虛擬實驗室在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

嚴(yán)煒 楊曉梅

摘? ?要：隨著時代的進(jìn)步，信息技術(shù)為教學(xué)提供了巨大的便利。近幾年來虛擬現(xiàn)實技術(shù)不斷發(fā)展，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支撐的物理虛擬實驗室為物理教學(xué)提供了一種新的教學(xué)途徑。文章將NOBOOK虛擬實驗室中的物理實驗進(jìn)行了分類，并展示了虛擬實驗在物理教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室;物理教學(xué);信息技術(shù)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）7-0070-3

1? ? 引? 言

2017年教育部新頒布的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂的基本理念中提出要注重課程的時代性，關(guān)注科技進(jìn)步和社會發(fā)展需求，高中物理課程在內(nèi)容上更加注重與生產(chǎn)、生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系[1]。

虛擬演示實驗，就是利用當(dāng)今各種信息技術(shù)手段來模擬和再現(xiàn)現(xiàn)實生活當(dāng)中的各種真實實驗儀器、實驗過程和實驗現(xiàn)象[2]。虛擬實驗室可以高度模擬仿真實驗室的儀器及實驗效果。虛擬實驗室在教學(xué)中的使用與教育部所提出的新課標(biāo)要求高度契合。本文將NOBOOK中的物理實驗按知識進(jìn)行了分類，并展示了虛擬實驗在物理教學(xué)中的應(yīng)用。

2? ? 虛擬實驗平臺介紹

2.1? ? NOBOOK虛擬實驗室

NOBOOK（簡稱NB）虛擬實驗室是由北京樂步教育科技有限公司研制的一款教學(xué)軟件。其中包含物理實驗、化學(xué)實驗、生物實驗、小學(xué)科學(xué)、小科教學(xué)平臺、物理教學(xué)平臺、物理學(xué)生端、化學(xué)學(xué)生端8款針對不同課程、不同人群使用的軟件。NB物理虛擬實驗室涵蓋了8大實驗?zāi)K，包括電與磁、力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、近代物理、家庭電路和力與運(yùn)動，共計383個實驗，同時涵蓋了初高中實驗，學(xué)生可自主選擇實驗儀器完成實驗。

主界面如圖1所示。NB物理虛擬實驗室已有的實驗個數(shù)統(tǒng)計如表1所示。

3? ? NB物理虛擬實驗室與物理教學(xué)

3.1? ? 虛擬實驗室在新課教學(xué)中的演示作用

新課教學(xué)作為整個教學(xué)環(huán)節(jié)最重要的一部分，如何提高教學(xué)效率，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度是所有教師一直在不斷思考的問題。物理作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，精心的實驗設(shè)計不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度，還能培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力。

3.1.1? ? 創(chuàng)設(shè)物理教學(xué)情境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率

教師在課堂上通過在虛擬實驗平臺演示實驗，引入課題，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過在課堂中使用NB物理虛擬實驗室， 為學(xué)生創(chuàng)造教學(xué)情境，增強(qiáng)學(xué)生的課堂代入感，這與長期以來教師教授、學(xué)生聽講、缺乏情境式體驗的教學(xué)模式形成了鮮明的對比。

例如，在演示摩擦起電的實驗中，通過NB虛擬實驗平臺演示這個模擬實驗，學(xué)生能清楚地觀察到物體的帶電情況和電荷的轉(zhuǎn)移情況（如圖2）。相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生只通過教師的口述來了解電荷在金屬棒中的移動，這種學(xué)生只有“耳到、口到”的聽講模式，線上虛擬實驗室這種“眼到、耳到、口到、手到”的教學(xué)模式更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度，同時在整個教學(xué)過程中教學(xué)氛圍輕松愉快，學(xué)生感興趣，學(xué)習(xí)效率高。

3.1.2? ? 提高實驗的可觀測性，增加實驗的靈活性

虛擬實驗相較于傳統(tǒng)的演示實驗，省去了許多不必要的實驗步驟，使得實驗操作簡單、便捷。首先，相比于傳統(tǒng)實驗平面展示，實驗結(jié)果明顯，通過白板展示，更有利于學(xué)生觀察;其次，實驗過程中的誤差明顯減小，提高了實驗的可信度;最后，虛擬實驗基本避免了實驗中的安全隱患，實驗操作更加安全。

通過虛擬實驗室模擬磁鐵周圍小磁針的指向（如圖3右所示）與傳統(tǒng)實驗（如圖3左所示）對比，由于磁感線是假想線，并不能被觀察到，在觀察實驗現(xiàn)象時傳統(tǒng)實驗只能觀察到不同位置小磁針指向不同，通過虛擬實驗?zāi)M磁鐵的磁感線，我們可以清楚地觀察到不同位置小磁針的指向不同，且小磁針指向與磁鐵的磁感線相同。

