虛擬實(shí)驗(yàn)室（NOBOOK）融入初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

摘" 要：物理實(shí)驗(yàn)不僅可以幫助學(xué)生快速理解晦澀難懂的知識，而且能夠拓寬學(xué)生的知識面，并提升他們的動手能力，所以物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)習(xí)中尤為重要。然而，由于受到各種因素影響，有些學(xué)校無法順利開展物理實(shí)驗(yàn)。為此，本文以“測量小燈泡電功率”的實(shí)驗(yàn)為例，介紹虛擬實(shí)驗(yàn)室（NOBOOK）在教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；初中物理；電功率

1" 虛擬實(shí)驗(yàn)室使用背景

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：“教師要充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，將信息技術(shù)有效融入物理教學(xué)，創(chuàng)新教學(xué)方式，提升教學(xué)效率。”［1］由于部分學(xué)校的實(shí)驗(yàn)器材不足，或者有些實(shí)驗(yàn)存在危險(xiǎn)性，難以在物理實(shí)驗(yàn)室中完成，這時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)室（NOBOOK）的作用就顯得尤為重要。NOBOOK具有資源豐富、仿真度高、智能化程度高等優(yōu)勢。［2］在NOBOOK這些特性的支持下，學(xué)生不再受器材、場地、教師等條件的約束，可以根據(jù)自身情況靈活安排學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)多種教學(xué)功能，同時(shí)可為學(xué)校節(jié)省部分教學(xué)用具和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的購置成本。

2" NOBOOK平臺簡介

虛擬實(shí)驗(yàn)室（NOBOOK）是一款專為初高中教師打造的簡單實(shí)用的教學(xué)工具軟件，它主張讓煩瑣的實(shí)驗(yàn)課變得高效、簡單。它像是一個(gè)“會移動的實(shí)驗(yàn)室”，用戶在移動設(shè)備上就能模擬物理、化學(xué)、生物和小學(xué)科學(xué)的大部分實(shí)驗(yàn)。NOBOOK物理系列的特別之處在于其背后的“公式算法引擎”，學(xué)生可以按照實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)電壓、電阻、密度、摩擦力、重力等物理參數(shù)，觀察不同參數(shù)設(shè)置下實(shí)驗(yàn)對象的變化，不僅操作便捷，而且節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)操作所需的時(shí)間。

3" 測量小燈泡電功率實(shí)驗(yàn)案例分析

3.1" 教材分析

“測量小燈泡電功率”的實(shí)驗(yàn)是初中物理的重要實(shí)驗(yàn)之一，是“伏安法測電阻”的延伸，也是電功率的拓展應(yīng)用。教學(xué)中，教師可以通過組織學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，來加深他們對伏安法、額定功率以及實(shí)際功率的理解；同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生熟練掌握電壓表、電流表和滑動變阻器的正確使用方法，培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，提高實(shí)驗(yàn)素質(zhì)。

3.2" 學(xué)情分析

在本課學(xué)習(xí)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過電功、電功率以及用伏安法測量電阻的知識，且初步掌握了電壓表、電流表和滑動變阻器的使用方法。然而，他們分析并處理實(shí)驗(yàn)故障的能力相對薄弱，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的分析處理等能力也有待提高。

3.3" 教學(xué)目標(biāo)

第一，能夠使用電壓表和電流表測量小燈泡在不同電壓下工作時(shí)的電功率。

第二，通過實(shí)驗(yàn)的探究過程，加深學(xué)生對額定功率與實(shí)際功率的理解。

第三，通過實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生親身體驗(yàn)小燈泡的電功率如何隨兩端電壓的變化而變化，并探究其變化規(guī)律。

