王剛，李葆華

    摘要:虛擬現實技術因其能夠生成三維逼真的虛擬實驗場景，并能使用戶與場景進行實時交互，感知和操作虛擬對象，彌補真實實驗環(huán)境的不足，對實驗教學的教學內容、教學模式、教學方法作出革新的探索，使教學效果更好。
關鍵字：虛擬實驗；中學物理教學；實驗教學

一、論文引言
計算機技術和現代教育技術的迅速發(fā)展，伴隨著中學課程的改革，虛擬實驗技術的應用日益廣泛。不斷深化的教育教學改革對實驗教學在培養(yǎng)學生科學研究能力和綜合素質方面提出了更高的要求。實驗教學的教學內容、教學模式、教學方法亟待革新和完善。中學物理是一門實踐性很強的課程，實驗是其中非常重要的一環(huán)。改革開放以來，我國對基礎教育投入不夠，致使很多中學的實驗器材嚴重缺乏。而實物實驗受環(huán)境、條件及準備不足等原因影響，實驗效果也不理想。另外受場地、時間等諸多限制，學生做實物實驗的機會很少。這對學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)及其不利。虛擬實驗技術的成熟發(fā)展和實驗教學改革的迫切需要使得虛擬實驗在教學中的應用從理論研究走向了實際應用。
二、研究背景
（一） 問題提出
實驗是物理課程改革的重要環(huán)節(jié)，是落實物理課程標準、全面提高學生科學素養(yǎng)的重要途徑，是中學物理教學的重要組成部分。一是因為物理學本身就是建立在實驗基礎上的學科，實驗是物理學的學科性質；二是因為物理實驗對促進學生理解、激發(fā)興趣以及培養(yǎng)學生多種能力與科學素養(yǎng)方面具有重要的教育教學功能，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才起著重要的作用。“隨著新一輪課程改革的開展，新課程理念的滲透，高中物理教學越來越重視學生對物理實驗的理解，重視學生實驗技能的提高，鼓勵將多媒體技術應用在物理實驗中，提倡用身邊的普通物品做物理實驗”[1]。
世界上許多發(fā)達國家重視物理實驗的經驗值得我們借鑒。“沒有實驗的課，不算是一堂成功的課”，這是德國物理教育界普遍流傳的一種說法，德國的物理教師除了極少數的純理論課沒有演示實驗外，一般每堂課都要做2-3個實驗。美國物理課也普遍重視物理實驗。每一節(jié)物理課教師至少要做一個演示實驗，而且這些實驗都是教師自己設計，所用器材也是自己動手制作的。日本的物理實驗教學也非�；钴S，學生課堂上動手操作量較大，有半數以上的課堂是在實驗室度過的。大量的信息資料顯示：國際物理教育界正在流行這樣一種趨勢，即衡量一堂物理課的好壞，很大程度上取決于這堂課中實驗的數量和質量。
目前，我過傳統(tǒng)物理實驗課程面臨嚴峻挑戰(zhàn)伴隨著教育教學改革的不斷深化及國家對教育投入的持續(xù)增長，國內實驗教學軟硬件建設和裝備條件都有了很大程度的改善，這些變化都為學校帶來了難得的發(fā)展機遇。但傳統(tǒng)實驗教學在發(fā)展的同時也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn):
1、時間和空間的約束。不管何種類型的實驗，實驗教學都必須在指定的實驗室中進行，否則根本無法進行。
2、有效的實驗儀器數量嚴重不足。早期的基礎建設投入不足加之儀器設備量少、陳舊并且維修周期長，給實驗教學的正常開展設置了重重障礙，影響學習者動手能力的提高。
3、實驗教學內容陳舊、教學手段比較落后。傳統(tǒng)實驗大都采取課堂教學的灌輸方式，學生的依賴行為比較明顯，不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，亦不能達到預期的實驗效果。   
    隨著計算機技術和虛擬現實技術的發(fā)展，虛擬現實技術正逐步被引入到實驗教學中。在基于虛擬現實的虛擬實驗系統(tǒng)中，虛擬實驗是指由虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統(tǒng)，包括相應實驗環(huán)境、有關的實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等。虛擬實驗有利降低實驗成本;仿真實驗的引入，不會因為誤操作而造成人員或儀器設備的損傷，不會發(fā)生實驗室里常見的故障;徹底打破時間與空間的限制，以使學生能夠觀察大到宇宙天體、小到原子微粒，以及需要幾十年、幾千年才能完成的變化過程[2]。
