OpenGL技术在中学物理虚拟实验教学中的应用研究

　　摘要:虚拟现实技术因其能够生成三维逼真的虚拟实验场景，并能使用户与场景进行实时交互，感知和操作虚拟对象，弥补真实实验环境的不足，对实验教学的教学内容、教学模式、教学方法作出革新的探索，使教学效果更好。
　　关键字：虚拟实验；中学物理教学；实验教学
　　收稿日期：2011-11-21
　　基金项目：国家大学生创新性实验项目
　　作者简介：王刚，男，陕西安康人，陕西师范大学计算机科学学院2009级本科生；李葆华，男，陕西师范大学计算机科学学院，副教授。
　　一、引言
　　计算机技术和现代教育技术的迅速发展，伴随着中学课程的改革，虚拟实验技术的应用日益广泛。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。中学物理是一门实践性很强的课程，实验是其中非常重要的一环。改革开放以来，我国对基础教育投入不够，致使很多中学的实验器材严重缺乏。而实物实验受环境、条件及准备不足等原因影响，实验效果也不理想。另外受场地、时间等诸多限制，学生做实物实验的机会很少。这对学生创新意识的培养及其不利。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。
　　二、研究背景
　　（一）问题提出
　　实验是物理课程改革的重要环节，是落实物理课程标准、全面提高学生科学素养的重要途径，是中学物理教学的重要组成部分。一是因为物理学本身就是建立在实验基础上的学科，实验是物理学的学科性质；二是因为物理实验对促进学生理解、激发兴趣以及培养学生多种能力与科学素养方面具有重要的教育教学功能，对培养创新型人才起着重要的作用。“随着新一轮课程改革的开展，新课程理念的渗透，高中物理教学越来越重视学生对物理实验的理解，重视学生实验技能的提高，鼓励将多媒体技术应用在物理实验中，提倡用身边的普通物品做物理实验”[1]。
　　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。
　　目前，我过传统物理实验课程面临严峻挑战伴随着教育教学改革的不断深化及国家对教育投入的持续增长，国内实验教学软硬件建设和装备条件都有了很大程度的改善，这些变化都为学校带来了难得的发展机遇。但传统实验教学在发展的同时也面临着严峻的挑战:
　　1、时间和空间的约束。不管何种类型的实验，实验教学都必须在指定的实验室中进行，否则根本无法进行。
　　2、有效的实验仪器数量严重不足。早期的基础建设投入不足加之仪器设备量少、陈旧并且维修周期长，给实验教学的正常开展设置了重重障碍，影响学习者动手能力的提高。
　　3、实验教学内容陈旧、教学手段比较落后。传统实验大都采取课堂教学的灌输方式，学生的依赖行为比较明显，不利于培养学生的创新能力，亦不能达到预期的实验效果。
　　随着计算机技术和虚拟现实技术的发展，虚拟现实技术正逐步被引入到实验教学中。在基于虚拟现实的虚拟实验系统中，虚拟实验是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟实验有利降低实验成本;仿真实验的引入，不会因为误操作而造成人员或仪器设备的损伤，不会发生实验室里常见的故障;彻底打破时间与空间的限制，以使学生能够观察大到宇宙天体、小到原子微粒，以及需要几十年、几千年才能完成的变化过程[2]。
　　（二）研究的意义
　　物理学的基本特点是它的实践性，物理学是一门以实验为基础的高度定量化的科学。它离不开实验和观察。物理实验是开展物理学研究的万能钥匙，凭借它人类渐次打开了物理世界各个领域的大门，探索了自然界的奥秘。物理实验是物理理论、物理学科研成果通向生产实践的桥梁。
　　实验教学在物理教学全过程中对学生有效掌握物理知识、发展各种能力、提高素质与促进世界观的形成等方面起着重要作用。物理实验的教育教学功能，除了能激发学生兴趣、训练学生的科学方法、有效地掌握物理基础知识、培养学生手脑并用的能力及科学态度和作风外，还具有“对学生认知结构的转化功能，对认知发展的促进功能，非语言传播功能，测量与评价功能。”[3]在物理教学中运用实验的目的主要在于给学生学习物理创造一个良好的环境，使学生能主动地获取物理知识和发展能力，促进学生科学品质和世界观的形成，同时，通过学生的观察实验，使学生掌握实验的基础知识和基本方法，培养他们的实验技能和能力。物理教学必须以实验为基础，这是由实验本身的特点及其在物理教学中的作用所决定的。我国教育研究工作者对于在中学阶段物理实验教学的作用的阐述[4]，总结起来有以下的五个方面:
