（教育技术学专业论文）虚拟实验在中学物理教学中的应用研究.pdf

虚拟实验在中学物理彭哮中的应用硼究 教育技术学专业 研究生王玉琼指导教师张松 摘要随着计算机技术和现代教育技术的迅速发展，虚拟实验技术的应用越 来越广泛。虚拟实验作为继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法， 对社会发展和科技进步起着日益重要的作用，代表着科学研究方法的发展方向。 不断深化的教育教学改革对实验教学在培养学生科学研究能力和综合素质 方面提出了更高的要求。实验教学的教学内容、教学模式、教学方法亟待革新 和完善。虚拟实验技术的成熟发展和实验教学改革的迫切需要使得虚拟实验在 教学中的应用从理论研究走向了实际应用。本文正是基于此开发了虚拟实验系 统，并将它应用于中学物理实验教学。 本文介绍了国内外虚拟实验的发展状况，分析了虚拟实验的建构主义、混 合式学习理论和交互理论等理论基础以及所使用的技术。论文详细阐述了虚拟 实验系统从设计到实现的全过程，并选择具有代表性的中学物理实验作为虚拟 实验应用研究的对象，重点对虚拟实验在中学物理教学中的应用作了深入分析 研究。一方面，虚拟实验应用于教师实验教学，论文介绍了虚拟实验辅助教师 实验教学的教学模式和教学设计，并以“凸透镜成像和照相机实验为例，阐 述了虚拟实验辅助教师光学实验教学的实际应用，同时还列举了教师在教学过 程中运用虚拟实验突破物理教学难点的案例；另一方面，虚拟实验应用于学生 自主探究学习，论文介绍了学生自主探究学习模式和教学设计，并以探究“电 路短路问题 实验为例，阐述了虚拟物理实验辅助学生电路学习的实际应用， 同时还尝试将虚拟实验与真实实验有机结合更好地进行实验探究。两方面应用 效果分析表明，使用虚拟实验辅助实验教学，有益于提高教师的教学质量，增 强学生的自主学习能力。 最后，本文对虚拟实验在中学物理教学中的应用研究工作进行了认真总结， 提出了进一步研究的方向。 关键词：虚拟实验中学物理教学应用研究 l i r e s e a r c ho n a p p l i c a t i o no f v i r t u a le x p e r i m e n ti n t h et e a c h i n go fm i d d l es c h o o lp h y s i c s m a j o r ：e d u c a t i o n a lt e c h n o l o g y g r a d u a t es t u d e n t ：w a n gy u - q i o n g t u t o r ：z h a n gs o n g w i t ht h ei m p r o v e m e n to fc o m p u t e ra n dm o d e me d u c a t i o n a lt e c h n o l o g i e s ， v i r t u a le x p e r i m e n tt e c h n o l o g yi s r a p i d l yd e v e l o p e da n db e i n gw i d e l yu s e d t h e v i r t u a l e x p e r i m e n t ，w h i c hi s c o n s i d e r e da st h et h i r dr e s e a r c hm e t h o df o l l o w i n g t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，s h o w sa ni m p o r t a n td i r e c t i o nf o rt h e s c i e n t i f i cr e s e a r c ht e c h n i q u e m o r e o v e r , i ta l s op l a y sa ni n c r e a s i n gr o l e i ns o c i a l d e v e l o p m e n ta n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya tp r e s e n t e x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ，f o re x a m p l e ，t e a c h i n gc o n t e n t ，t e a c h i n gm o d ea n d t e a c h i n gm e t h o d ，n e e d s t ob ei n n o v a t e da n dc o n s u m m a t e db e c a u s ea h i g h e r r e q u i r e m e n to nt h ea b i l i t yo fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dd i a t h e s i so fs t u d e n t sh a sb e e n r e c e n t l yp