的綜合能力要求較高,教師需要花費(fèi)一定的時(shí)間學(xué)習(xí)虛擬仿真技術(shù),學(xué)校也應(yīng)當(dāng)構(gòu)建專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理團(tuán)隊(duì),將虛擬仿真技術(shù)真正運(yùn)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。因此,虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)實(shí)施初期,學(xué)校必須加強(qiáng)師資團(tuán)隊(duì)的建設(shè),引入跨學(xué)科教師,使物理學(xué)科教師在虛擬仿真技術(shù)普及過程中,逐漸掌握技術(shù)的應(yīng)用方法,了解和領(lǐng)悟先進(jìn)的技術(shù)在提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率中的優(yōu)勢作用,精心設(shè)計(jì)具有探究性、實(shí)踐性、創(chuàng)新性的虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)課題。此外,虛擬仿真技術(shù)在教師團(tuán)隊(duì)的普及過程中,可以適當(dāng)引進(jìn)對現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)感興趣的學(xué)生,達(dá)到對虛擬仿真技術(shù)的宣傳作用。虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛,所以必須加強(qiáng)對虛擬仿真技術(shù)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用的宣傳,建設(shè)專業(yè)的虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理團(tuán)隊(duì),使更多師生了解虛擬仿真技術(shù)輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢,加強(qiáng)對虛擬實(shí)驗(yàn)室的管理和維護(hù),使虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到長遠(yuǎn)發(fā)展。

(三)構(gòu)建和完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺

利用虛擬仿真技術(shù)開展的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目必須以完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求為主,實(shí)驗(yàn)原理必須具有高度準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容安排要合理、難度適宜,實(shí)驗(yàn)時(shí)長合理,綜合多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,將線上實(shí)驗(yàn)、線下交流互動等相結(jié)合,提升虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的有效性、可靠性和吸引力。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),不僅要能夠獨(dú)立完成物理實(shí)驗(yàn),還要確保數(shù)據(jù)等信息安全。由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)難度較大,管理費(fèi)用也較為昂貴,學(xué)校構(gòu)建和完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺時(shí)必須綜合考慮多方面因素,使其滿足不同水平、不同層次、不同區(qū)域?qū)W生的學(xué)習(xí)需求,實(shí)現(xiàn)教育資源共享,平臺必須具有高度的兼容性、開放性、擴(kuò)展性和前瞻性。例如,NOBOOK物理實(shí)驗(yàn)平臺就是一款突破教材、實(shí)驗(yàn)室局限的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室,該平臺通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),由數(shù)位優(yōu)秀教師和學(xué)生自主設(shè)計(jì)DIY、模擬出215個(gè)初中物理實(shí)驗(yàn)和255個(gè)高中物理實(shí)驗(yàn),學(xué)生和教師只需要注冊平臺賬號,就可以完成常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)。

(四)加強(qiáng)與大型技術(shù)型企業(yè)的合作

加強(qiáng)與大型技術(shù)型企業(yè)的合作是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的有效途徑,充分利用大型企業(yè)的技術(shù)和研發(fā)實(shí)力,將先進(jìn)技術(shù)、物理實(shí)驗(yàn)、社會工程等有機(jī)結(jié)合。學(xué)校建設(shè)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)室初期需要資金與技術(shù)的支持,和大型企業(yè)建立長期合作關(guān)系,利用企業(yè)的技術(shù)資源降低虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)難度。在校企合作開發(fā)和建設(shè)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)室的過程中,教師需要向企業(yè)技術(shù)人員提供合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,還應(yīng)當(dāng)積極與企業(yè)技術(shù)人員探究虛擬仿真技術(shù)相關(guān)的問題,學(xué)習(xí)先進(jìn)信息技術(shù)的同時(shí),確定裝備、技術(shù)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的匹配度,確保構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺能夠更高效、更穩(wěn)定地幫助學(xué)生完成各類物理實(shí)驗(yàn),為虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。例如,廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院開展了“虛擬現(xiàn)實(shí)走進(jìn)高校,校企合作共育人才”的講座,與十一維度(廈門)網(wǎng)絡(luò)科技有限公司簽約,構(gòu)建“VR實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地”,校企雙方能合作培養(yǎng)VR/AR方面的高素質(zhì)技術(shù)技能人才,促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用。

建設(shè)和普及虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)代教育信息化發(fā)展的必然趨勢,是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的有效方法。虛擬仿真技術(shù)和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合,必須以教學(xué)理念和信息化技術(shù)為基礎(chǔ),致力于培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力,提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量,以現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)助力物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)快速發(fā)展。

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