　　1、实验教学能激发学生学习物理的兴趣。
　　实验教学可以丰富学生的感性认识，将学生带入生动直观的学习情境，从而极大地吸引学生注意，激发学生的兴趣和求知欲。
　　2、实验教学有利于训练学生的科学方法。
　　观察和实验本身就是物理学的重要研究方法，实验教学能够使学生在实验中逐渐熟悉和领悟这一基本科学方法。另外，实验教学还可以在一定程度上模拟物理学研究的过程，从而使学生在这个仿真的研究过程中学会科学研究的一些其他的方法。
　　3、实验教学能帮助学生有效地掌握物理学的基础知识。
　　物理学知识是由一系列基本概念和基本规律组成的，在中学物理教学中，大量的概念和规律的获得都需要建立在实验和观察的基础上，直观生动的实验教学能够起到突出重点、突破难点的作用，帮助学生理解物理概念、形成物理图像和认识物理过程。同时，物理学知识又是与社会、生活实际息息相通的，实验教学恰好可以给学生提供一种将物理学知识理论联系实际的机会，达到学以致用的目的。
　　4、实验教学有助于培养学生的多种能力。
　　实验是手脑并用的实践活动。在实验教学中，中学生通过理解实验原理、操作实验仪器、观察实验现象和分析实验结果等活动，使观察能力、思维能力、操作能力都得到锻炼。
　　5、实验教学能培养学生的科学态度和科学作风。
　　在实验教学中，通过教师自己的以身作则和教师对学生的严格要求，可以使学生逐步懂得并做到在实验中:爱惜实验仪器，进行规范合理的操作;尊重事实，不篡改实验数据:推理过程避免主观臆断:不怕困难和失败;敢于发表自己的见解等等，从而培养学生实事求是、理论联系实际、顽强探索、勇于创新的科学精神。
　　总之，实验教学是使学生获得中学物理基础知识、发展能力、特别是发展他们的创造能力的基本途径。实验教学不仅关系到学生在中学阶段对物理的理解和认识，更关系到学生的思维方式和创造精神的形成，对他们一生展都可能会产生深远的影响。
　　由此可见，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。
　　（三）研究的现状
　　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[5]
　　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JesusA.delAlamo教授早在1998年就创立了微电子在线实验室(MicroelectronicsWebLab)。此微电子在线实验室自1998年秋投入教学应用测试至今，其使用版本已从最初的WebLab1.0经过2.0、3.0、3.1发展到现在的WebLab4.0”。
　　2、LAAPhysics(LearnAnytimeAnywherePhysics)物理实验室[6]
　　该项目获得美国教育部资金资助，由美国北卡罗来那大学Greensboro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JavaApplet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BBS(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WindowsXP/2000或MacintoshOSX平台。
　　3、Futurelab虚拟实验室[7]
　　该产品是美国SimulationPlus公司在国家科学基金(NationalScienceFoundation)的资助下于1998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。
　　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。
　　三、虚拟实验的理论基础和技术基础
　　（一）虚拟现实技术
　　1.虚拟现实技术简介