3.4" 教學(xué)實(shí)踐

3.4.1" 課前導(dǎo)入

問題：將兩個(gè)外觀一樣但參數(shù)不同的甲燈泡（2.5V，0.3A）和乙燈泡（3.8V，0.3A）接入電路，哪盞燈泡更亮？判斷的依據(jù)是什么？

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生判斷外觀相同的兩盞燈泡的亮度，學(xué)生通常會習(xí)慣性地查看參數(shù)，大部分學(xué)生會認(rèn)為參數(shù)中電壓大的乙燈泡更亮。但問題中提到的情況是將兩盞燈泡接入電路，并沒有明確指出將燈泡接入什么樣的電路。因此，比較結(jié)果存在多種可能，可能是乙燈泡更亮，也可能是甲燈泡更亮。這一問題可以激發(fā)學(xué)生對燈泡亮度與功率之間關(guān)系的好奇心，可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探索和學(xué)習(xí)。

教師利用NOBOOK平臺，選好所需的器材并設(shè)置好燈泡的參數(shù)，并以不同的連接方式將燈泡接入電路，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如圖1、圖2所示。

在上述實(shí)驗(yàn)電路之外，只選擇一只燈泡，連接電路，添加滑動變阻器并移動滑片，讓學(xué)生觀察燈泡亮度的變化情況，并思考其原因（見圖3）。

設(shè)計(jì)意圖：通過移動滑動變阻器的滑片，讓學(xué)生觀察燈泡的亮度變化，從而形成對燈泡亮度與功率之間的關(guān)系形成初步認(rèn)知，即燈泡的亮度與燈泡兩端的實(shí)際電壓以及通過的電流有關(guān)。當(dāng)實(shí)際電壓和電流增加時(shí)，燈泡亮度增加；反之，當(dāng)實(shí)際電壓和電流減小時(shí)，燈泡亮度減弱。學(xué)生還可以利用NOBOOK設(shè)置燈泡的參數(shù)，進(jìn)一步探究并對比不同燈泡在相同條件下的亮度，從而更深入地理解燈泡亮度與實(shí)際功率之間的關(guān)系。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅能夠加深學(xué)生對滑動變阻器在電路中作用的理解，還能夠讓學(xué)生更直觀地觀察和分析燈泡亮度與實(shí)際功率之間的關(guān)系，從而激發(fā)他們對物理實(shí)驗(yàn)和電路原理的興趣。

這節(jié)課的導(dǎo)入部分是否成功，會直接影響學(xué)生上課的熱情。如果采用常規(guī)的教學(xué)方式，常常會遇到如下問題，使教學(xué)效果大打折扣。

（1）演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。NOBOOK平臺通過計(jì)算機(jī)模擬，可以放大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即使是微小的燈泡亮度變化也能被清晰地展示出來。這對于后排學(xué)生尤為重要，因?yàn)樗麄兛赡茈y以觀察到實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的細(xì)微變化。

（2）可視化不理想。NOBOOK平臺的可視化工具可以調(diào)整燈泡亮度，還可以通過顏色變化或其他視覺提示直觀展示滑動變阻器的電阻變化，從而幫助學(xué)生理解其工作原理。這種動態(tài)展示使學(xué)生能夠更清楚地看到滑動變阻器的電阻是如何隨著滑片位置的變化而變化的，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯和易于理解。

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)間的把控。使用NOBOOK平臺，教師可以快速設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件，無需實(shí)際連接電路、更換燈泡或其他元件，從而大幅縮減了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間，這使得教師能夠更有效地控制課堂節(jié)奏和時(shí)間。

總的來說，NOBOOK平臺通過提供直觀、動態(tài)和可交互的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，幫助教師解決了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些難題，提高了教學(xué)效率并改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3.4.2" 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在復(fù)習(xí)電功率的公式P＝UI＝Wt＝I2R＝U2R之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過用伏安法測電阻，對于運(yùn)用電壓表、電流表分別測量電壓、電流已經(jīng)比較熟悉。教師可利用類比的方法引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用P＝UI測量小燈泡的電功率，并

讓學(xué)生思考以下幾個(gè)問題：①測量小燈泡電功率需要哪些儀器？②需要記錄哪些物理量？③測幾組數(shù)據(jù)，能夠比較全面地描述不同電壓下小燈泡的功率變化情況？④滑動變阻器在本次實(shí)驗(yàn)中的作用是什么？⑤實(shí)驗(yàn)過程中，我們需要觀察什么？⑥多測幾組數(shù)據(jù)的目的是什么？⑦為了減小誤差可以求平均功率嗎？

