基于Flash技术的中学物理虚拟实验平台设计-张丽影

基于Flash技术的中学物理虚拟实验平台设计张丽影1，张健1，张虹雨1（1.安徽师范大学数学计算机科学学院，安徽芜湖241002）关键词：中学物理实验；计算机虚拟技术；虚拟实验平台；Flash摘要：中学物理实验不仅是学习中学物理课程的一种重要方式，而且也是物理课程教学的重要内容。然而，传统的中学物理实验会受到教学区域、教学条件、实验技术、教学手段等因素的限制。随着计算机虚拟技术的出现，中学物理实验教学开启了崭新的思路。本课题主要研究现代信息技术与中学实验课程的设计整合，充分利用Flash技术研究中学物理实验数字化演示的制作方法与虚拟实验平台的搭建，解决中学实验教学中学生多、设备少、教师演示困难、重复试验成本高、难以观察实验现象等难题。中图分类号：TP399文献标识码：ADesignofFlash-BasedVirtualPlatformforSchoolPhysicsExperimentLiyingZhang1,JianZhang1,HongyuZhang1(1.SchoolofMathematicsandComputerScience,AnhuiNormalUniversity,Whu,Anhui241002,China)Keywords:SchoolPhysicsExperiment;ComputerVirtualTechnology;VirtualExperimentPlatform;FlashAbstract：Schoolphysicsexperimentisnotonlyanimportantwaytolearnschoolphysicscourses,butalsoanimportantpartofphysicscurriculumteaching.However,thetraditionalschoolphysicsexperimentsubjectstoteachingarea,teachingconditions,experimentaltechniques,teachingmethodsandotherfactors.Withtheemergenceofcomputervirtualtechnology,theschoolphysicsexperimentteachingopensupnewideas.Thisprojectfocusesonstudyoftheintegrationformoderninformationtechnologyandschoolexperimentalcurriculumdesign,makesfulluseofFlashtechnologytoresearchtheproductionmethodfordigitizeddemonstrationofschoolbiologicalexperimentsandconstructionofvirtualexperimentplatform,soastosolvenumerousstudents,lessequipment,difficulttodemonstrate,highcostofrepeatexperiments,difficulttoobservethephenomenaandotherproblemsinschoolexperimentteaching.1概论11.1研究背景及现状中学物理是以实验为基础的学科，一般说来，我们可以通过实验（演示实验、课外小实验、学生探究实验等）教学来帮助学生了解实验的现象，掌握实验的规律及事物发展变化的过程。但是实验课程教学实践中经常遇到一些问题：（1）传统实验的预习与复习较难展开，课外无法复制实验室环境，依靠想象预习复习效果不理想，效率过低；（2）传统实验教学传递渠道单一，互动性不强：收稿日期：2013-04-05基金项目：安徽省教育科学规划课题（JG12018）作者简介：xxx（xx年生），性别，职称，研究方向，学术成就。传统教学模式大多是教师先把实验步骤详细地安排好，甚至连结论也预先告知学生，然后由教师讲解（动手做）学生模仿，内容枯燥，形式单一，不能形成互动和调动学生主动参与的积极性[1]；（3）反应抽象的理论及定理，宏观、微观、危险的种种实验，传统理化生教学与实验教学没有有效的辅助工具和仿真环境，难以讲解和表现，例如各种抽象的定理、公式及规律、化学学科的危险实验、物理学科中无法有效地表现出声波、电场的性质、万有引力作用、牛顿第一定律等一些抽象的规律、原理，教师讲解起来非常困难，学生也难以理解[2]；（4）部分传统实验过程无法控制，一些反映速度比较快的实验往往是学生没有看仔细就结束了，但由于实验条件的限定又不可能重复地进行演示。充分利用现代信息技术的优势特别是利用Flash技术，针对中学物理实验课程教学，借助多媒体、网络和虚拟现实技术，研究现代信息技术与中学实验课程整合中的关键方法和技术，构建网络虚拟实验平台，以达到节约资金并能形象、清楚地展示实验过程的目标，解决学生多、设备少、教师演示困难、重复实验成本高、难以观察实验现象、危险实验平台难以搭建等难题。虚拟实验教学作为一种教学模式引入中学物理教学，并与传统实验教学相融合。从教学理论的角度上看，本课题的研究目标就是把各种学习理论和相关教学模式作为软件设计的中心指导思想。学生通过使用软件不仅能对物理实验知识的一些基本概念和物理规律进行深入的了解，更重要的是它能提高学生的探索能力，激发学生的求知欲，提高他们自身的创新能力。如果中学物理虚拟实验平台开发成功，作为教学软件投入到中学的教学中去，不仅能减轻真实实验设备的投入，而其能解决实验条件不足等问题。具有重大的理论和实践意义。2虚拟实验室框架2.1虚拟实验室研究基础信息技术的发展，不仅改变了人们传统的交流方式，改变了人们的生活方式，而且日益渗透到教育领域。