r e s e n t e df r o mt e a c h i n gi n n o v a t i o n t h el a t e s td e v e l o p m e n to ft h ev i r t u a l e x p e r i m e n tt e c h n o l o g ya n ds t r o n gd e m a n d so fe x p e r i m e n t a li n n o v a t i o nm a k et h e v i r t u a le x p e r i m e n tu n d e r g oad y n a m i cp r o c e s sf r o mt h e o r e t i c a lr e s e a r c ht op r a c t i c a l r e s e a r c h b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e re x p l o r e sas y s t e mo fv i r t u a le x p e r i m e n ta n d a p p l i e si ti n t op r a c t i c ei nt h et e a c h i n go fp h y s i c s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a le x p e r i m e n ta r o u n dt h ew o r l d ， t h e na n a l y s e st h et h e o r i t i c a lb a s i so fi t ，s u c ha sc o n s t r u c t i v i s m ，b l e n d e dl e a r n i n ga n d i n t e r a c t i v et h e o r 5a n di t st e c h n o l o g i c a lb a s e t h ep a p e re l a b o r a t e st h ee n t i r ep r o c e s s o fv i r t u a le x p e r i m e n t ss y s t e mf r o mi t sd e s i g nt or e a l i z a t i o ni nd e t a i l s m i d d l e s c h o o lp h y s i c a l e x p e r i m e n t s ，w h i c h a r et y p i c a li nt h e p r e s e n tm i d d l e s c h o o l i i i e d u c a t i o n ，h a v eb e e nc h o u s e da st h er e s e a r c ho b i e c to ft h e v i r t u a l e x p e r i m e n t i n s t r u c t i o na n da n a l y s e st h ea p p l i c a t i o nr e s u l t o nt h eo n eh a n d ，t h ea p p l i c a t i o no f v i r t u a le x p e r i m e n ti nh e l p i n ge x p e r i m e n t a lt e a c h i n gb yt e a c h e r s t h et e a c h i n gm o d e a n di t st e a c h i n gd e s i g nh a v eb e e nd i s c u s s e d ap r o j e c tn a m e da s “t h ec o n v e xl e n s i m a g ef o r m a t i o na n dt h ec a m e r a ”i sw e l ld e s i g n e da n da p p l i e di nt h et e a c h e r so p t i c s t e a c h i n g m e a n w h i l et h ev i r t u a le x p e r i m e n t sh a v eb e e nu t i l i z e db yt h et e a c h e rt o b r e a kt h r o u g ht h ed i f f i c u l t yi np h y s i c st e a c h i n ga n dg i v e sc a s e sa c c o r d i n g l y o nt h e o t h e rh a n d ，t h ea p p l i c a t i o no fv i r t u a le x p e r i m e n t si nh e l p i n g “i n q u i r y - b a s e dl e a r n