基于NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)科學(xué)思維的創(chuàng)新教學(xué)研究
——以“電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測(cè)量”實(shí)驗(yàn)為例

寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院(750021) 楊永宏 楊曉梅

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中提出積極探索信息技術(shù)與物理教育的深度融合，拓寬物理學(xué)習(xí)的途徑，促進(jìn)教學(xué)方式改革，進(jìn)而落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[1]。科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分[2]。物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)態(tài)度，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維等方面具有重要地位。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、效果差等原因，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師往往采用“以講代做”或播放視頻的方式取代學(xué)生的實(shí)際操作。NOBOOK(以下簡(jiǎn)稱(chēng)NB)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以其逼真、準(zhǔn)確、交互性強(qiáng)、可重復(fù)性高的特點(diǎn)，將信息技術(shù)與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)高度整合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究過(guò)程流于形式以及思維能力培養(yǎng)的不足，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間，為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維提供了新的實(shí)踐路徑。

1 NB物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

NB物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由北京樂(lè)步科技有限公司開(kāi)發(fā)的用于輔助中學(xué)物理教學(xué)的虛擬仿真軟件[3]。該平臺(tái)的特點(diǎn)是:仿真度高、兼容性好、交互性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)種類(lèi)豐富、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。作為一款教學(xué)輔助工具，該軟件以學(xué)科核心素養(yǎng)以及課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，緊密貼合教學(xué)需求，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景真實(shí)再現(xiàn)。NB物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋了初高中階段力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、近代物理等8個(gè)模塊的468個(gè)實(shí)驗(yàn)資源，此外，學(xué)生還能利用平臺(tái)中的300多個(gè)實(shí)驗(yàn)器材自由進(jìn)行DIY實(shí)驗(yàn)，可以完成上萬(wàn)種實(shí)驗(yàn)搭配，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[4]。NB物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已有實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)見(jiàn)表1。

2 NB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)比較

相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，該虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)與不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面(見(jiàn)表2)：

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，NB虛擬實(shí)驗(yàn)雖然無(wú)法完全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)物感和真實(shí)感方面存在一定缺陷，但其效果逼真、參數(shù)可調(diào)、精確度高、器材易得、平臺(tái)開(kāi)放。在提升實(shí)驗(yàn)范圍的可囊括性、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化，促進(jìn)探究方法的訓(xùn)練以及進(jìn)行思維過(guò)程的培養(yǎng)等方面具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)?；贜B虛擬平臺(tái)從科學(xué)思維培養(yǎng)的四個(gè)維度出發(fā)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，既可以為實(shí)物實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展搭建思維支架，又能將理論知識(shí)與實(shí)踐操作緊密結(jié)合，有效改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中理論與實(shí)踐脫節(jié)、實(shí)驗(yàn)效果差的困頓局面，從而架起核心素養(yǎng)視域下科學(xué)探究與科學(xué)思維發(fā)展互促互進(jìn)的橋梁。

表1 NB物理虛擬仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 NB虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3 NB虛擬實(shí)驗(yàn)輔助下科學(xué)思維培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

以人教版高中物理必修第三冊(cè)“電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測(cè)量”實(shí)驗(yàn)為載體，基于NB物理虛擬平臺(tái)圍繞如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，設(shè)計(jì)了如圖1所示的教學(xué)流程圖。

圖1 NB虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程圖

3.1 創(chuàng)設(shè)相關(guān)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

以創(chuàng)意微視頻“如何為電量告急的手機(jī)充電？”(見(jiàn)圖2)創(chuàng)設(shè)情境，強(qiáng)化知識(shí)與生活實(shí)踐聯(lián)系。學(xué)生將干電池與水果的共性進(jìn)行分析，類(lèi)比推理得出水果可充電這一猜想；通過(guò)問(wèn)題“如何證明水果是電池”引導(dǎo)學(xué)生提出驗(yàn)證方案，即通過(guò)觀察接入電路中的燈泡亮不亮，觀察電流表、電壓表是否有示數(shù)；學(xué)生在虛擬平臺(tái)自主探究完成論證過(guò)程、驗(yàn)證猜想。在情境創(chuàng)設(shè)中進(jìn)行思維的初步啟發(fā)。

圖2 情境創(chuàng)設(shè)

3.2 激活已有知識(shí)，引起認(rèn)知沖突

以圖3中電壓、電流表有示數(shù)，燈泡卻不能發(fā)光這一現(xiàn)象引起認(rèn)知沖突；引導(dǎo)學(xué)生對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行思考，合理得出水果電池具有電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻這一推理；進(jìn)一步提問(wèn)：如何精確地測(cè)量水果電池的電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻？將問(wèn)題從定性分析上升到定量分析的角度，使學(xué)生的科學(xué)思維得到進(jìn)一步啟發(fā)。

圖3 驗(yàn)證水果是否為電池電路圖

3.3 搭建探究支架，完善實(shí)驗(yàn)方案

以“在所學(xué)的物理公式中，哪個(gè)公式中既含有電動(dòng)勢(shì)E，又含有內(nèi)阻r？”搭建思維支架引導(dǎo)學(xué)生回憶閉合電路歐姆定律及其變形式，以問(wèn)題串的方式進(jìn)一步牽動(dòng)思維鏈條引導(dǎo)學(xué)生思考：電路圖如何搭建、實(shí)驗(yàn)器材如何選擇、需要測(cè)量的物理量有哪些、是否只測(cè)一組數(shù)據(jù)就可以？實(shí)驗(yàn)步驟是什么、有哪些注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)記錄表格如何繪制等；學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬建構(gòu)電路圖模型，將思維可視化呈現(xiàn)，展示思考討論結(jié)果并做總結(jié)(見(jiàn)表3)，經(jīng)過(guò)層層推進(jìn)的科學(xué)推理，實(shí)驗(yàn)思維在潛移默化中得以形成。