　　虚拟现实技术是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉及运动等行为的人机接口技术。它利用3D数字化系统、多传感交互技术以及高分辨显示技术的科学可视化技术，生成三维逼真的虚拟环境，使用者借助于特定设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会。
　　虚拟现实系统中，用户以自然的方式与虚拟环境交互。所谓自然的方式，是指用户通过视觉、听觉、触觉等感觉虚拟环境，使用户产生在真实环境中的幻觉。同时，用户通过在真实环境中的行为，去干预虚拟环境。所以，虚拟现实的人机接口设备，完全不同于现有计算机的人机接口设备。
　　2虚拟现实技术的特点
　　虚拟现实技术具有沉浸性、多感知性、实时交互性和自主性四个重要特。
　　1)沉浸性
　　沉浸性指参与者存在于虚拟环境中的真实程度。理想的沉浸虚拟环境应该达到使参与者难以分辨真假的程度。虚拟现实技术是根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，由计算机产生逼真的三维立体图像。使用者在虚拟环境中，一切感觉都是那么逼真，有一种身临其境的感觉。
　　2)多感知性
　　除了一般计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、力觉感知、触觉感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。理想的虚拟现实技术应该具有人的一切感知功能。目前虚拟现实技术所能提供的感知功能仅限于视觉、听觉、力觉、触觉等。
　　3)实时交互性
　　实时交互性指参与者与虚拟环境中所遇到的各种对象相互作用的能力。例如，参与者可以用手去抓虚拟物体，这时手有握着东西的感觉，被抓的物体随着手的移动而移动。
　　4)自主性
　　自主性指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时，物体会向力的方向运动。
　　（二）虚拟实验的理论基础
　　1.建构主义学习理论
　　建构主义(constructivism)是学习理论中行为主义发展到认知主义以后的进一步发展，乔纳森(Jonassen，1992)认为它是客观主义(objectivism)更为独立的另一发展方向[8]。建构主义学习理论的宗旨是：学习是意义建构的过程，而不是知识的传递过程。学习者在意义建构中处于中心地位，通过同化和顺应进行建构意义，学习者先前的经验在意义建构中具有重要的作用；在情境化的、真实的境脉中的建构才是有意义的，学习是围绕真实的问题展开的；建构的过程是社会性的，学习既是内部的，也是社会的协商，学习就其本质而言是一个社会对话过程；运用技术支撑高级的心智活动，建构主义环境可支持学习者的思维和行动，引导他们进行反思与自我调节[9]。建构主义学习理论的核心点表现在：
　　1、知识依赖于个体的建构，学生对知识的建构是以自己的方式进行建构，并不是外界赋予的。一方面，学习是一个积极主动的建构过程，学习者不是被动地接受外在的信息，而是对外在的信息作主动的选择与加工，主动地建构信息的意义；另一方面，由于学习者本身的特点各异，因此建构活动的方式也就不同，对意义的理解也不同。
　　2、学习者的建构和他们以往的经验有密切的关系。
　　3、学习总是在一定的情境中发生的。
　　4、建构是通过同化与顺应发生的，当外部信息与个体已有的知识结构相匹配时，就被纳入、同化；当外部的信息与个体的认知结构不匹配时，就通过顺应来学习。
　　5、学习是社会性的，分享他人的观点，与他人进行协商、会话，对知识的学习更加全面、深入。
　　6、学习是一个不断创新的过程，不是对知识的简单累积的过程，学习者在真实的情景中不断地发现问题、提出假设，解决问题、验证假设，以此进行意义的建构。
　　7、有意义的学习是通过反思和认知冲突的解决、以及对早期低水平理解的否定而得到的[15]。
　　
　　2.交互理论
　　在虚拟实验中，主要是通过学生与教学媒体、学习资源环境以及自身新旧概念的交互来达到实验的目的。因此，有必要研究关于交互的理论。虚拟实验中的教学交互是分层次的，从操作交互、信息交互再到概念交互，逐渐从具体到抽象、从低级到高级。高级的教学交互以低级的教学交互为条件和基础。操作交互是信息交互的基础，信息交互是概念交互的基础，概念交互是最高水平的交互。媒体是所有教学交互的平台和载体，媒体的交互特性是所有教学交互的基础。