i n g a u t o n o m y ”，t h es t u d y i n gm o d ea n dt h et e a c h i n gd e s i g nh a v eb e e nd i s c u s s e d a p r o j e c tn a m e da s “t h eq u e s t i o no ft h ee l e c t r i cc i r c u i ts h o r t ”i sw e l ld e s i g n e da n d a p p l i e di nt h ei n q u i r y b a s e dl e a r n i n ga u t o n o m y m e a n w h i l e ，i ta t t e m p t st o w e l l i n t e g r a t et h ev i r t u a le x p e r i m e n t sa n dr e a le x p e r i m e n t si no r d e rt oh e l ps t u d e n t sw i t h i n q u i r i n ge x p e r i m e n t sa n dg i v e sc a s e sa c c o r d i n g l y t h ea n a l y s e so fb o t ha s p e c t s a p p l i c a t i o n e f f e c ts h o w st h a tw i t ht h eh e l po fv i r t u a le x p e r i m e n t s ，t h eq u a l i t yo f i n s t r u c t i o nc a nb ei m p r o v e da n dt h ec a p a b i l i t yo fs t u d e n t sa u t o - i n q u i r yc a nb eb e t t e r d e v e l o p e d f i n a l l y , w es u m m a r i z e dt h ev i a u a le x p e r i m e n tr e s e a r c hw o r ki nt h em i d d l e s c h o o lp h y s i c st e a c h i n g ，a n dp r o p o s e df u r t h e rs t u d i e sd i r e c t i o n k e y w o r d s ：v i r t u a le x p e r i m e n t ；t e a c h i n go fm i d d l es c h o o lp h y s i c s e x p e r i m e n t ；a p p l i e dr e s e a r c h i v 四川师范大学学位论文独创性及 使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师毖松副熬握指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：已提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索：2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位 论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 弓锄 ， 论文作者签名：王t - 旅 聊6 年5 月7 , 0e t 第一章绪论 本文的研究内容是虚拟实验在中学物理教学中的应用。本章主要论述了课 题的研究背景、国内外研究现状、研究思路、论文的主要工作和组织结构。本 章所陈述的内容是课题研究和论文撰写的重要前提与基石。 1 1 研究背景 实验是人类认识世界的重要方法。十六世纪初期，实验思想开始萌芽。1 6 8 7 年，艾萨克牛顿的自然哲学之数学原理( m a t h e m a t i c a lp r i n c i p l e so fn a t u r a l p h i l o s o p h y , 1 6 8 7 ) 一书的出版，标志着完整的实验思想体系和方法论的形成【1 1 1 2 i 。 实验研究和理论研究作为两种相辅相成的科学研究方法成为推动社会进步和科 技发展的重要力量。 在教学中，实验教学是学生积极地发挥主观能动性，进行科学研究的再创 造过程。相对于理论教学而言，实验教学以其直观性、实践性、创造性等优点， 在培养学生基础知识、提高动手能力、掌握科学研究方法等方面发挥着重要作 用。因此，我们要重视实验教学。但是，在现阶段传统的实验教学过程中，还 存在着一些不足。 近年来，随着计算机和网络等先进技术的迅速发展，实验教学的领域也越 来越多地出现了技术的影子，虚拟实验也应运而生。虚拟实验是将计算机技术、 软件技术以及网络技术和传统实验仪器结合起来，改变实验系统的构建模式， 提升实验仪器的整体性能，突破实验操作的时空限制，是传统实验方法的变革， 是继理论研究和实验研究之后的第三种科学研究方法 3 1 。