（二） 研究的意義
物理學的基本特點是它的實踐性，物理學是一門以實驗為基礎的高度定量化的科學。它離不開實驗和觀察。物理實驗是開展物理學研究的萬能鑰匙，憑借它人類漸次打開了物理世界各個領域的大門，探索了自然界的奧秘。物理實驗是物理理論、物理學科研成果通向生產實踐的橋梁。
    實驗教學在物理教學全過程中對學生有效掌握物理知識、發(fā)展各種能力、提高素質與促進世界觀的形成等方面起著重要作用。物理實驗的教育教學功能，除了能激發(fā)學生興趣、訓練學生的科學方法、有效地掌握物理基礎知識、培養(yǎng)學生手腦并用的能力及科學態(tài)度和作風外，還具有“對學生認知結構的轉化功能，對認知發(fā)展的促進功能，非語言傳播功能，測量與評價功能。”[3]在物理教學中運用實驗的目的主要在于給學生學習物理創(chuàng)造一個良好的環(huán)境，使學生能主動地獲取物理知識和發(fā)展能力，促進學生科學品質和世界觀的形成，同時，通過學生的觀察實驗，使學生掌握實驗的基礎知識和基本方法，培養(yǎng)他們的實驗技能和能力。物理教學必須以實驗為基礎，這是由實驗本身的特點及其在物理教學中的作用所決定的。我國教育研究工作者對于在中學階段物理實驗教學的作用的闡述[4]，總結起來有以下的五個方面:
1、實驗教學能激發(fā)學生學習物理的興趣。
    實驗教學可以豐富學生的感性認識，將學生帶入生動直觀的學習情境，從而極大地吸引學生注意，激發(fā)學生的興趣和求知欲。
2、實驗教學有利于訓練學生的科學方法。
    觀察和實驗本身就是物理學的重要研究方法，實驗教學能夠使學生在實驗中逐漸熟悉和領悟這一基本科學方法。另外，實驗教學還可以在一定程度上模擬物理學研究的過程，從而使學生在這個仿真的研究過程中學會科學研究的一些其他的方法。
3、實驗教學能幫助學生有效地掌握物理學的基礎知識。
    物理學知識是由一系列基本概念和基本規(guī)律組成的，在中學物理教學中，大量的概念和規(guī)律的獲得都需要建立在實驗和觀察的基礎上，直觀生動的實驗教學能夠起到突出重點、突破難點的作用，幫助學生理解物理概念、形成物理圖像和認識物理過程。同時，物理學知識又是與社會、生活實際息息相通的，實驗教學恰好可以給學生提供一種將物理學知識理論聯系實際的機會，達到學以致用的目的。
4、實驗教學有助于培養(yǎng)學生的多種能力。
    實驗是手腦并用的實踐活動。在實驗教學中，中學生通過理解實驗原理、操作實驗儀器、觀察實驗現象和分析實驗結果等活動，使觀察能力、思維能力、操作能力都得到鍛煉。
5、實驗教學能培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和科學作風。
    在實驗教學中，通過教師自己的以身作則和教師對學生的嚴格要求，可以使學生逐步懂得并做到在實驗中:愛惜實驗儀器，進行規(guī)范合理的操作;尊重事實，不篡改實驗數據:推理過程避免主觀臆斷:不怕困難和失敗;敢于發(fā)表自己的見解等等，從而培養(yǎng)學生實事求是、理論聯系實際、頑強探索、勇于創(chuàng)新的科學精神。
    總之，實驗教學是使學生獲得中學物理基礎知識、發(fā)展能力、特別是發(fā)展他們的創(chuàng)造能力的基本途徑。實驗教學不僅關系到學生在中學階段對物理的理解和認識，更關系到學生的思維方式和創(chuàng)造精神的形成，對他們一生展都可能會產生深遠的影響。