表3 測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)方案

3.4 開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究，數(shù)據(jù)處理分析

學(xué)生在NB虛擬平臺(tái)獨(dú)立進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷探究過(guò)程并記錄數(shù)據(jù)；教師用類(lèi)比推理以及問(wèn)題串的方式引導(dǎo)學(xué)生用公式法和圖像法處理數(shù)據(jù)，在進(jìn)行科學(xué)論證的過(guò)程中獲得思維的完整呈現(xiàn)。以伏阻法為例，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電路連接、數(shù)據(jù)記錄以及圖像擬合如圖4、圖5所示。誤差允許的范圍內(nèi)，得到蘋(píng)果電池內(nèi)阻約為420 Ω，電動(dòng)勢(shì)為0.90 V與該電池的實(shí)際值相近。此外，仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)利用伏安法、伏阻法進(jìn)行探究電表示數(shù)變化不明顯。安阻法中調(diào)節(jié)電阻箱，電流計(jì)示數(shù)變化明顯，學(xué)生在采用實(shí)物實(shí)驗(yàn)開(kāi)展探究時(shí)，可選擇用安阻法測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，進(jìn)行實(shí)踐操作能力的訓(xùn)練。

圖4 伏阻法測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻示意圖

圖5 水果電池電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻實(shí)際值

3.5 實(shí)驗(yàn)拓展應(yīng)用，發(fā)展創(chuàng)新思維

對(duì)于開(kāi)放性問(wèn)題的探究和思考是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要方式[5]。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究“水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻與哪些因素有關(guān)”鞏固所學(xué)知識(shí)，加強(qiáng)認(rèn)知體驗(yàn)，拓展學(xué)生的思維，增強(qiáng)創(chuàng)新能力，在實(shí)驗(yàn)的再探究中獲得思維的提升。探究活動(dòng)相應(yīng)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)如下。

3.5.1 教師活動(dòng)

(1)問(wèn)題引導(dǎo)：各個(gè)小組測(cè)出的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻不盡相同。水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻與哪些因素有關(guān)？

(2)提供材料：NB虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

(3)水果果酸知識(shí)科普，提供不同水果pH值，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成記錄表格。

(4)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)探究結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論。

3.5.2 學(xué)生活動(dòng)

小組間思考交流，比較各自得到的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，并提出猜想：①與水果的種類(lèi)、成熟程度有關(guān);②與兩電極的插入深度有關(guān);③與兩電極的間距有關(guān);④與兩電極的材料種類(lèi)有關(guān)。

(1)改變水果種類(lèi)，搭建測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路，進(jìn)行探究,測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 探究電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻與水果類(lèi)型的關(guān)系

(2)改變電池兩電極插入深度，搭建實(shí)驗(yàn)電路圖，展開(kāi)探究,測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 探究電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻與電極插入深度的關(guān)系

(3)改變電池兩電極間距，搭建實(shí)驗(yàn)電路圖，展開(kāi)探究，測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 探究電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻與電極間距的關(guān)系

(4)改變兩電極材料類(lèi)型，搭建實(shí)驗(yàn)電路圖，展開(kāi)探究，測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 探究電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻與電極材料類(lèi)型的關(guān)系

分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論:

①水果的種類(lèi)不同,電動(dòng)勢(shì)不同，酸性越強(qiáng)的水果，其電動(dòng)勢(shì)越高；②水果電池電動(dòng)勢(shì)與兩極板間距離無(wú)關(guān)，兩極板間距離越小，內(nèi)阻越??；③水果電池電動(dòng)勢(shì)與兩極板插入深度無(wú)關(guān)，兩極板插入深度越深，內(nèi)阻越小；④水果電池電動(dòng)勢(shì)與兩極材料有關(guān)，電極材料不同，電動(dòng)勢(shì)不同。

3.5.3 設(shè)計(jì)意圖

采用控制變量的方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)水果電池電動(dòng)勢(shì)及其內(nèi)阻影響因素進(jìn)行探究，將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解為若干問(wèn)題，加深對(duì)電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻相關(guān)概念的理解，提升學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，促進(jìn)思維的發(fā)散。

4 結(jié)語(yǔ)

物理實(shí)驗(yàn)是在科學(xué)思維指導(dǎo)下的實(shí)踐操作[6]。本研究依托NB虛擬平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)對(duì)標(biāo)物理科學(xué)思維培養(yǎng)的四個(gè)維度對(duì)“電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的測(cè)量”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)路徑重構(gòu)。在課堂引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)完整知識(shí)圖景的同時(shí)進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作的訓(xùn)練，既改善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論與實(shí)踐脫節(jié)的弊端，又為實(shí)物實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步開(kāi)展搭建支架。在提升了科學(xué)探究能力的同時(shí)有效促進(jìn)科學(xué)思維的發(fā)展，對(duì)于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)有著重要的借鑒意義。