研究如何构建虚拟实 验系统，讨论如何将虚拟实验科学合理地应用于物理教学中推动物理实验教学 改革和发展具有重要意义。 1 1 1 可行性分析 考虑将虚拟实验应用于教学的可行性要从虚拟实验的技术实现进行分析。 从技术上说，计算机和网络是实现虚拟实验的重要支撑。目前，计算机在教学 中的运用非常普遍，人们对于将计算机作为教学的辅助工具已经有了正确的认 识和恰当的运用。网络在生活中的普及，为人们运用网络获取知识和信息进行 学习提供便利。同时，先进的建模技术和编程技术等能够绘制出逼真的虚拟元 件和虚拟场景，实现良好的交互。这些都为虚拟实验的实现提供了基础条件。 1 1 2 中学物理实验教学的现状 加强实验教学是非常必要的。可从三个方面来看：从物理实验本身来看， 实验具有形象真实、生动有趣的特点，能够为学生在形成物理概念、得出物理 规律前营造出活生生的物理情境，对学生学习物理具有现实意义。心理学研究 表明：人的动作记忆效率比语言文字记忆效率要高几倍。“百闻不如一见，百看 不如一做”说的就是这个道理。经验告诉我们：一个成绩优秀的物理学生对物 理现象和物理过程具有很强的“悟性”，这种“悟性源于对日常生活丰富的感 性认识。对物理学习有障碍的学生，其最大的障碍不在于智力因素，而在于缺 少对日常生活的用心观察，头脑中缺乏感性经验，而这些感性经验恰恰是物理 思维的基础。因此，作为一名物理教师，首要任务就是：尽一切可能为学生展 现出丰富多彩的物理现象和活生生的物理情境。中考和高考实验考查的转向， 即：从简单的背诵实验知识转向考查对实验的思想、原理、方法的理解，特别 重在考查学生的实验能力和综合分析能力。这同样告诉我们必须加强中学物理 实验教学。加强实验教学是物理教育教学改革的基本要求。 世界上许多发达国家重视物理实验的经验值得我们借鉴。“没有实验的课， 不算是一堂成功的课 ，这是德国物理教育界普遍流传的一种说法，德国的物理 教师除了极少数的纯理论课没有演示实验外，一般每堂课都要做2 3 个实验。 美国物理课也普遍重视物理实验。每一节物理课教师至少要做一个演示实验， 而且这些实验都是教师自己设计，所用器材也是自己动手制作的。日本的物理 实验教学也非常活跃，学生课堂上动手操作量较大，有半数以上的课堂是在实 验室度过的。大量的信息资料显示：国际物理教育界正在流行这样一种趋势， 即衡量一堂物理课的好坏，很大程度上取决于这堂课中实验的数量和质量。 而通过调查走访发现，我国在目前的中学物理实验教学活动中存在着种种 不足。首先，由于教育投资有限、实验教学设备和仪器相对落后、班级学生人 数的超编、实验教学模式比较单一( 主要以教师讲授的课堂实验教学模式为主) 等问题，导致了实验教学内容陈旧和教师工作量太重，不可能完全像国外那样 2 每堂课教师自己选用器材进行实验设计和实验教学，也不可能每个实验都让学 生自己做，要做到堂堂课都有实验更是难上加难。这就造成了现实教学中缺乏 实验的事实，同时也导致了许多学生觉得物理难学。其次，由于实验系统的构 建模式不够完善，实验项目的开发受到影响，限制了学生参与实验的开发和独 立操作，学生在实验学习中不是整个实验过程的主体，而仅仅是停留在根据教 师的演示和讲解，根据实验讲义上的操作步骤进行简单的模仿，学生的动手能 力和创新思维能力没有得到有效的训练和培养。最后，实验室课余开放的时间 较少，学生重复进行实验和探究实验的机会较少。有些实验具有一定的危害性， 如果让学生亲自做的话，可能会带来危险。 综上所述，既要加强实验教学的力度，而实际的教学情况又限制了现实教 学中的实验数量和质量。怎样缓和这对矛盾? 利用虚拟实验并将它合理地应用 于传统实验教学中是一种有益的尝试。例如，没有条件做的实验可以通过虚拟 实验系统让学生进行操作和观察：教师无法用传统实验方法演示的实验也可以 用虚拟实验进行演示，通过虚拟实验系统，教师的所有演示实验不但教师可以 做，还可让每个学生都去做。另外，虚拟实验系统的实验器材不会由于反复使 用而出现质量问题，并且师生不受时间和空间的限制可以随心所欲地在课内外 进行虚拟实验。 1 1 3 运用实验突破物理教与学中的难点需要 1 、物理概念理解上的困难 物理概念是反映物理现象、物理过程本质属性的一种抽象，是在大量观察、 实验的基础上，运用逻辑思维的方法，把一些事物本质的共同的特征集中起来 加以概括而形成的。在物理学中，有很多物理概念，如运动、力、位移、惯性、 质量、电流、光线等。 然而，教学中不难发现，多数学生缺乏对物理概念全面深入的理解，对同 一概念的各种表达式理解模糊，建立不起知识与典型现象的对应关系，不清楚 相关概念问的区别与联系。以物理概念“惯性为例，惯性是物体保持原来的 匀速直线运动状态或静止状态的性质。学生对虬陨性”概念理解的困难主要有 两个方面：误认为只有静止或匀速直线运动的物体才有惯性。误认为物体 3 运动速度大，惯性就大。 2 、物理规律掌握上的困难 物理规律是有关物理概念之间的必然联系，其建立途径主要有两条：一条 是在观察和实验的基础上，经过思维的加工而发现物理规律：另一条是在已有 规律的基础上，经过科学推证而发现物理规律。而在现有的实验室条件下，学 生在观察和实验中，限于仪器的精密程度、实验操作的准确程度，不可避免地 出现测量误差。