    由此可見，在中學物理教學中引入虛擬實驗是非常必要的，這主要是因為中學物理課程強調物理知識的基礎性、系統(tǒng)性和實踐性，同時中學生由于年齡較小，理解能力有限，學習物理的難度較大。物理教學中引入虛擬實驗并與真實實驗有機結合，可以培養(yǎng)學生對物理規(guī)律、物理現象、實驗儀器的感性認識，幫助學生從直觀中學習抽象的理論知識和物理規(guī)律。因此，無論基于理論探索還是服務于教師教學和學生自主學習，本文都具有重要的意義：第一，借助于虛擬實驗，實現理論教學與實踐同步進行，加強學生的實驗技能，提高學生的綜合能力；第二，強化了信息技術在中學物理教學中的應用；第三，為中學物理實驗教學新模式的探索，提供實踐依據和借鑒。
（三） 研究的現狀
    國外虛擬實驗主要以教學培訓為目標，參與單位眾多，覆蓋學科面廣。學校參與的項目多數能得到國家級資金資助，發(fā)展十分迅速，列舉如下：
1、麻省理工大學的微電子在線實驗室[5]
麻省理工大學的電子工程和計算機科學學院是較早開始虛擬實驗教學應用的院系。該學院的JesusA.delAlamo教授早在1998年就創(chuàng)立了微電子在線實驗室(Microelectronics WebLab)。此微電子在線實驗室自1998年秋投入教學應用測試至今，其使用版本已從最初的WebLab1.0經過2.0、3.0、3.1發(fā)展到現在的WebLab4.0”。
2、LAAPhysics(Learn Anytime Anywhere Physics)物理實驗室[6]
    該項目獲得美國教育部資金資助，由美國北卡羅來那大學Greensboro分校研制。項目的目標是在網上建立一個開放的、自由的物理課程實驗室，并提出了“隨時隨地學習物理”的口號。系統(tǒng)通過JavaApplet模擬各種實驗設備(測量設備與被測對象)；能與虛擬教師和虛擬學習伙伴進行交流(教師進行指導、問答、評判，學習伙伴討論)；具有聊天室和BBS(與授課教師、同班同學交流)以及評分系統(tǒng)(通過數據庫對學生操作的記錄進行評判)。系統(tǒng)可運行在Windows XP/2000或Macintosh OSX平臺。
3、Futurelab虛擬實驗室[7]
該產品是美國Simulation Plus公司在國家科學基金(National ScienceFoundation)的資助下于1998年推出的。產品功能面向中學教育，包括物理、地理、自然、化學、生物等虛擬實驗室，涵蓋范圍從初中到高中各個年級。
國內相關課題研究概況國內很重視虛擬實驗。虛擬實驗的教學應用主要集中在各大學，如清華大學、北京大學、上海交通大學、華中科技大學、中國地質大學等，但針對于中學物理虛擬實驗教學應用的中學校目前還較少。
三、虛擬實驗的理論基礎和技術基礎
（一） 虛擬現實技術
1.虛擬現實技術簡介
虛擬現實技術是一種逼真地模擬人在自然環(huán)境中視覺、聽覺及運動等行為的人機接口技術。它利用3D數字化系統(tǒng)、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術的科學可視化技術，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，使用者借助于特定設備，便可以進入虛擬空間，成為虛擬環(huán)境的一員，進行實時交互，感知和操作虛擬世界中的各種對象，從而獲得身臨其境的感受和體會。
虛擬現實系統(tǒng)中，用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境交互。所謂自然的方式，是指用戶通過視覺、聽覺、觸覺等感覺虛擬環(huán)境，使用戶產生在真實環(huán)境中的幻覺。同時，用戶通過在真實環(huán)境中的行為，去干預虛擬環(huán)境。所以，虛擬現實的人機接口設備，完全不同于現有計算機的人機接口設備。
2 虛擬現實技術的特點
虛擬現實技術具有沉浸性、多感知性、實時交互性和自主性四個重要特。
1)沉浸性
沉浸性指參與者存在于虛擬環(huán)境中的真實程度。理想的沉浸虛擬環(huán)境應該達到使參與者難以分辨真假的程度。虛擬現實技術是根據人類的視覺、聽覺的生理心理特點，由計算機產生逼真的三維立體圖像。使用者在虛擬環(huán)境中，一切感覺都是那么逼真，有一種身臨其境的感覺。
2)多感知性
