虛擬實驗在高中物理教學中的應用

摘 要：實驗探究作為物理學科的核心素養，學生實驗能力的培養自然也就成為教師重點關注的問題。在高中物理學科教學中，實驗教學也因此得到了廣大物理教師的關注。其中，虛擬實驗的應用最為廣泛，并取得了一定的實踐效果，不僅改善了高中物理實驗教學的質量，還在一定程度上鍛煉和培養了學生的物理能力，提升了學生的物理學科素養。在本文中，我便結合實際教學案例談談虛擬實驗在高中物理實驗教學中的實際應用。

關鍵詞：虛擬實驗；高中物理；應用研究

所謂虛擬實驗，就是指教師借助于多媒體、VR或者仿真實驗軟件給學生們提供傳統實驗的模擬環境，虛擬實驗能夠輔助或全部替代傳統的實驗操作，同時又能帶給學生較為真實的實驗體驗，獲得更加有效的實驗效果。以下我將從高中物理虛擬實驗在學生物理學習興趣的調動、學生物理探究欲望的激發以及物理實驗教學質量的提高等方面分析虛擬實驗在高中物理教學中的實際應用。

一、 借助虛擬實驗調動學生物理學習興趣

眾所周知，物理在高中生眼中是一門極為抽象難懂的理科學科，具有較大的學習難度。因此，高中生對物理知識的學習往往缺乏較為濃厚的興趣，對物理實驗更是比較排斥。在這種情況下，如何設計安排物理實驗教學則顯得至關重要。就我以往的教學經驗來看，教師可以在實際教學中安排一些虛擬實驗的講解，一方面能夠較好地模擬物理實驗場景，營造物理實驗氛圍，另一方面也能夠降低傳統物理實驗帶給學生的乏味感，同時調動學生們對物理學習的興趣。

例如，在教學“描繪小電珠的伏安特性曲線”這一實驗時，由于這個實驗并不能按照傳統的實驗流程來完成，需要借助虛擬工具、虛擬器材以虛擬實驗的方式進行，所以我便借助VR虛擬現實進行了一次虛擬實驗。首先我讓學生戴上VR眼鏡，然后依次連接好實驗電路，然后多次測量出小電珠兩端的電壓和通過小電珠的電流，然后將這些數據記錄下來，最后再利用虛擬實驗得到的數據繪制出小電珠伏安特性曲線圖。相對于傳統的物理實驗而言，這個虛擬實驗既新穎又安全，能夠有效地激發學生的物理學習興趣，同時也能夠高效率地完成實驗任務，得到相應的實驗結果?？梢?，虛擬實驗的引入一方面可以有效提高物理實驗教學質量，鍛煉學生的物理實驗探究能力，另一方面也可以增大物理學科對學生們的吸引力，使得學生更加熱衷于做物理實驗。

二、 借助虛擬實驗引發學生對物理問題深層次探究

探究型實驗是虛擬實驗最典型的設計，同時也是高中物理實驗教學中極為重要的實驗教學類型。在實際教學中，物理探究型實驗往往通過兩種形式來開展，其一是針對實驗探究問題，教師引導學生獨立設計相應的探究方案，然后通過小組合作完成；其二是教師針對實驗探究問題設計出相應的實驗方案，而學生只需按照方案的步驟逐步完成操作即可。在虛擬實驗的輔助下，教師還可以借助虛擬的實驗現象來引發學生對物理問題進行深層次的研究，從而提高學生的物理實驗探究能力。

例如，在實驗探究“動能定理”的實驗中我首先讓同學們完成平衡摩擦力的操作，然后將小車放在木板的A端，并在該段和小車之間綁上橡皮筋，而在木板的另一端B端則放置一個打點計時器，將小車從A端拉到B端，小車后面的紙條通過打點計時器，釋放小車同時啟動B端的打點計時器，當小車從B端滑到A端的時候，紙條上便打出了相應的點，之后再將A端的橡皮筋數量增加至兩條、三條、四條……以同樣的步驟完成計時器的打點操作，便得到一系列的數據，按要求將得出的實驗數據并展示出來。

接下來，我讓同學們思考在摩擦力平衡不足或者平衡過度時的情況，還有如果橡皮筋規格有差異或者老化的情況。在同學們充分討論后，我借助教室多媒體播放了相應的flash實驗視頻，視頻播放結束，學生再進行總結，這樣一個動能定理的探究實驗就完成得比較全面了。

在這個實驗過程中，學生能夠有兩方面的收獲，一方面，學生通過動手實驗能夠獲得較為客觀的實驗數據，為實驗科學性奠定基礎。另一方面，學生在觀看虛擬實驗視頻的同時擁有足夠的時間來思考相應的物理問題，進而提高學生學習效率，鍛煉了他們的物理思辨能力。

三、 借助虛擬實驗提升物理實驗教學質量

眾所周知，高中物理中存在很多不可實現的理想型實驗，在傳統的物理教學中，教師對于理想型實驗的教學往往只是通過口述實驗原理、實驗過程和實驗現象完成的。顯然，這種形式的物理實驗教學并不能達到理想的實驗教學狀態，并且容易造成學生對物理實驗內容理解上的困難。為了增進理想型實驗的教學效果，教師可以以虛擬實驗的形式來教學這些物理理想型實驗，進而彌補理想實驗不可實現的不足，提高物理實驗教學質量。

例如，在教學“點電荷”的相關知識點時，我便借助VR完成了一次虛擬實驗，并讓學生輪流上臺進行實驗操作。首先，我給學生們戴上VR虛擬眼鏡，然后在虛擬的情景下將極性為正的點電荷放在虛擬的平面上，然后在點電荷的周圍便出現了密密麻麻向四周發散的虛擬電場線，接著學生再將一個負的點電荷慢慢靠近正的點電荷，在這個過程中，電場線逐漸發生變化，并在兩個點電荷之間形成了相應的閉合曲線。當學生完成這個虛擬實驗的操作之后，我便問學生們：“你們在操作的過程中感受如何？”學生回答：“感覺點電荷變得觸碰可及了，而不是一件虛無縹緲的東西，并且在操作的時候感覺虛擬的電場線就像一根根可以看得見摸得著的線一樣，非常的真實，這種物理實驗的感覺實在太妙不可言了。”顯然，在這個虛擬實驗過程中，學生不僅獲得了物理理想實驗的體驗，還能夠從中領略到物理實驗的樂趣，并學到相應的物理知識，可見，虛擬實驗的開展可以在一定程度上提高物理實驗教學的質量，促進學生物理實驗能力的鍛煉與培養。

四、 結語

總而言之，在高中物理教學中，虛擬實驗具有較為深遠的應用前景，作為一名高中物理教師，我們應當從實際教學內容和學生的實際情況出發，有選擇性地將虛擬實驗應用于高中物理教學之中，在提高物理實驗教學質量的同時激活學生的物理學習興趣和物理探究欲望，從而鍛煉學生的物理能力，并全面提升學生的物理素養。

參考文獻：

[1] 李雪彬.高中物理教學中建立與運用網絡虛擬實驗室初探[J].學周刊（下旬刊），2015（3）.

[2] 徐長祥.虛擬實驗在高中物理教學中的應用[J].中學生數理化（教與學），2014（11）.

作者簡介：蔡忠坤，福建省寧德市，福建省霞浦第一中學。