再加上物理现象中的微观量的涨落因素，使许多宏观可测物理 量的值是统计的结果，也不可避免地存在误差和准确性。这些都给学生正确理 解和应用物理规律带来了困难。 例如物理规律学习中学生常犯的一个错误就是将欧姆定律应用到含有电动 机的电路中，引起错误的原因在于没有注意到该定律只适用于纯电阻电路。再 比如，动量守恒定律只适用于合外力为零或系统内力远远大于外力的情况等。 1 1 4 虚拟实验与真实实验的整合 虚拟实验与传统实验教学整合是将虚拟实验应用于物理教学的核心，是近 几年来我国中小学信息技术教育的发展重点和热点问题之一【4 1 。实施虚拟实验 与物理教学的整合，就是要在体现教学规律、落实教学原则、应用教学模式、 优化教学方法策略上充分发挥虚拟实验所具有的教学功能特点和所提供的多种 沟通机制的作用，使教学活动按照推进素质教育的要求变革和发展 5 1 。 如何将虚拟实验与真实实验有机结合，科学合理地整合于物理课程教学中， 采用哪种教学模式和何种教学设计才能更好地为中学物理教学服务，这些都是 本文所要解决的问题之一。 1 1 5 研究的目的和意义 本文拟从物理课程的教学为切入点，借助于开发的虚拟实验系统，探求中 学物理实验教学新的教学模式和教学设计，以促进学生在认知、技能以及情感 态度等方面的发展。 在中学物理教学中引入虚拟实验是非常必要的，这主要是因为中学物理课 程强调物理知识的基础性、系统性和实践性，同时中学生由于年龄较小，理解 4 能力有限，学习物理的难度较大。物理教学中引入虚拟实验并与真实实验有机 结合，可以培养学生对物理规律、物理现象、实验仪器等的感性认识，帮助学 生从直观中学习抽象的理论知识和物理规律。 因此，无论基于理论探索还是服务于教师教学和学生自主学习，本文都具 有重要的意义：第一，借助于虚拟实验，实现理论教学与实践同步进行，加强 学生的实验技能，提高学生的综合能力；第二，强化了信息技术在中学物理教 学中的应用；第三，为中学物理实验教学新模式的探索，提供实践依据和借鉴。 1 2 国内外研究现状 本节主要列举目前国内外具有代表性的虚拟实验在教学中的应用实例，分 析虚拟实验的教学应用现状。 1 2 1 国外相关课题研究概况 国外虚拟实验主要以教学培训为目标，参与单位众多，覆盖学科面广。学 校参与的项目多数能得到国家级资金资助，发展十分迅速，列举如下： 1 、麻省理工大学的微电子在线实验室【6 1 麻省理工大学的电子工程和计算机科学学院是较早开始虚拟实验教学应用 的院系。该学院的j e s u s a d e l a l a m o 教授早在1 9 9 8 年就创立了微电子在线实验 室( m i c r o e l e c t r o n i c sw e b l a b ) 。此微电子在线实验室自1 9 9 8 年秋投入教学应用 测试至今，其使用版本已从最初的w e b l a b l 0 经过2 o 、3 0 、3 1 发展到现在的 w e b l a b 4 0 。最新版本的虚拟实验系统包括h b 4 1 5 5 b 半导体参数分析仪和装有 w i n d o w sn ts e r v e r 的作为系统控制器和网络服务器的计算机，h p e 5 2 5 0 a 转换 矩阵提供的多路复用技术使得系统能够同时连接8 个外接设备。该虚拟实验系 统投入教学使用测试后，收到了很多来自学生的正面反馈：“我认为这是一个非 常有益的体验，学习这门课程的难处在于我们需要在没有任何真实数据的情况 下学习关于显微的原理。微电子在线实验室解决了这个问题，我们可以得到一 些真实的数据并进行计算。 “由于能够坐在自己的电脑前处理问题，我更加切 实地思考实验的进行和发展状况，而不是仅仅为了拿到数据以便尽早回家。” 2 、l a a p h y s i c s ( l e a r na n y t i m ea n y w h e r ep h y s i c s ) 物理实验室【7 】 该项目获得美国教育部资金资助，由美国北卡罗来那大学g r e e n s b o r o 分校 研制。项目的目标是在网上建立一个开放的、自由的物理课程实验室，并提出 了“随时随地学习物理”的口号。系统通过j a v aa p p l e t 模拟各种实验设备( 测 量设备与被测对象) ；能与虚拟教师和虚拟学习伙伴进行交流( 教师进行指导、 问答、评判，学习伙伴讨论) ；具有聊天室和b b s ( 与授课教师、同班同学交流) 以及评分系统( 通过数据库对学生操作的记录进行评判) 。系统可运行在 w i n d o w sx p 2 0 0 0 或m a c i n t o s ho s x 平台。 3 、f u t u r e l a b 虚拟实验室【8 】 该产品是美国s i m u l a t i o np l u s 公司在国家科学基金( n a t i o n a ls c i e n c e f o u n d a t i o n ) 的助下于1 9 9 8 年推出的。产品功能面向中学教育，包括物理、地 理、自然、化学、生物等虚拟实验室，涵盖范围从初中到高中各个年级。产品 开发者特别强调其突出特点学生可以在虚拟实验室尽可能发挥自己的想象 力，按自己的意愿去设计实验，既可验证，又可创新。 、 国外虚拟实验教学应用发展较快，技术成熟，值得我们借鉴。 1 2 2 国内相关课题研究概况 国内很重视虚拟实验。