除了一般計算機技術所具有的視覺感知之外，還有聽覺感知、力覺感知、觸覺感知，甚至包括味覺感知、嗅覺感知等。理想的虛擬現實技術應該具有人的一切感知功能。目前虛擬現實技術所能提供的感知功能僅限于視覺、聽覺、力覺、觸覺等。
3)實時交互性
實時交互性指參與者與虛擬環(huán)境中所遇到的各種對象相互作用的能力。例如，參與者可以用手去抓虛擬物體，這時手有握著東西的感覺，被抓的物體隨著手的移動而移動。
4)自主性
自主性指虛擬環(huán)境中物體依據物理定律動作的程度。例如，當受到力的推動時，物體會向力的方向運動。
（二） 虛擬實驗的理論基礎
1.建構主義學習理論
    建構主義(constructivism)是學習理論中行為主義發(fā)展到認知主義以后的進一步發(fā)展，喬納森(Jonassen，1992)認為它是客觀主義(objectivism)更為獨立的另一發(fā)展方向[8]。建構主義學習理論的宗旨是：學習是意義建構的過程，而不是知識的傳遞過程。學習者在意義建構中處于中心地位，通過同化和順應進行建構意義，學習者先前的經驗在意義建構中具有重要的作用；在情境化的、真實的境脈中的建構才是有意義的，學習是圍繞真實的問題展開的；建構的過程是社會性的，學習既是內部的，也是社會的協(xié)商，學習就其本質而言是一個社會對話過程；運用技術支撐高級的心智活動，建構主義環(huán)境可支持學習者的思維和行動，引導他們進行反思與自我調節(jié)[9]。建構主義學習理論的核心點表現在：
1、知識依賴于個體的建構，學生對知識的建構是以自己的方式進行建構，并不是外界賦予的。一方面，學習是一個積極主動的建構過程，學習者不是被動地接受外在的信息，而是對外在的信息作主動的選擇與加工，主動地建構信息的意義；另一方面，由于學習者本身的特點各異，因此建構活動的方式也就不同，對意義的理解也不同。
2、學習者的建構和他們以往的經驗有密切的關系。
3、學習總是在一定的情境中發(fā)生的。
4、建構是通過同化與順應發(fā)生的，當外部信息與個體已有的知識結構相匹配時，就被納入、同化；當外部的信息與個體的認知結構不匹配時，就通過順應來學習。
5、學習是社會性的，分享他人的觀點，與他人進行協(xié)商、會話，對知識的學習更加全面、深入。
6、學習是一個不斷創(chuàng)新的過程，不是對知識的簡單累積的過程，學習者在真實的情景中不斷地發(fā)現問題、提出假設，解決問題、驗證假設，以此進行意義的建構。
7、有意義的學習是通過反思和認知沖突的解決、以及對早期低水平理解的否定而得到的[15]。

2.交互理論
在虛擬實驗中，主要是通過學生與教學媒體、學習資源環(huán)境以及自身新舊概念的交互來達到實驗的目的。因此，有必要研究關于交互的理論。虛擬實驗中的教學交互是分層次的，從操作交互、信息交互再到概念交互，逐漸從具體到抽象、從低級到高級。高級的教學交互以低級的教學交互為條件和基礎。操作交互是信息交互的基礎，信息交互是概念交互的基礎，概念交互是最高水平的交互。媒體是所有教學交互的平臺和載體，媒體的交互特性是所有教學交互的基礎。
（三） 虛擬實驗技術基礎
1.OpenGL簡介
    OpenGL是個專業(yè)的3D程序接口，是一個功能強大，調用方便的底層3D圖形庫。OpenGL的前身是SGI公司為其圖形工作站開發(fā)的IRIS GL。IRIS GL是一個工業(yè)標準的3D圖形軟件接口，功能雖然強大但是移植性不好，于是SGI公司便在IRIS GL的基礎上開發(fā)了OpenGL。OpenGL的英文全稱是“Open GraphicsLibrary”，顧名思義，OpenGL便是“開放的圖形程序接口”。雖然DirectX在家用市場全面領先，但在專業(yè)高端繪圖領域，OpenGL是不能被取代的主角。
    OpenGL是個與硬件無關的軟件接口，可以在不同的平臺如Windows 95、Windows NT、Unix、Linux、MacOS、OS／2之間進行移植。因此，支持OpenGL的軟件具有很好的移植性，可以獲得非常廣泛的應用。OpenGL作為一個性能優(yōu)越的圖形應用程序設計界面（API），適用于廣泛的計算機環(huán)境。OpenGL已成為目前的三維圖形開發(fā)標準，是從事三維圖形開發(fā)工
