虛擬實驗的優勢及其在初中物理教學中的應用

趙德豐

隨著信息技術的蓬勃發展，大量的課件如雨后春筍般涌現出來。其中PPT課件由于制作相對容易，而非常廣泛地應用于實際教學。但PPT課件有很多缺點，比如學生在觀看幻燈片時似走馬觀花，不利于形成深刻印象，有教師認為用這樣的課件還不如讓學生直接看教材。近幾年，虛擬仿真物理實驗發展很快，比較具有代表性的是“nobook物理實驗”和“吃掉物理實驗”。“nobook物理實驗”中的電學實驗已比較完善，“吃掉物理實驗”是一款三維立體的虛擬實驗軟件，在力學實驗方面做得很有特色。有了這樣好的虛擬實驗工具，怎樣將其有效地應用到初中物理教學中呢？筆者結合個人的教學實踐經驗總結如下：

通過虛擬實驗激發學生學習興趣。虛擬物理實驗具有生動、直觀、形象等特點，有利于激發學生的好奇心和求知欲。除了課本上的探究實驗之外，筆者還喜歡設計虛擬實驗來激發學生的學習興趣。例如，在“電磁繼電器”相關教學中，采用虛擬實驗模擬電磁繼電器工作的原理，讓學生一目了然地觀察、理解和掌握，從而激發學生學習物理的濃厚興趣，增強其學習的積極性和主動性。通過虛擬實驗可以實現無限次的練習，使學生把難以理解的知識進一步弄懂、吃透。例如，在電學實驗中，虛擬實驗通過鼠標或白板操作就可輕松愉快地完成電路的連接，可以讓學生練習用單只電流表分別測干路電流和支路電流，練習改接導線等，直觀又高效。交互式的操作還可以提高學生的實驗操作技能，讓學生體會到學習物理的樂趣，讓學生更愿意做實驗，更喜歡學物理。例如，在力學實驗中，教師通過交互式的虛擬實驗，一邊讓學生親自操作，一邊交流實驗過程，學生迅速地明確了實驗目的和實驗步驟，實驗探究效果好。

傳統實驗與虛擬實驗對比，虛擬實驗明顯優于傳統實驗。物理是一門注重學生科學探究的自然科學，演示實驗是初中物理教學的重要環節。由于一些實驗器材缺乏或實驗具有危險性，亦或無法達到預期的實驗效果等客觀原因，有些實驗無法讓學生親自操作、親身體驗。例如，“推斷物體不受力時的運動”實驗，由“阻力越小，小車前進得越遠”，推理得出“假設阻力為零，小車將已恒定不變的速度永遠運動下去”的結論。傳統實驗無法達到理想效果，如果用三維虛擬實驗便可以演示小車不受力時的運動情況，很好地培養了學生的想象能力。再比如，“研究定滑輪和動滑輪的特點”實驗，實際實驗時因為有繩重和摩擦力以及動滑輪重的影響，無法創造無摩擦的理想實驗條件。而利用虛擬實驗工具則可以從實際情況一直演示到理想狀況，使學生對理想實驗的感受更加深刻。再比如，對于無法在現實中演示的“鏈式反應（核裂變）”“核聚變”實驗，學生充滿好奇，對其真相都想一探究竟，利用信息技術虛擬這些實驗，可以增強學生的直觀感受和體會，使學生加深對相關知識的理解。

傳統的電學分組實驗有許多優點，也存在一些不足。學生不僅要嚴格遵守實驗操作章程，遵守實驗室的規章制度，也會面臨接觸高壓電的危險，受場地和實驗器材的限制，做實驗次數和實踐都會受限，而電學虛擬仿真實驗軟件不受場地的限制，可實現多終端（平板、電腦、手機）運行，學生通過游戲的手段即可完成對實驗的體驗。產生錯誤操作時，例如將電流表直接接在電源的兩極上，電流表和電源均會被燒壞，虛擬實驗可以將“毀表毀源實在慘”的情景發揮到極致，不僅顯示燒壞了，并且通過聲效增強了實驗的趣味性，使學生身臨其境，提高探究的熱情。在傳統實驗中，學生在連接電路時需要接線、擰螺絲，“浪費”了大量時間。虛擬實驗不僅可以節省這部分時間，充分顯示實驗過程，而且還可以直觀地顯示電流的路徑，實現電路元件的任意移動。教師可演示“將某電路元件移動到恰當位置”，以便使學生更加直觀地觀察電路的結構，軟件甚至可自動畫出電路圖，尤其在顯示電流路徑方面的功能是傳統實驗無法達到的。虛擬實驗在趣味性和實驗效果等方面大大優于傳統實驗，但是在實際教學中仍不能完全替代傳統實驗，教師在應用過程中一定要結合教學實際，把握好時機和度，對其進行科學應用。

通過虛擬實驗提高課堂效率。一堂初中物理課只有45分鐘，教師想在有限的時間內將科學家經過漫長時間研究出來的科學成果呈現給學生，并讓學生理解和掌握甚至能夠應用于實際，無疑是一件非常難的事情，若想將抽象的知識形象化，將復雜的實驗簡單化，可以借助虛擬實驗軟件，不僅可以大大縮短實驗時間，還能讓高效課堂成為現實。

筆者在進行“動滑輪和定滑輪”相關教學時，在學生完成實驗后對實驗數據的分析過程中應用虛擬實驗，不僅能顯示出力臂的大小，而且還增加了對理想滑輪的分析，高效地實現了與教材的吻合。在進行“杠桿”相關教學時，學生在“探究影響杠桿的平衡因素”時很難從力的作用點和力的方向聯想到力臂，傳統教學中在黑板上畫力臂效率太低，此時筆者通過虛擬實驗動態顯示力臂的大小是如何影響杠桿的平衡的，使學生眼前一亮，當事實的真相呈現在學生面前時，發現和總結規律就變得非常容易了。在進行“液體壓強”相關教學時，通過交互式的互動虛擬實驗讓學生置身于實驗情景中，師生共同討論實驗過程，通過虛擬實驗展現微小壓強計的探頭在同種液體里的不同深度，觀察U形管兩邊液面的高度差，在同一深度360度改變探頭的朝向，再次觀察U形管兩邊液面的高度差，實驗過程清晰，同時又將各個實驗進行了對比，清晰地觀察到了異同。在光學實驗中，“凸透鏡焦距的變化”是一個難點，虛擬實驗通過將凸透鏡變厚、再變薄來改變焦距，通過動態演示焦距改變后的光路圖，使學生一目了然。

通過以上案例不難看出虛擬實驗的優越性，虛擬試驗全面而快速地展示實驗過程，使學生較容易地通過觀察到的現象得出實驗結論，從而優化了教學環節，提高了課堂效率。

編輯/王一鳴 E-mail：51213148@qq.com