　　（三）虚拟实验技术基础
　　1.OpenGL简介
　　OpenGL是个专业的3D程序接口，是一个功能强大，调用方便的底层3D图形库。OpenGL的前身是SGI公司为其图形工作站开发的IRISGL。IRISGL是一个工业标准的3D图形软件接口，功能虽然强大但是移植性不好，于是SGI公司便在IRISGL的基础上开发了OpenGL。OpenGL的英文全称是“OpenGraphicsLibrary”，顾名思义，OpenGL便是“开放的图形程序接口”。虽然DirectX在家用市场全面领先，但在专业高端绘图领域，OpenGL是不能被取代的主角。
　　OpenGL是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如Windows95、WindowsNT、Unix、Linux、MacOS、OS／2之间进行移植。因此，支持OpenGL的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。OpenGL作为一个性能优越的图形应用程序设计界面（API），适用于广泛的计算机环境。OpenGL已成为目前的三维图形开发标准，是从事三维图形开发工
　　作的技术人员所必须掌握的开发工具。
　　2.OpenGL体系结构
　　一个完整的窗口系统的OpenGL图形处理系统的结构为：最底层为图形硬件，第二层为操作系统，第三层为窗口系统，第四层为OpenGL，第五层为应用软件。见图一所示。
　　
　　图一OpenGL图形处理系统的层次结构
　　OpenGL是网络透明的，在客户机/服务器体系结构中，允许本地或远程调用OpenGL。所以在网络系统中，OpenGL在X窗口、Windows或其它窗口系统下都可以以一个独立的图形窗口出现。由于OpenGL是一个与平台无关的三维图形接口，操作系统必须提供像素格式管理和渲染环境管理。下面以WindowsNT操作系统为例具体介绍OpenGL运行的体系结构。OpenGL在WindowsNT上的实现是基于Client/Server模式的，应用程序发出OpenGL命令，由动态链接库OpenGL32.DLL接收和打包后，发送到服务器端的WINSRV.DLL，然后由它通过DDI层发往视频显示驱动程序。如果系统安装了硬件加速器，则由硬件相关的DDI来处理。OpenGL/NT的体系结构图（如图二）所示。
　　
　　图二OpenGL/NT体系结构
　　3.滑动变阻器的功能设计
　　实验室用滑动变阻器是直流电路中最常用的实验仪器之一。系统应提供多种交互手段，用户和系统的交互主要通过鼠标和键盘进行。键盘主要应用在辅助鼠标进行多个物体的选择，其他的交互都是用鼠标来完成。系统设计中的滑动变阻器能够根据所连接在电路中的接线柱和滑块的位置来及时准确地改变电路中的电阻，同时系统也必须提供将滑动变阻器连接到电路中的接口。其功能主要包括三个方面：
　　⑴缩放和移动。主要实现滑动变阻器在上下左右和对角线方向的缩放功能，可以通过鼠标的拖动来完成（如图三）。
　　
　　图三鼠标缩放图像
　　⑵滑块移动。滑动变阻器在电路中电阻的变化主要是通过滑动滑块来实现的。在正确连接的情况下，滑块移动能够改变滑动变阻器在电路中的有效电阻，从而实现变阻器在电路中的限流、分压作用等。本文中的滑块移动功能是通过在滑块上绑定一个点，这个点和滑块彼此关联来实现的，通过鼠标拖动点来实现滑块移动，效果（如图四)所示。
　　
　　图四使用鼠标拖动滑块
　　⑶接线柱。滑动变阻器在电路中起到保护电路、限制电路电流和分担电压等作用，是通过使用接线柱将滑动变阻器连接到电路中来实现的，所以接线柱的连接功能是必不可少的（如图五）。
　　
　　图五接线柱功能
　　其实现的关键技术主要有以下几个方面：
　　(1)纹理贴图技术
　　纹理贴图技术又称为纹理映射技术，它是计算机图形学中广泛应用的一项重要技术。本文选用纹理贴图技术是出于两方面的考虑，第一，使用OpenGL建模所创建的几何造型不能够描述物体的微观细节，而利用纹理图像可以达到模拟物体表面丰富的细节的目的，在很大程度上可以提高图形的真实性；第二，采用纹理映射的方法，可以很好地简化建模过程。本文中的滑动变阻器造型，如果使用OpenGL直接建模时有许多的细节需要表现，想要创建出真实感非常强的滑动变阻器，需要的工作量是很大的，若采用纹理映射，只要创建简单的模型。在这里使用OpenGL绘制两个简单的正方形模型，分别使用经过处理的三维立体效果很好的不含滑动变阻器滑块的图片和单独的滑块图片贴到模型表面即可。相比较而言，使用纹理贴图的工作量要小很多。纹理映射（TextureMap）是将指定的图像数据应用到一个几何图元上，使用纹理绘制的一般步骤为：导入纹理，将纹理贴图到几何图形上。