作的技術人員所必須掌握的開發(fā)工具。
2.OpenGL體系結構
    一個完整的窗口系統(tǒng)的OpenGL圖形處理系統(tǒng)的結構為：最底層為圖形硬件，第二層為操作系統(tǒng)，第三層為窗口系統(tǒng)，第四層為OpenGL，第五層為應用軟件。                         
                     OpenGL是網絡透明的，在客戶機/服務器體系結構中，允許本地或遠程調用OpenGL。所以在網絡系統(tǒng)中，OpenGL在X窗口、Windows或其它窗口系統(tǒng)下都可以以一個獨立的圖形窗口出現。由于OpenGL是一個與平臺無關的三維圖形接口，操作系統(tǒng)必須提供像素格式管理和渲染環(huán)境管理。下面以Windows NT操作系統(tǒng)為例具體介紹OpenGL運行的體系結構。OpenGL在Windows NT上的實現是基于Client/Server模式的，應用程序發(fā)出OpenGL命令，由動態(tài)鏈接庫OpenGL32.DLL接收和打包后，發(fā)送到服務器端的WINSRV.DLL，然后由它通過DDI層發(fā)往視頻顯示驅動程序。如果系統(tǒng)安裝了硬件加速器，則由硬件相關的DDI來處理。

                            3.滑動變阻器的功能設計
    實驗室用滑動變阻器是直流電路中最常用的實驗儀器之一。系統(tǒng)應提供多種交互手段，用戶和系統(tǒng)的交互主要通過鼠標和鍵盤進行。鍵盤主要應用在輔助鼠標進行多個物體的選擇，其他的交互都是用鼠標來完成。系統(tǒng)設計中的滑動變阻器能夠根據所連接在電路中的接線柱和滑塊的位置來及時準確地改變電路中的電阻，同時系統(tǒng)也必須提供將滑動變阻器連接到電路中的接口。其功能主要包括三個方面：
⑴縮放和移動。主要實現滑動變阻器在上下左右和對角線方向的縮放功能，可以通過鼠標的拖動來完成。

                          
⑵滑塊移動�；瑒幼冏杵髟陔娐分须娮璧淖兓�主要是通過滑動滑塊來實現的。在正確連接的情況下，滑塊移動能夠改變滑動變阻器在電路中的有效電阻，從而實現變阻器在電路中的限流、分壓作用等。本文中的滑塊移動功能是通過在滑塊上綁定一個點，這個點和滑塊彼此關聯來實現的，通過鼠標拖動點來實現滑塊移動。

                            
⑶接線柱�；瑒幼冏杵髟陔娐分衅鸬奖Ｗo電路、限制電路電流和分擔電壓等作用，是通過使用接線柱將滑動變阻器連接到電路中來實現的，所以接線柱的連接功能是必不可少的
                           其實現的關鍵技術主要有以下幾個方面：
(1)紋理貼圖技術
    紋理貼圖技術又稱為紋理映射技術，它是計算機圖形學中廣泛應用的一項重要技術。本文選用紋理貼圖技術是出于兩方面的考慮，第一，使用OpenGL 建模所創(chuàng)建的幾何造型不能夠描述物體的微觀細節(jié)，而利用紋理圖像可以達到模擬物體表面豐富的細節(jié)的目的，在很大程度上可以提高圖形的真實性；第二，采用紋理映射的方法，可以很好地簡化建模過程。本文中的滑動變阻器造型，如果使用OpenGL 直接建模時有許多的細節(jié)需要表現，想要創(chuàng)建出真實感非常強的滑動變阻器，需要的工作量是很大的，若采用紋理映射，只要創(chuàng)建簡單的模型。在這里使用OpenGL 繪制兩個簡單的正方形模型，分別使用經過處理的三維立體效果很好的不含滑動變阻器滑塊的圖片和單獨的滑塊圖片貼到模型表面即可。相比較而言，使用紋理貼圖的工作量要小很多。紋理映射（Texture Map）是將指定的圖像數據應用到一個幾何圖元上，使用紋理繪制的一般步驟為：導入紋理，將紋理貼圖到幾何圖形上。
(2)模板緩沖區(qū)的使用
    在現實世界中，模板就是一塊平的紙板或其它材料，模板緩存的用途之一，就是將繪圖范圍限制在屏幕的特定區(qū)域。模板緩存用來進行復雜的掩模(masking)操作。一個復雜的形狀可以存儲在模板緩存里，然后繪制子序列操作可以使用模板緩存里的內容來決定是否更新象素。
                   