虚拟实验的教学应用主要集中在各大学，如清华大 学、北京大学、上海交通大学、华中科技大学、中国地质大学等，但针对于中 学物理虚拟实验教学应用的中学校目前还较少。 1 、中国科技大学人工智能与计算机应用研究室最先研制出我国第一套虚拟 实验教学软伴几何光学实验设计平台 ，该系统完成了光学虚拟实验室的设计， 提供了完整的文档和习题系统。通过实验所提供的一系列光学仪器，学生基本 上可以完成所有的光学实验，但它在教学资源共享、师生对话、同学协作方面 所做的工作不多。 2 、南京金华科软件有限公司2 0 0 5 年3 月推出的仿真物理实验室( v 3 5 版) 称得上是国内比较成功的面向中学物理仿真实验的成功案例，它基本能模拟 初中、高中课程的所有物理实验，但它在考虑教学模式、进行教学设计方面还 比较欠缺。 3 、在教学模式与教学设计结合方面，目前国内有在基于w e b 的仿真大学 物理实验教学方面做出研究和开发，但在中学物理虚拟实验教学研究方面，还 很少有人做出尝试。 4 、我在y a h o o 网站上输入“初中物理实验”进行搜索，结果得到3 3 个 网站内容，其中物理仪器厂介绍9 个，物理实验软件开发公司4 个，物理专业 实验室1 3 个，其它7 个。在这些网站中，针对学生的物理实验教学课题却很少 涉及，这与我们当前丰富的网络资源是极不相称的。 5 、目前针对中学物理的虚拟实验大多还只是局限于动画演示和现象模拟， 交互性不强。因此，我们认为有必要开发出交互性更强的虚拟实验系统。 1 3 研究思路 1 ，3 1 研究内容 本文的研究内容是虚拟实验在中学物理教学中的应用，大致分为以下四个 部分： 1 、虚拟实验的理论基础和技术基础 这部分内容主要阐述虚拟实验的含义、发展历程、特点、分类，虚拟实验 的理论基础和本文用到的开发虚拟实验的技术基础介绍。 2 、虚拟实验系统的构建 论文在构建虚拟实验系统中，着重考虑以下两个方面： ( 1 ) 从教学应用的角度出发 虚拟实验系统的构建着眼于教学应用，因此需要考虑到实验教学的现状和 发展方向。首先，在实验教学中的“通才”教育和“专才 教育相结合的分层 次人才培养目标下，以虚拟实验系统的先进性和精确性来保证实验教学内容的 科学性和前沿性；其次，虚拟实验系统的灵活性和开放性保证了教师和学生在 进行实验项目设计和实验操作的简便适用：最后，考虑目前时间和空间固定的 实验教学模式带来的弊端和不足，以虚拟实验系统优秀的灵活性和开放性帮助 实验教学模式突破性的发展。 ( 2 ) 跟现代科学技术相结合 计算机是现代科学技术先进性的代表。在虚拟实验系统的构建中，首先充 分利用了计算机优秀的应用特性来帮助提高系统的整体性能；其次将目前迅速 发展的软件技术结合起来，运用软件来构建和形成系统的整体结构；最后，利 7 用日益发展的网络技术，以i n t e r n e t 为系统的网络化平台，将系统的应用模式 延伸和扩展到异地异步的程度。 3 、虚拟实验在教学上的应用 将构建的虚拟实验系统应用于辅助中学物理教师实验教学和学生自主探究 学习，提出了实践应用方案并进行效果评价与反思，分析虚拟实验作为一种科 学研究方法给实验教学质量和效果带来的影响。 1 3 2 研究对象 本文将虚拟实验应用于中学物理实验教学一方面是中学物理教学中有必要 加强实验教学，另一方面是中学物理教学的目标。实验教学在中学物理教学中 的必要性在第一章1 1 2 节中已经介绍，这里着重介绍中学物理教学的目标。 中学物理课程教学的目标是使学生：保持对自然界的好奇，培养对科学的 探索兴趣，在了解和认识自然的过程中有满足感及兴奋感；学习一定的物理基 础知识，养成良好的思维习惯，在解决问题或作决定时能尝试运用科学原理和 科学研究方法；经历基本的科学探究过程，具有初步的科学探究能力，乐于参 与和科学技术有关的社会活动，在实践中有依靠自己的科学素养提高工作效率 的意识；具有创新意识，能独立思考，勇于有根据地怀疑，养成尊重事实、大 胆想象的科学态度和科学精神；关心科学发展的前沿，具有可持续发展意识， 树立正确的科学观，有振兴中华、将科学服务于人类的使命感与责任感。 1 3 3 技术路线 1 、以教学应用为系统构建目标 ( 1 ) 易于使用 。 虚拟实验系统是面向教师和学生的，必须易于开发和使用。本文关于虚拟 实验系统的设计从系统科学的角度出发，力求开放性、动态性和集成性。开放 性指的是在模块化和层次化的设计思想基础上，将所有的实验集成系统模块并 开放给师生，教师和学生可以很方便地利用该系统进行实验探究；动态性指的 是教师和学生在实验教学过程中，根据实验情况和教学反馈即时对实验进行动 态调整，以符合实际的教学和实验需要；集成性指系统是由各个组成部分结合 起来的，系统的集成性恰好说明了各个组成部分的灵活性，保证了教师和学生 方便地使用虚拟实验系统。 ( 2 ) 操作简单 在实验教学中，重要的是让学生在有限的时间里尽可能多地掌握实验操作 技能、实验原理和培养科学研究素养，因此，运用于教学的虚拟实验系统必须 具备操作简单的特性，避免将时间浪费在仪器的熟悉过程中。本文构建的虚拟 实验系统全部由计算机控制的软仪器面板来代替传统的仪器，在计算机的显示 屏上显示，师生通过鼠标、键盘等交互设备与虚拟实验环境进行交互来完成实 验操作，仪器面板的按钮功能和位置布局都是根据真实实验的需要和学生熟悉 的操作形式进行设置，形象直观，界面友好，方便师生在实验中的操作和运用。 ( 3 ) 价格低廉 对于有限的教育投资来说，任何先进技术手段和方法的引入都必须考虑到 资金的投入问题。价格低廉、节省资源和提高利用率是构建虚拟实验系统需要 考虑的部分。本系统的开放性、动态性和集成性等特性一方面保证了系统维护 的灵活性和可行性，另一方面极大地提高了重复利用率，节省了资源。 2 、以建模技术和交互技术为核心技术 实现虚拟实验系统的两个最核心技术是建模技术和交互技术。 虚拟环境和虚拟仪器元件的建模需要由数值模型与图像模型两部分组成。 数值模型定义场景与仪器的特性，建立原理的数学关系，计算数值结果并反馈 到图形模型中。图像模型采用三维图片模拟真实外形与操作，显示由数值模型 计算得到的结果，完成与用户的交互，二者协调工作，才能达到模拟真实实验 的操作及视觉效果。建模设计主要涉及建模方式和建模工具的选择，建模方法 主要有两类：基于图形的方法和基于图像的方法。 在虚拟实验中，交互性是用户体验临场感的重要环节。虚拟实验中的交互 必须注意全景浏览与虚拟仪器操作的结合，注意各实验仪器操作中的内在联系 及仪器操作与实验现象的关系。 3 、以i n t e r n e t 为系统的网络化平台【9 l i n t e r n e t 是世界上最大的计算机互联网络，它是由异型计算机、异型系统、 异型网络协议所组成的联系世界1 5 0 多个国家和地区各种大大小小计算机网络 的互联体。根据它的传输速度快、合理的分布式结构、良好的异步交换机制等 优势，我们选择了i n t e m e t 作为系统的网络平台，保证了虚拟实验系统的网络 化在技术上的完备性和结构上的合理性。 1 4 本文的主要工作 论文的研究目的和宗旨是将虚拟实验系统应用于中学物理的教与学中，更 好地辅助教师的实验教学和学生的自主探究学习，突破物理教与学过程中的重 点和难点，如物理概念理解上的困难、物理规律掌握上的困难等，帮助学生更 好地建构物理知识、掌握实验技能、体验探究物理科学的乐趣。因此，本文在 研究虚拟实验相关理论的基础上，结合对中学物理课程和中学生学习心理一般 特征等方面的分析，开发了一个桌面式的中学物理虚拟实验系统。 本文目前完成了中学物理中的初中物理虚拟实验的研究。由于初中物理基 础知识主要是研究力学、热学、声学、电学和光学这五大现象和规律，所以根 据分类管理思想，我们将整个初中物理基础知识划分为五大类知识，分别是电 学知识、光学知识、力学知识、热学知识、声学知识。在该思想指导下，我们 将开发出的虚拟实验系统划分为五个模块，分别是：电学实验室模块、光学实 验室模块、力学实验室模块、热学实验室模块、声学实验室模块。该实验系统 集成了这五个独立的实验室模块，每个实验室模块可以分别实现一些教学功能， 例如实验目的和实验原理的显示、实验仪器的操作、实现现象的模拟，实验数 据的辅助处理、实验结论与分析等。 该虚拟实验系统既可以辅助教师的实验教学，也可以辅助学生自主探究学 习和实验技能训练，还可以辅助远程学习者的实验学习。 最后，论文还对该虚拟实验系统在辅助教师实验教学和学生自主学习方面 的应用效果分别做了研究与评价。 1 5 本文的组织结构 论文共分为六章，各章主要内容如下： 第一章主要论述课题的研究背景和国内外研究现状，以及研究思路和论文 的总体结构。这一章所陈述的内容是课题研究和论文撰写的重要前提与基石。 l o 第二章概述虚拟实验和虚拟实验的理论基础及技术基础。首先，从技术和 应用的双重角度给出虚拟实验的定义，描述虚拟实验的发展阶段和特征以及分 类；其次，研究了虚拟实验的建构主义、混合式学习理论和交互理论等理论基 础；最后，介绍了本文所用到的f l a s h 、m a y a 、d r e a m w e a v e r 技术的特点。 第三章关于虚拟实验系统的设计和实现。首先，针对需求分析确定了虚拟 实验系统的设计目标；其次，介绍了虚拟实验的实验过程：再次，对虚拟实验 系统进行系统设计，包括：提出虚拟实验系统的结构模型、过程模型，对实验 内容进行设计；最后，根据前面的设计，完成虚拟实验系统的具体实现，并详 细阐述了本文用到的建模技术和交互技术等关键技术，论文还对开发出的虚拟 实验系统进行了软件测试。 第四章关于虚拟实验在辅助中学物理教师实验教学方面的应用。第一，介 绍了虚拟实验辅助实验教学的教学模式：第二，描述了虚拟实验辅助教师以教 为主的教学设计，包括教学前期设计、教学情境设计、教学资源设计、教学评 价工具的设计等：第三，以“凸透镜成像规律与照相机 实验项目为例，进行 虚拟实验辅助实验教学的案例分析；第四，为进一步阐述虚拟实验辅助教师教 学，论文还列举了教师运用虚拟实验突破物理教学中的难点和重点的相关案例。 最后，论文对虚拟实验在辅助教师实验教学方面的应用效果做了评价分析。 第五章关于虚拟实验在辅助学生进行自主探究学习中的应用。第一，介绍 了自主探究学习模式；第二，描述了自主探究学习的教学设计及其方法与步骤： 第三，以探究“电路短路问题实验为例，进行虚拟实验辅助学生自主探究学 习的案例分析。第四，阐述了虚拟实验与真实实验相结合，更好地辅助学生进 行探究学习的案例。最后，论文对虚拟实验在辅助学生自主探究学习方面的应 用效果做了评价分析。 第六章对论文进行总结和展望。