　　(2)模板缓冲区的使用
　　在现实世界中，模板就是一块平的纸板或其它材料，模板缓存的用途之一，就是将绘图范围限制在屏幕的特定区域。模板缓存用来进行复杂的掩模(masking)操作。一个复杂的形状可以存储在模板缓存里，然后绘制子序列操作可以使用模板缓存里的内容来决定是否更新象素。
　　
　　四、虚拟实验在中学物理实验教学中的应用研究
　　开发虚拟实验系统的目的是为了让该系统在物理实验教学中的真实实验前和实验后都发挥积极的辅助作用：在真实实验前利用本系统进行预习，有助于学生对实验从整体到局部建立直观的感性认识，能有效地克服在真实实验中出现的盲目操作和实验“走过场”现象，缩短了真实实验的时间。对于一些难度大的、操作步骤多的实验，在做完真实实验后再做虚拟实验，可以使学生了解每一实验步骤在实验过程中所起的作用，进一步理解实验原理、消化实验内容。
　　（一）虚拟实验辅助教师实验教学的教学模式
　　1.虚拟实验辅助教师实验教学的教学模式概述
　　由于虚拟实验加入了实验教学的环节，打破了传统实验教学的流程，因此需要建立与虚拟实验教学相适应的教学模式。在物理实验教学中，教师可以安排学生先进行真实实验，然后留出一些课时做虚拟实验。该方式主要起到复习实验的作用，帮助学生理解实验原理、消化实验内容、巩固实验知识。而且，教师也可以先安排学生做虚拟实验，此方式主要让虚拟实验起到预习实验的作用。老师要求学生先通过虚拟实验明确实验原理、目的和要求，然后按照要求进行虚拟实验，得到数据后进行处理，并回答思考题。
　　2.虚拟实验教学模式对实验教学的影响
　　从教学方法论的视角看，虚拟实验教学这种崭新的实验教学模式为物理学科的实验更新和实验教学改革提供了新思路。首先，它有力地冲击长期以来所造成的教师演示实验，学生静坐观摩以及学生枯燥地完成验证性实验而机械地重视已有结论的被动局面，为学生生动活泼地主动学实验、“做”实验创造条件。其次，将实验化难为易，让学生体验物理实验的真实情境。由此可以改变长期以来经典的、常规的物理实验统治物理课堂的局面，引导学生感受高新科技时代的气息，增进他们探究科学问题的好奇心和动力。最后，通过典型实验，特别是跨学科知识与探究技能的整合，有利于落实“过程技能”的培养。促使学生将物理知识与学习策略进行高层次的整合，提高学习效率。
　　（二）虚拟实验辅助教师以教为主的教学设计
　　在教学实践中教师要将虚拟实验平滑地融入教学过程中，必须和教学内容、教师的活动、学生的活动相结合，如何将这些要素系统地加以考虑，要靠教学设计的理论和方法实现。通过系统科学的教学设计，可以有效地将虚拟实验和传统实验、教与学的理论、教学实践有机结合。其教学设计过程包括教学前期设计、教学情境设计、学习资源设计、学习评价工具设计。
　　1.教学前期设计
　　1、教学目标设计
　　合理的教学目标是保证教学活动顺利进行的必要条件。在传统的教学中，教学目标往往描述的是教师的教学行为和教学过程，而忽略了教学过程的本质和落脚点是学生的学习行为和学习结果。因此，在教学设计中，教学目标要着眼于学生的行为而不是教师的行为，要描述学生的学习结果而不是学习的过程[10]。中学物理的教学目标和能力的培养主要是通过物理教学进行，由物理基本概念、基本原理、基本规律和实践性环节组成，贯穿在整个物理课教学中。
　　2、教学对象分析
　　为了解学习者的学习准备情况及其学习能力与学习风格，应充分考虑学习者的能力、潜能、背景和要求等，为教学内容的选择和组织、学习目标的编写、教学活动的设计、教学方法与媒体的选择和运用等提供依据[11]。深入地了解学习者，对学习者的各类特征进行认真分析和预估，分析得越充分越有利于教学设计。在进行学习者分析时，要对学习者的一般心理、生理和社会背景等一般特征、学习风格、学习者的初始能力等进行细致的分析。
　　3、学习内容分析