四、虛擬實驗在中學物理實驗教學中的應用研究
    開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)的目的是為了讓該系統(tǒng)在物理實驗教學中的真實實驗前和實驗后都發(fā)揮積極的輔助作用：在真實實驗前利用本系統(tǒng)進行預習，有助于學生對實驗從整體到局部建立直觀的感性認識，能有效地克服在真實實驗中出現的盲目操作和實驗“走過場”現象，縮短了真實實驗的時間。對于一些難度大的、操作步驟多的實驗，在做完真實實驗后再做虛擬實驗，可以使學生了解每一實驗步驟在實驗過程中所起的作用，進一步理解實驗原理、消化實驗內容。
（一） 虛擬實驗輔助教師實驗教學的教學模式
1.虛擬實驗輔助教師實驗教學的教學模式概述
    由于虛擬實驗加入了實驗教學的環(huán)節(jié)，打破了傳統(tǒng)實驗教學的流程，因此需要建立與虛擬實驗教學相適應的教學模式。在物理實驗教學中，教師可以安排學生先進行真實實驗，然后留出一些課時做虛擬實驗。該方式主要起到復習實驗的作用，幫助學生理解實驗原理、消化實驗內容、鞏固實驗知識。而且，教師也可以先安排學生做虛擬實驗，此方式主要讓虛擬實驗起到預習實驗的作用。老師要求學生先通過虛擬實驗明確實驗原理、目的和要求，然后按照要求進行虛擬實驗，得到數據后進行處理，并回答思考題。
2.虛擬實驗教學模式對實驗教學的影響
    從教學方法論的視角看，虛擬實驗教學這種嶄新的實驗教學模式為物理學科的實驗更新和實驗教學改革提供了新思路。首先，它有力地沖擊長期以來所造成的教師演示實驗，學生靜坐觀摩以及學生枯燥地完成驗證性實驗而機械地重視已有結論的被動局面，為學生生動活潑地主動學實驗、“做”實驗創(chuàng)造條件。其次，將實驗化難為易，讓學生體驗物理實驗的真實情境。由此可以改變長期以來經典的、常規(guī)的物理實驗統(tǒng)治物理課堂的局面，引導學生感受高新科技時代的氣息，增進他們探究科學問題的好奇心和動力。最后，通過典型實驗，特別是跨學科知識與探究技能的整合，有利于落實“過程技能”的培養(yǎng)。促使學生將物理知識與學習策略進行高層次的整合，提高學習效率。
（二）虛擬實驗輔助教師以教為主的教學設計
    在教學實踐中教師要將虛擬實驗平滑地融入教學過程中，必須和教學內容、教師的活動、學生的活動相結合，如何將這些要素系統(tǒng)地加以考慮，要靠教學設計的理論和方法實現。通過系統(tǒng)科學的教學設計，可以有效地將虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗、教與學的理論、教學實踐有機結合。其教學設計過程包括教學前期設計、教學情境設計、學習資源設計、學習評價工具設計。
1.教學前期設計
1、教學目標設計
    合理的教學目標是保證教學活動順利進行的必要條件。在傳統(tǒng)的教學中，教學目標往往描述的是教師的教學行為和教學過程，而忽略了教學過程的本質和落腳點是學生的學習行為和學習結果。因此，在教學設計中，教學目標要著眼于學生的行為而不是教師的行為，要描述學生的學習結果而不是學習的過程[10]。中學物理的教學目標和能力的培養(yǎng)主要是通過物理教學進行，由物理基本概念、基本原理、基本規(guī)律和實踐性環(huán)節(jié)組成，貫穿在整個物理課教學中。
2、教學對象分析
    為了解學習者的學習準備情況及其學習能力與學習風格，應充分考慮學習者的能力、潛能、背景和要求等，為教學內容的選擇和組織、學習目標的編寫、教學活動的設計、教學方法與媒體的選擇和運用等提供依據[11]。深入地了解學習者，對學習者的各類特征進行認真分析和預估，分析得越充分越有利于教學設計。在進行學習者分析時，要對學習者的一般心理、生理和社會背景等一般特征、學習風格、學習者的初始能力等進行細致的分析。
3、學習內容分析