同時，相比于傳統(tǒng)實驗只能在課堂中進(jìn)行，課堂結(jié)束后學(xué)生很少能再獨(dú)立動手完成實驗，虛擬實驗則為這個問題提供了解決方案。虛擬實驗平臺可在課堂內(nèi)外使用，不受時間、地點(diǎn)的限制，學(xué)生可以通過手機(jī)、平板等工具隨時進(jìn)行實驗。此外，學(xué)生擺脫了傳統(tǒng)實驗的束縛，可以大膽嘗試自己的想法。在虛擬實驗平臺上，學(xué)生可以任意選擇實驗儀器，完成自己想做的實驗，不受實驗環(huán)境的限制。在學(xué)生完成實驗的過程中，學(xué)生的創(chuàng)新思維、主動性得到充分發(fā)揮。

3.1.3? ? 提高課堂的交互性和積極性

線上虛擬實驗室在教學(xué)中的使用，能提高教學(xué)課堂的交互性，通過虛擬實驗平臺，教師與學(xué)生在課堂中的互動增多，有利于提高學(xué)生的課堂積極性。

3.2? ? 虛擬實驗室在復(fù)習(xí)教學(xué)中的引導(dǎo)作用

在教師進(jìn)行復(fù)習(xí)課教學(xué)的過程中，教學(xué)內(nèi)容往往枯燥無味，對于一些經(jīng)典例題的講解，尤其是牽涉到物體運(yùn)動的內(nèi)容，教師往往是通過口述讓學(xué)生在頭腦中自主構(gòu)建一個運(yùn)動模型，然后在黑板上畫出靜態(tài)模型。在這樣的教學(xué)方式下就會存在部分空間想象力較差的學(xué)生不能很好地理解老師的講解內(nèi)容，從而降低教學(xué)效果。通過使用物理虛擬實驗室，在平臺中新建力與運(yùn)動模塊的實驗，選擇場景，調(diào)節(jié)參數(shù)，有效地模擬物體的運(yùn)動情況，為學(xué)生呈現(xiàn)一種動態(tài)的視覺效果，有利于學(xué)生對問題的理解，在學(xué)生建構(gòu)物理模型中起到一個引導(dǎo)作用。

例如，在講解帶電小球在電場或磁場中運(yùn)動的物理問題中，虛擬物理實驗室通過模擬帶電小球在磁場和電場中的動態(tài)運(yùn)動過程，使同學(xué)們能清晰地觀察到小球的整個運(yùn)動軌跡，幫助學(xué)生構(gòu)建物理動態(tài)模型，從而理解問題、解決問題。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)實驗下的教學(xué)顯得更加生動有趣，過程更加清楚明了。

圖4為不計質(zhì)量的帶電荷量的小球，在磁場或電場中的運(yùn)動軌跡。

4? ? 虛擬實驗室的弊端

綜上所述，虛擬實驗室相較于傳統(tǒng)實驗而言，有較多的優(yōu)點(diǎn)，如操作簡單、實驗現(xiàn)象明顯、避免安全隱患等，但虛擬實驗也存在真實性不強(qiáng)、操作性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。虛擬實驗是模擬實驗，不能代替真實實驗。虛擬實驗在簡化實驗步驟、保證實驗的可觀測性的同時，也在某種程度上削弱了學(xué)生的動手能力。虛擬實驗是一個高度理想化的實驗，虛擬實驗平臺上不會存在現(xiàn)實實驗過程中實驗器具的問題，不利于學(xué)生認(rèn)識真實情境下的實驗，不利于在真實實驗中發(fā)現(xiàn)實驗中的問題。因此，在實際教學(xué)中，需要教師結(jié)合實驗的具體要求，精心設(shè)計實驗，以實現(xiàn)最大化的教學(xué)效果。

5? ? 結(jié)? 語

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬實驗平臺還將進(jìn)一步發(fā)展，虛擬實驗與教學(xué)的結(jié)合也是信息技術(shù)與課程整合的一個新的突破。如何在教學(xué)中使用虛擬實驗提升教學(xué)效果，如何協(xié)調(diào)虛擬實驗與現(xiàn)實實驗，使虛擬平臺更好地為教育服務(wù)是每一位教育工作者在未來都必須思考的問題。作為未來的教育工作者的一員，我們在利用好這一教育資源的同時，應(yīng)結(jié)合教學(xué)實際，實現(xiàn)物理教學(xué)的最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]劉筱蘭，張薇，程惠華，王本立.虛擬實驗室的類型及發(fā)展趨勢[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2004（11）：8-10.

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）