　　学习内容分析又称教学内容分析，是解决教师向学习者“教什么”、学习者“学什么”的问题。根据教学目标，科学地加以选择、确立知识范围，适当地选择教学媒体，着重分析学习者需要学习哪些知识和技能，达到什么程度和水平、培养什么能力和态度、使学习者的身心获得什么样的发展等。
　　
　　2.教学情境设计
　　建构主义认为，学习总是与一定的社会文化背景即“情境”相联系的，在实际情境或通过多媒体创设的接近实际的情境下进行学习，可以利用生动、直接的情境有效地激发联想，唤醒长期记忆中有关的知识、经验或表象，从而使学习者能利用自己原有认知结构中的有关知识与经验去同化和顺应当前学习到的新知识，赋予新知识以某种意义[12]。情境认知的作用如下：
　　1、知识迁移。大量的研究表明，知识是可以迁移的，并且知识迁移数量的多少、有无，取决于实验情境与最初学习材料之间的关系。实践表明，认知情境中形成的象征性的认知表征，对于知识的迁移有重要的作用。
　　2、促进反思。通常情境中的问题都是隐含在事实背后，学习者在完成真实问题的解决过程中，很大程度上需要进行认真思考、不断反思，整理自己的认知结构，促进学习者高层思维能力的发展。
　　虚拟实验系统就是为学习者提供一个与现实情境相类似的“情境”。在该“情境”中，学习过程与现实问题的解决过程相类似，所需要的过程往往隐含于问题情境当中；教师也不是将提前准备好的内容教给学生，而是在课堂上展示出与现实中专家解决问题相类似的探索过程，提供解决的原型，并指导学生探索。
　　
　　3.学习资源设计
　　学习资源设计对学习者的学习是至关重要的，教学设计者首先应对资源的状况有所了解。信息技术环境下，知识学习可利用的资源多种多样，包括信息化资源（如计算机和因特网等媒介和数字化内容）、教师、学生、图书馆、实验室等。教学设计者必须保证学习资源的有效性，也就是要保证这种学习资源能够达成教学所需要的教育功效[13]。因此，教师要深入思考信息的组织方式，学习资源的特点，思考它们和学生的学习能力、学习类型、学习方式与学习过程之间的关系，认真设计学习资源，保证学习资源的有效性，为学生创设真实的情境，以利于他们对知识意义的建构。
　　
　　4.学习评价工具的设计
　　学习评价是指评价者参照一定的标准、运用合理的方法对学习者的学习过程和结果做出评定以及在此基础上对学生形成价值判断的过程。进行评价时应注意以下情况：(1)评价的目的是引起反思，指引学习；(2)评价指标不设权重，评价结果不需量化；(3)评价过程要与学习过程交融，评价即学习[14]。物理实验的教学设计应有完善的评价体系，其评价方式应是多样化的，评价贯穿在整个学习过程中，应能进行过程评价，并给出分析和指导的信息，应对参与学习的学习者学习状况给予全程跟踪。它有利于对学习者的学习状况进行评估和反馈，从而有效地引导学习者的学习过程。
　　五、总结与展望
　　针对开发的虚拟实验系统，论文研究了它在辅助教师实验教学和辅助学生自主探究学习方面的应用，还尝试将虚拟实验与真实实验有机结合并应用到物理教学中，取得了较好的应用效果。在进行物理探索方面，论文还需要进一步探索如何将虚拟实验与传统的真实实验有机整合，从而为教师和学生的科学探索、实验技能训练等方面提供更积极有效的条件和支持。另外，论文对虚拟实验系统在辅助远程学习的功能等方面的应用效果还未做研究。
　　在今后的研究中，要针对以上不足之处加以改进和完善，并继续加强以下三方面的研究：
　　首先，加强虚拟实验平台建设方面的工作，除进一步完善初中物理虚拟实验系统外，还要开发出较高质量的高中物理虚拟实验系统；
　　然后，根据虚拟实验应用于教学的基础理论研究，通过虚拟实验在辅助远程学习和对学生进行实验技能培训、提供逼真感知等方面的应用研究，进一步探索在中学物理教学中虚拟实验如何才能更有效地发挥作用；
　　最后，在进行物理科学探索方面，进一步探索如何将虚拟实验与传统的真实实验有机整合，从而为教师和学生的科学探索提供更积极有效的支持。
　　
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《OpenGL技术在中学物理虚拟实验教学中的应用研究》

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文章名称： OpenGL技术在中学物理虚拟实验教学中的应用研究

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