    學習內容分析又稱教學內容分析，是解決教師向學習者“教什么”、學習者“學什么”的問題。根據教學目標，科學地加以選擇、確立知識范圍，適當地選擇教學媒體，著重分析學習者需要學習哪些知識和技能，達到什么程度和水平、培養(yǎng)什么能力和態(tài)度、使學習者的身心獲得什么樣的發(fā)展等。

2.教學情境設計
    建構主義認為，學習總是與一定的社會文化背景即“情境”相聯系的，在實際情境或通過多媒體創(chuàng)設的接近實際的情境下進行學習，可以利用生動、直接的情境有效地激發(fā)聯想，喚醒長期記憶中有關的知識、經驗或表象，從而使學習者能利用自己原有認知結構中的有關知識與經驗去同化和順應當前學習到的新知識，賦予新知識以某種意義[12]。情境認知的作用如下：
1、知識遷移。大量的研究表明，知識是可以遷移的，并且知識遷移數量的多少、有無，取決于實驗情境與最初學習材料之間的關系。實踐表明，認知情境中形成的象征性的認知表征，對于知識的遷移有重要的作用。
2、促進反思。通常情境中的問題都是隱含在事實背后，學習者在完成真實問題的解決過程中，很大程度上需要進行認真思考、不斷反思，整理自己的認知結構，促進學習者高層思維能力的發(fā)展。
    虛擬實驗系統(tǒng)就是為學習者提供一個與現實情境相類似的“情境”。在該“情境”中，學習過程與現實問題的解決過程相類似，所需要的過程往往隱含于問題情境當中；教師也不是將提前準備好的內容教給學生，而是在課堂上展示出與現實中專家解決問題相類似的探索過程，提供解決的原型，并指導學生探索。

3.學習資源設計
    學習資源設計對學習者的學習是至關重要的，教學設計者首先應對資源的狀況有所了解。信息技術環(huán)境下，知識學習可利用的資源多種多樣，包括信息化資源（如計算機和因特網等媒介和數字化內容）、教師、學生、圖書館、實驗室等。教學設計者必須保證學習資源的有效性，也就是要保證這種學習資源能夠達成教學所需要的教育功效[13]。因此，教師要深入思考信息的組織方式，學習資源的特點，思考它們和學生的學習能力、學習類型、學習方式與學習過程之間的關系，認真設計學習資源，保證學習資源的有效性，為學生創(chuàng)設真實的情境，以利于他們對知識意義的建構。

4.學習評價工具的設計
    學習評價是指評價者參照一定的標準、運用合理的方法對學習者的學習過程和結果做出評定以及在此基礎上對學生形成價值判斷的過程。進行評價時應注意以下情況：(1)評價的目的是引起反思，指引學習；(2)評價指標不設權重，評價結果不需量化；(3)評價過程要與學習過程交融，評價即學習[14]。物理實驗的教學設計應有完善的評價體系，其評價方式應是多樣化的，評價貫穿在整個學習過程中，應能進行過程評價，并給出分析和指導的信息，應對參與學習的學習者學習狀況給予全程跟蹤。它有利于對學習者的學習狀況進行評估和反饋，從而有效地引導學習者的學習過程。
五、總結與展望
針對開發(fā)的虛擬實驗系統(tǒng)，論文研究了它在輔助教師實驗教學和輔助學生自主探究學習方面的應用，還嘗試將虛擬實驗與真實實驗有機結合并應用到物理教學中，取得了較好的應用效果。在進行物理探索方面，論文還需要進一步探索如何將虛擬實驗與傳統(tǒng)的真實實驗有機整合，從而為教師和學生的科學探索、實驗技能訓練等方面提供更積極有效的條件和支持。另外，論文對虛擬實驗系統(tǒng)在輔助遠程學習的功能等方面的應用效果還未做研究。
在今后的研究中，要針對以上不足之處加以改進和完善，并繼續(xù)加強以下三方面的研究：
首先，加強虛擬實驗平臺建設方面的工作，除進一步完善初中物理虛擬實驗系統(tǒng)外，還要開發(fā)出較高質量的高中物理虛擬實驗系統(tǒng)；
然后，根據虛擬實驗應用于教學的基礎理論研究，通過虛擬實驗在輔助遠程學習和對學生進行實驗技能培訓、提供逼真感知等方面的應用研究，進一步探索在中學物理教學中虛擬實驗如何才能更有效地發(fā)揮作用；
最后，在進行物理科學探索方面，進一步探索如何將虛擬實驗與傳統(tǒng)的真實實驗有機整合，從而為教師和學生的科學探索提供更積極有效的支持。

                    [ 參 考 文 獻 ]
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