在详细总结论文的基础上，针对论文研究 的不足，提出了后续研究的思路和展望 第二章虚拟实验的理论基础和技术基础 什么是虚拟实验? 虚拟实验要依据什么理论来设计? 选择什么开发工具来 开发虚拟实验呢? 本章就分析这三方面的内容。 2 1 虚拟实验概述 2 1 1 虚拟实验定义 虚拟实验作为近年来随着计算机技术和网络技术的发展而兴起的一种实验 方法，其实现技术和研究方法还处在不断深化、不断发展的阶段。因此，关于 什么是虚拟实验，如何对虚拟实验的定义进行研究和定位，人们往往会根据在 实际应用中的具体情况，从不同层面和不同角度进行思考。以下是几种常见的 关于虚拟实验定义的表述： 从实验效果角度看，虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现 的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验 项目，所取得的学习或 j l l 练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果【1 0 1 。 从基本组成形式来看，虚拟实验是实验所依赖的模拟程序、实验单元、工 具和参考资料组成的一个创造和引导模拟实验的交互环境，即实验场所。用户 可以通过增加新的物体、建立新的实验并转化成超文本文件来扩充实验室【l l 】。 从实现原理和工具来看，虚拟实验是以教学理论、相似原理、信息技术、 系统技术及与其应用领域有关的技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为 工具，采用“面向对象思想创建的能够实时操作的、非实在的实验空间，在 此环境中，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目 1 2 1 。 从远程协作的角度看，1 9 9 9 年5 月，美国爱荷华州立大学举行的虚拟实验 室专家会议上采用的定义是：虚拟实验是充分利用分布式信息通信技术构建的 一个电子平台，实现研究和创新活动的多方协作和远程实验【1 3 1 。 综合上述对虚拟实验的定义并结合本文讨论的内容，从技术和教学应用的 双重角度对虚拟实验的概念进行描述。虚拟实验是指在计算机系统中利用虚拟 现实等技术构建系统的逻辑结构模型，基于模块化和层次化设计思想，实现的 各种虚拟的实验环境，实验者通过鼠标的点击或拖动、键盘的操作进行虚拟仪 器的操纵和数据处理，如同在真实的实验环境中一样完成各种预定的实验项目。 1 2 2 1 2 虚拟实验的发展模式及特征 1 、虚拟实验的发展 虚拟实验( v i r t u a le x p e r i m e n t ) 是与真实实验( r e a le x p e r i m e n t ) 相区分的一种科 学实验研究方法。真实实验是指在实验中所采用的实验工具、实验对象都是以 实物形态出现的实验，比如测量物体质量的天平和待测物体等。到目前为止， 虚拟实验的发展已经经历了思想实验、仿真实验和虚拟实验三个阶段。 ( 1 ) 思想实验( t h o u g h te x p e r i m e n t ) 思想实验从时间上说是指在1 9 4 6 年电子计算机发明以前的历史时期，在科 学家的头脑中按照真实实验的形式展开的一种复杂的思维推理活动，是科学实 验、形象思维与逻辑推理有机结合的产物，是科学发现这种创造性活动中最有 启发性的方法之一。例如牛顿设想在山顶上做一系列抛射运动的实验，从而创 建了他的万有引力体系【1 4 1 。再如爱因斯坦创立狭义相对论而进行的“理想火车” 实验，以及创立广义相对论而进行的“理想升降机 实验。这些实验都对物理 学的发展做出了划时代的贡献瞰j 。 ( 2 ) 仿真实验( e m u l a t i o ne x p e r i m e n t ) 仿真实验主要是用硬件全部或部分地模仿某一数据处理系统，使模仿的系 统能像被模仿的系统一样接收同样的数据，执行同样的程序，获得同样的结果。 仿真实验是一种利用数学模型或数学物理效应模型，并借助专家经验知识、 统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究的实验方法f 1 6 1 。例如，为了破解 巨型行星上的小月形物的奥秘，美国康奈尔大学的行星科学家们使用世界上最 强大的电脑群进行建模，对1 0 亿年前木星上的小月形物体的运动情况进行仿 真，解释了其不同寻常的运行轨道f 1 7 】。 ( 3 ) 虚拟实验( v i r t u a le x p e r i m e n t ) 虚拟实验是将计算机技术、软件技术以及网络技术和传统实验仪器结合起 来，改变实验系统的构建模式，提升实验仪器的整体性能，突破实验操作的时 空限制，是传统实验方法的变革，是继理论研究和实验研究之后的第三种科学 研究方法。例如美国柯达公司利用能进行三维动态分析的计算机系统来设计新 型的胶片，工程师们在虚拟的空间中进行实验操作，感光胶的合成过程和曝光 时所进行的光化学反应，都不再是些抽象的数据，原来无法想象的过程变得 一目了然【埔】。 2 、虚拟实验的特征 ( 1 ) 虚拟性。这是与真实实验相区别的一个本质特征，它使虚拟实验具备 了一些优势，改善了实验条件，节约了资金，使