中国《基础教育课程改革纲要（试行）》中明确要求：在课程的实施过程中，加强信息技术教育，培养学生利用信息技术的意识和能力，并作为新一轮课程改革的重点。大力推进信息技术在教学过程中的普遍应用，促进信息技术与学科课程的整合，逐步实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具。虚拟实验是以现代教育的教学理论为基础，以计算机仿真技术、计算机多媒体技术和计算机网络技术三体合一为依托而建立的新型实验教学系统[3]。虚拟实验室利用计算机技术和多媒体技术来完成各种虚拟实验环境的构建。提供大量的预设的实验情景用于指导学生的思维；一学生用户为主体，教师不参与学生的实验设计，只对学生的问题提出解答和指导，充分体现学生的主题地位。让学生尽力探究过程，获得情感体验，积累科学知识和学习方法。Flash是功能非常强大，集向量绘图、多媒体动画合成、多媒体编译等功能合一身的多媒体制作软件。本课题主要用Flash技术，实现中学物理实验教学中虚拟性。将Flash的多媒体信息技术与中学物理实验课程目标整合、与中学物理实验课程内容整合、与中学物理实验课程实施整合、与中学物理实验课程资源整合。2.2Flash技术与虚拟实验室的整合目前，Flash成熟的动画技术已经形成了一个完整的体系。Flash强大的动画、向量绘图、多媒体及交互功能，非常有利于中学物理实验知识的可视化，可以满足与中学物理课程的整合需要。用Flash的强大功能可以突破中学物理实验教学中的难点。如下：（1）利用Flash强大的交互性可以训练提高学生掌握与操作仪器的能力。在中学物理实验教学中，有大量的仪表仪器的操作。而对于学生来说，只有掌握了对这些仪器的操作，才能进行进一步的实验探究。在传统的实验教学过程中，学生对仪器仪表的反复练习，不仅浪费了大量的实验时间，很难得到教师的及时反馈，而且还需要大量的实验器材。例如，在游标卡尺的读数训练中，学生读数的正确与否很难得到教师的指正，如果利用Flash的交互性实验平台，可以及时反馈学生读数的正误，以便对错误的及时纠正和教训的汲取。（2）利用Flash向量与脚本控制功能来模拟精准的物体运动，让学生更清楚明白的分析物体的运动情况[5]。利用Flash的向量脚本与控制功能可以很好的模拟中学物理教学中在传统物理实验中难以验证的实验。例如：探究弹性形变与弹力的关系，力的合成与分解、圆周运动的向心力、简谐运动等。（3）利用Flash的脚本控制可以分析实验的过程细节[5]。在中学物理实验教学过程中，有很多的实验内容，利用传统的实验方法很难表现实验的具体细节。例如：电磁振荡、分子的热运动、探究小车速度随时间的变化规律等。这样的实验往往是一个很快或者是难以演示的过称，学生很难观察出来，教师也很难给学生讲解分析。但是，利用Flash的脚本控制功能，学生可以自由控制实验的进度与发展。教师可以控制运动或者变化的进程，帮助学生分析细节，助于学生理解与吸收。（4）利用Flash动画的虚拟功能突破宏观与微观的限制。真实的物理实验，往往会受到宏观与的限制，很多实验无法进行。例如：电子在电磁场中的运动、地壳的运动、天体的运动、宇宙的产生等。这类实验学生无法去观察，无法体验。但是，利用Flash虚拟实验可以解决这一难点。在Flash动画中可以模拟任何的物体，可以将宏观的物体按比例缩小，也可以将宏观物体按比例的放大，便于学生进行观察，形象的理解[5]。Flash技术有利于改进传统教学模式与学习方式。在Flash虚拟环境下，可以构建更适合于中学生物理实验学习模式。通过建构一个Flash多媒体信息技术中学生物理实验资源库，学生可以根据自己的需求，自主选择性的利用这些学习资源。这种学习方式有利于学生自主性的学习；有利于提高物理实验的建模能力；有利于学生高阶思维的发展；有利于提高学生的实验创新能力的自主性学习模式。在教学方面，教师可以根据Flash虚拟实验的特点，有所创新，充分发挥虚拟实验的优越性。传统的实验教学，学生只能事先学习有关知识，通过教师的演示或指示，按部就班的设计实验。学生没有思维创新，不符合新课标下的教学理念。利用Flash技术可以开发适合中学物理实验教学的教学模式。用Flash的交互性训练学生控制仪器仪表的能力，可以节省大量的课堂时间，使学生进入实验室就可以对教学实验操作自如，提高了课堂教学效率。在中学物理实验教学中除了有大量的分组实验还有大量的课堂演示实验，这些实验，由于很多因素而难以表达，现实实验很难准确的表达出来。利用Flash进行辅助是可以实现这些突破的。为了让学生在实验上有所创新，在Flash模式下构建仪器的基本功能，学生利用这些具备基本功能的仪器进行虚拟实验，这种实验教学模式可以突破时空的限制。利用图为并茂的Flash创设物理实验教学情境，每一个物理实验在生活中至少是在现实中都有它的原型，利用图文并茂的Flash可以唤醒学生的原有生活体验，利于学生对实验内涵的理念。Flash文件体积小、采用的是流行的矢量技术、灵巧的图形文字编辑功能、运用action中loadmovie、fscommand等命令可以大大提高物理实验的使用效率，便于存储管理与使用，是多媒体资源库的最佳对象[5]。2.3虚拟物理实验框架虚拟实验室可以避免传统实验教学的缺陷，在软件开发上我选择了Flash。Flash是一个集动画、声音、网络、程序、互动于一体的多媒体开发软件。用它可以设计出逼真的物理实验。虚拟物理实验框架上大致可以概括为以下几个步骤：（1）确定实验名称：中学物理实验有很多，大致可以分为电学实验、光学实验、力学实验等几种。首先，我们应确定所做的实验名称，只有知道要做实验的名称才能继续往下的实验。在虚拟实验室中进行物理实验，首先就是要选择要做的实、验名称；（2）理解实验目的：实验目的使我们做实验期望得到的目标。在虚拟实验室下，我们确定了实验名称之后，可以点击实验目的按钮，了解实验目的，有目的的进行试验。（3）掌握实验原理：实验原理使我们进行试验所采用实验方法的依据。在理解实验目的的基础上，点击Fl