淺談虛擬實驗在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

趙京波

摘? ?要：隨著信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國的教育事業(yè)也進(jìn)入了信息化時代，教學(xué)手段日新月異。以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支撐的物理虛擬實驗的推廣應(yīng)用，不僅為中學(xué)物理教學(xué)提供了一種新的教學(xué)途徑，也為學(xué)生自主性、創(chuàng)造性地學(xué)習(xí)物理，提高實驗操作技能提供了一種有效的學(xué)習(xí)平臺。在中學(xué)物理實驗教學(xué)過程中適時適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用虛擬實驗，可以更好地提高實驗教學(xué)的效果。在學(xué)生課后的自主學(xué)習(xí)過程中，讓學(xué)生獨(dú)立自主地運(yùn)用虛擬實驗進(jìn)行實驗探究，不僅可以提高學(xué)生的實驗操作技能，而且還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理;虛擬實驗;物理實驗教學(xué);創(chuàng)新思維

中圖分類號：G633.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1009-010X（2021）20/23-0098-03

虛擬實驗就是利用各種信息技術(shù)手段來模擬和再現(xiàn)現(xiàn)實生活中的各種真實的實驗儀器、實驗過程和實驗現(xiàn)象。它可以高度模擬、仿真實驗室的儀器，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種實驗項目，且所取得的實驗效果等價于甚至優(yōu)于真實環(huán)境中所取得的效果。在中學(xué)物理實驗教學(xué)過程中適時適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用虛擬實驗，可以更好地提高實驗教學(xué)的效果。在學(xué)生課后的自主學(xué)習(xí)過程中，讓學(xué)生獨(dú)立自主地運(yùn)用虛擬實驗進(jìn)行實驗探究，不僅可以提高學(xué)生的實驗操作技能，而且還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。因此，筆者申請了邢臺市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃第三次立項課題“‘互聯(lián)網(wǎng)+思維下中學(xué)理化課堂教學(xué)創(chuàng)新研究”（2001107），以深入探究虛擬實驗在中學(xué)物理中的應(yīng)用，進(jìn)而可達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

虛擬實驗在中學(xué)物理教學(xué)中的具體應(yīng)用有以下幾個方面。

一、巧用虛擬實驗進(jìn)行課堂演示實驗，如此可提高物理實驗教學(xué)的效果

課堂演示實驗是中學(xué)物理實驗教學(xué)中的一個必不可少的組成部分。但從實際情況來看，有些課堂演示實驗的效果卻往往不盡如人意。究其原因有三：其一，受某些限制條件或突發(fā)事件的影響，有些演示實驗的成功性不大，經(jīng)常是誤差很大，有時甚至是錯誤的，這降低了課堂演示實驗的效果;其二，有些演示實驗受時空限制，學(xué)生觀察的視角很小、清晰度很低，甚至部分學(xué)生無法清晰完整地觀察到實驗的整個過程或?qū)嶒灛F(xiàn)象，這大大影響了演示實驗的效果;其三，有些演示實驗所需的時間較長或受某些條件限制不能在課堂上直接演示。針對以上三種情況，在進(jìn)行課堂實驗教學(xué)時，教師可以根據(jù)課堂實驗的需要，充分利用物理虛擬實驗讓部分學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自主選擇實驗器材并操作演示。這樣不但可以成功、完整地呈現(xiàn)課堂演示實驗，又可以提升課堂演示實驗的有效性，進(jìn)而可達(dá)成良好的實驗教學(xué)效果。

例如在學(xué)習(xí)“造成家庭電路電流過大的原因”這一知識點時，由于在課堂上利用220伏電壓演示短路實驗是極其危險的。所以筆者就在觸控一體機(jī)上充分利用物理虛擬實驗室所提供的實驗器材快速組裝成家庭電路，然后將一根空導(dǎo)線的兩端分別插入到一個兩孔插座的插孔中，隨后閉合開關(guān)，隨著“嘭”的一聲火光一閃，保險絲立即熔斷。通過這一演示實驗，不僅使學(xué)生再次清晰地認(rèn)識到家庭電路的組成，而且也使學(xué)生深刻地觀察、體驗到短路的危害性，如此可增強(qiáng)學(xué)生安全用電的意識，同時也收到了良好的教學(xué)效果。

二、巧用虛擬實驗突破物理教學(xué)中的難點，由此可加深學(xué)生對知識的理解

在初中物理的課堂教學(xué)過程中，總有一些知識點學(xué)生難以聽懂和理解，這就是教學(xué)過程中的難點。而造成這些難點的原因一般有兩個：其一，這些知識較為抽象，讓人看不見摸不著，并且教師又很難用準(zhǔn)確的語言將其描述清楚，所以導(dǎo)致學(xué)生難以理解，如電流、磁感線、分子運(yùn)動等;其二，由于學(xué)生的生活經(jīng)驗不足，閱歷不夠，見識不廣，對所學(xué)知識沒有形象直觀的認(rèn)識而感到困難。要突破這些教學(xué)難點，其關(guān)鍵所在就是化抽象為形象，變不可見為可見，例如可借助物理虛擬實驗使許多抽象的事物形象直觀地再現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生一目了然，如此可有效突破教學(xué)中的難點。