通過以上問題，教師能夠更有效地引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表（見表1）。

3.4.3" 實(shí)驗(yàn)操作

教師引導(dǎo)學(xué)生打開NOBOOK，選好所需的器材并設(shè)置好燈泡的參數(shù)（U額＝2.5V），移動滑動變阻器的滑片，測得三組不同電壓下流經(jīng)燈泡的電流（平臺設(shè)置功能也可以設(shè)置電壓表、電流表不直接顯示數(shù)值，而是讓學(xué)生讀數(shù)），計(jì)算相應(yīng)的燈泡功率，并觀察燈泡的發(fā)光情況（見圖4、圖5、圖6）。

本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是通過比較燈泡的亮度來探究燈泡電功率的變化。在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，由于儀器數(shù)量和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，沒辦法比較同時(shí)段同一盞燈泡在不同電壓下工作時(shí)的亮度。而NOBOOK可以同時(shí)進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過平臺能夠直觀地比較同時(shí)段同一盞燈泡在不同電壓下工作時(shí)的亮度強(qiáng)弱，甚至還可以通過改變燈泡參數(shù)，多做幾組實(shí)驗(yàn)，避免偶然誤差，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更有說服力。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師還能通過設(shè)置功能讓電壓表、電流表不直接顯示數(shù)值，以此考查學(xué)生對電壓表、電流表讀數(shù)方法的掌握情況。

3.4.4" 實(shí)驗(yàn)規(guī)律總結(jié)

教師組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行總結(jié)，匯總成果，得出結(jié)論。

U實(shí)＜U額，P實(shí)＜P額，燈泡比正常發(fā)光時(shí)暗；U實(shí)＝U額，P實(shí)＝P額，燈泡正常發(fā)光；U實(shí)＞U額，P實(shí)＞P額，燈泡比正常發(fā)光時(shí)亮。

同一燈泡在不同電壓下的亮度是不同的。燈泡的亮暗是由燈泡的實(shí)際功率決定的。

3.4.5" 實(shí)驗(yàn)拓展

回答上課前的問題：將兩個(gè)外觀一樣但參數(shù)不同的燈泡接入電路，為什么串聯(lián)時(shí)乙燈泡（3.8V，0.3A）更亮，并聯(lián)時(shí)甲燈泡（2.5V，0.3A）更亮？根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知，串聯(lián)時(shí)乙燈泡的實(shí)際功率更大，并聯(lián)時(shí)甲燈泡的實(shí)際功率更大。

理論推導(dǎo)：短時(shí)間內(nèi)，燈泡溫度變化不大，可近似認(rèn)為溫度保持不變，所以燈泡電阻受溫度的影響可以忽略不計(jì)，燈泡電阻可當(dāng)作恒定電阻來處理。由小燈泡銘牌上的參數(shù)可以比較出它們正常發(fā)光時(shí)的電阻大小，即R甲＜R乙。

兩燈泡串聯(lián)時(shí)，電流相同，由P＝I2R可得P甲＜P乙，即串聯(lián)時(shí)乙燈泡（3.8V，0.3A）更亮；兩燈泡并聯(lián)時(shí)，兩端電壓相同，由P＝U2R可得P甲＞P乙，即并聯(lián)時(shí)甲燈泡（2.5V，0.3A）更亮。

4" 課后反思

“測量小燈泡電功率”的實(shí)驗(yàn)課的主要目的是通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解電流、電壓如何影響用電器的實(shí)際功率，從而加深他們對實(shí)際功率的理解；同時(shí)，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，比較實(shí)際電壓和額定電壓、實(shí)際功率和額定功率的關(guān)系，讓學(xué)生更加深刻地理解額定功率和實(shí)際功率的區(qū)別，進(jìn)而掌握燈泡亮度與實(shí)際功率的關(guān)系。

NOBOOK平臺在本案例中確實(shí)帶來了如下優(yōu)勢。①演示實(shí)驗(yàn)可視化。②動態(tài)分析簡單化。

該平臺能夠?qū)崟r(shí)顯示電阻等物理量的變化，使學(xué)生能夠直觀地觀察到滑動變阻器滑片移動時(shí)電阻的變化，有助于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的動態(tài)過程。③實(shí)驗(yàn)操作簡便化。通過NOBOOK，學(xué)生可以快速更換不同規(guī)格的燈泡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這不僅節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具普遍性。④解決儀器短缺問題。在實(shí)驗(yàn)儀器有限的情況下，NOBOOK可以提供無限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，確保每個(gè)學(xué)生都能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。⑤電路故障分析教學(xué)具象化。NOBOOK允許學(xué)生在安全的環(huán)境下嘗試不同的操作，即使出現(xiàn)錯誤也不會有安全風(fēng)險(xiǎn)。教師可以利用NOBOOK這個(gè)特性指導(dǎo)學(xué)生分析故障原因，提高他們的實(shí)驗(yàn)技能和問題解決能力。⑥培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。通過在NOBOOK上的反復(fù)練習(xí)和教師的指導(dǎo)，學(xué)生可以逐步理解和掌握實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)他們良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和素養(yǎng)。

此外，NOBOOK平臺還提供了數(shù)據(jù)記錄和分析功能，可以幫助學(xué)生更準(zhǔn)確地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)分析，從而提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。平臺的互動性和可重復(fù)性也為學(xué)生提供了更多的學(xué)習(xí)機(jī)會，有助于他們深入理解物理概念和原理。除了本案例，在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還有很多實(shí)驗(yàn)也可以用NOBOOK協(xié)助教學(xué)，具體如下。

第一，理想實(shí)驗(yàn)。NOBOOK可以模擬一些現(xiàn)實(shí)條件下難以完成或無法完成的實(shí)驗(yàn)，例如聲音在真空中的傳播。真空環(huán)境在地球上難以實(shí)現(xiàn)，但NOBOOK可以提供一個(gè)理想的模擬環(huán)境，幫助學(xué)生理解聲音傳播的原理。

第二，抽象概念的可視化實(shí)驗(yàn)。對于一些抽象的物理概念，如牛頓第一定律（慣性定律），NOBOOK可以通過動畫和模擬實(shí)驗(yàn)，將這些概念以直觀的方式展現(xiàn)出來，幫助學(xué)生更好地理解和記憶。

第三，現(xiàn)象不明顯的實(shí)驗(yàn)。有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可能因?yàn)橐?guī)模太小、變化太快或者條件限制而不容易被觀察到，如氣體的浮力。NOBOOK平臺可以通過放大規(guī)模、減慢過程或調(diào)整參數(shù)，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，便于學(xué)生觀察。

第四，存在安全隱患的實(shí)驗(yàn)。對于一些具有潛在危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，使用NOBOOK可以確保學(xué)生的安全。學(xué)生可以在沒有安全風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)學(xué)習(xí)如何正確進(jìn)行具有潛在危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。

5" 結(jié)語與展望

NOBOOK將信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，使得兩者相互促進(jìn)。［3］

NOBOOK作為一種創(chuàng)新的教育資源，其未來發(fā)展具有多種可能性。筆者希望可以通過NOBOOK提供的低成本或免費(fèi)的教育資源，助力縮小不同地區(qū)和學(xué)校之間的教育差距，提高教育的公平性，同時(shí)，更期待NOBOOK可以提供更加真實(shí)和精細(xì)的模擬效果，增強(qiáng)學(xué)生的沉浸感和實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)感。期望NOBOOK能建立一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共享平臺，學(xué)生和教師可以訪問和分析來自不同實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行更廣泛的研究和探索；同時(shí)搭建一個(gè)有效的反饋和評估系統(tǒng)，使學(xué)生和教師能夠及時(shí)了解學(xué)習(xí)進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)效果，進(jìn)行必要的調(diào)整。

隨著教育技術(shù)的不斷發(fā)展，NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室有望成為物理教學(xué)中的重要工具，為學(xué)生帶來更加豐富、安全和高效的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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