例如“常見電路故障的判斷”是歷年來各省市中考?？嫉囊粋€重要知識點，同時它也是學(xué)生感到比較難理解和判斷的一個知識點。這主要是因為電流在電路中的流動狀態(tài)和路徑學(xué)生無法直觀看到，只能靠聽教師說電路發(fā)生短路時電流怎樣流動，然后自己機(jī)械地記憶，這樣時間一長很容易就又忘了。為了解決這一難點，在課堂教學(xué)時，筆者充分利用虛擬電學(xué)實驗器材在交互式電子白板上連接了如下圖所示的實驗電路，隨后分別演示了L1短路、L2短路、L1斷路和L2斷路四種電路故障情況，讓學(xué)生對比觀察它們實驗現(xiàn)象的不同。通過這一系列的演示實驗，學(xué)生能非常直觀地感受到這四種情況下電流流經(jīng)路徑的不同、各燈泡發(fā)光情況的變化以及各電表的示數(shù)變化等。學(xué)生對串聯(lián)電路中這些常見的電路故障有了深刻的印象，就能很容易對各種情況做出判斷了。

三、虛擬實驗與學(xué)生分組實驗相結(jié)合，可提高學(xué)生分組實驗的效率和效果

初中物理實驗教學(xué)大致可分為兩大塊，一是以教師為主導(dǎo)的演示實驗，二是以學(xué)生為主導(dǎo)的分組實驗。與教師演示實驗相比，分組實驗一方面能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生自己動手進(jìn)行實驗操作的能力，另一方面能夠培養(yǎng)學(xué)生之間相互團(tuán)結(jié)與協(xié)作的能力，這些能力都是學(xué)生將來從事工作不可缺少的能力。

為了提高學(xué)生分組實驗的效率和實驗效果，可以將物理虛擬實驗與學(xué)生分組實驗有機(jī)結(jié)合。例如在做“測量小燈泡的功率”這一學(xué)生分組實驗時，筆者采用的教學(xué)策略是：首先由學(xué)生說出該實驗的原理，并設(shè)計出實驗電路圖，然后經(jīng)討論設(shè)計出該實驗的步驟和實驗數(shù)據(jù)表。接下來讓兩位學(xué)生在交互式電子白板上利用物理虛擬實驗室提供的實驗器材演示完成“擺器材——連電路——做實驗——填數(shù)據(jù)——收器材”等一系列操作，同時讓其他實驗小組細(xì)心觀察找出該實驗操作的錯誤之處，并說出或演示出正確的操作方法。最后讓各小組利用所給的實驗器材相互合作測量出所給小燈泡在不同電壓下的電功率。通過將虛擬實驗和學(xué)生分組實驗有機(jī)結(jié)合，不僅可以激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，提高學(xué)生的實驗操作技能，還能提高學(xué)生的實驗效率和實驗效果。

四、充分利用虛擬實驗，可彌補(bǔ)實體實驗器材的不足，如此可提高學(xué)生的實驗操作技能和創(chuàng)新思維能力

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。學(xué)生物理實驗操作能力的培養(yǎng)是物理實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)的重要內(nèi)容之一，也是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的必要基礎(chǔ)。培養(yǎng)學(xué)生的動手精神和理念，培養(yǎng)學(xué)生的物理實驗操作能力，可以為學(xué)生將來走進(jìn)社會，在社會實踐中學(xué)習(xí)掌握一些專業(yè)技術(shù)知識打下良好的基礎(chǔ)。因此，提高學(xué)生的物理實驗操作能力對物理學(xué)科的教學(xué)尤為重要。近幾年來，各省市在中考中也增加了對學(xué)生物理實驗操作能力的考查。

要提高學(xué)生的實驗操作能力，除了在課堂上要讓學(xué)生積極動手做實驗之外，在課下還必須要給學(xué)生提供相關(guān)的實驗操作訓(xùn)練和進(jìn)行實驗探究的平臺，使學(xué)生能夠充分利用課余時間去自主進(jìn)行實驗操作和實驗探究，以達(dá)到熟練掌握實驗操作步驟和技巧的要求，如此可最大限度地提高學(xué)生的實驗操作能力。但以上這些僅靠學(xué)校實驗室中現(xiàn)有的實體實驗器材是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，并且受實驗場地和實驗時間的限制，學(xué)校現(xiàn)有的實體實驗器材也不能讓每一位學(xué)生隨時隨地都可以進(jìn)行實驗操作訓(xùn)練或?qū)嶒炋骄?。而充分利用物理虛擬實驗可以有效解決學(xué)校實體實驗器材的不足，同時還可以滿足讓每一位學(xué)生隨時隨地都可以自主進(jìn)行實驗操作訓(xùn)練或?qū)嶒炋骄康男枨蟆ｋS著信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電腦、平板電腦和智能手機(jī)等已被絕大多數(shù)學(xué)生所擁有。因此，教師可以充分借助這些移動終端，把物理虛擬實驗的軟件發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生用以上終端下載安裝，這樣就可以讓學(xué)生充分利用虛擬實驗所提供的器材去自主完成一些常見的實驗組裝及操作過程，同時學(xué)生也可以利用這些器材自主設(shè)計完成一些創(chuàng)新型探究實驗。這樣不僅能逐步提高學(xué)生的實驗操作技能，還能逐漸培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維能力。

虛擬實驗的應(yīng)用雖然為中學(xué)物理教學(xué)提供了極大的便利，但它只是實體實驗的一個補(bǔ)充、完善和擴(kuò)展，它并不能從根本上替代實體實驗的作用——有效培養(yǎng)學(xué)生的動手操作與實踐能力。此外，它也不能讓學(xué)生體會實際動手實驗中出現(xiàn)的各種故障，限制了學(xué)生進(jìn)行自主發(fā)現(xiàn)與思考能力的培養(yǎng)。因此，教師不能完全以虛擬實驗代替真實實驗。只有結(jié)合教材內(nèi)容和學(xué)生的認(rèn)知實際等，將二者有機(jī)結(jié)合，并靈活加以運(yùn)用，使其相輔相成，優(yōu)勢互補(bǔ)，才能實現(xiàn)中學(xué)物理實驗教學(xué)的最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

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