虛擬實驗室在中學物理教學中的應用

嚴煒 楊曉梅

摘? ?要：隨著時代的進步，信息技術為教學提供了巨大的便利。近幾年來虛擬現實技術不斷發展，以虛擬現實技術為支撐的物理虛擬實驗室為物理教學提供了一種新的教學途徑。文章將NOBOOK虛擬實驗室中的物理實驗進行了分類，并展示了虛擬實驗在物理教學中的應用。

關鍵詞：虛擬實驗室;物理教學;信息技術

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）7-0070-3

1? ? 引? 言

2017年教育部新頒布的普通高中物理課程標準修訂的基本理念中提出要注重課程的時代性，關注科技進步和社會發展需求，高中物理課程在內容上更加注重與生產、生活、現代社會及科技發展的聯系[1]。

虛擬演示實驗，就是利用當今各種信息技術手段來模擬和再現現實生活當中的各種真實實驗儀器、實驗過程和實驗現象[2]。虛擬實驗室可以高度模擬仿真實驗室的儀器及實驗效果。虛擬實驗室在教學中的使用與教育部所提出的新課標要求高度契合。本文將NOBOOK中的物理實驗按知識進行了分類，并展示了虛擬實驗在物理教學中的應用。

2? ? 虛擬實驗平臺介紹

2.1? ? NOBOOK虛擬實驗室

NOBOOK（簡稱NB）虛擬實驗室是由北京樂步教育科技有限公司研制的一款教學軟件。其中包含物理實驗、化學實驗、生物實驗、小學科學、小科教學平臺、物理教學平臺、物理學生端、化學學生端8款針對不同課程、不同人群使用的軟件。NB物理虛擬實驗室涵蓋了8大實驗模塊，包括電與磁、力學、光學、聲學、熱學、近代物理、家庭電路和力與運動，共計383個實驗，同時涵蓋了初高中實驗，學生可自主選擇實驗儀器完成實驗。

主界面如圖1所示。NB物理虛擬實驗室已有的實驗個數統計如表1所示。

3? ? NB物理虛擬實驗室與物理教學

3.1? ? 虛擬實驗室在新課教學中的演示作用

新課教學作為整個教學環節最重要的一部分，如何提高教學效率，如何提高學生的學習興趣和課堂參與度是所有教師一直在不斷思考的問題。物理作為一門以實驗為基礎的學科，精心的實驗設計不僅能提高學生的學習興趣和課堂參與度，還能培養學生的實驗操作能力。

3.1.1? ? 創設物理教學情境，提高學生學習效率

教師在課堂上通過在虛擬實驗平臺演示實驗，引入課題，活躍課堂氣氛，激發學生的學習興趣。通過在課堂中使用NB物理虛擬實驗室， 為學生創造教學情境，增強學生的課堂代入感，這與長期以來教師教授、學生聽講、缺乏情境式體驗的教學模式形成了鮮明的對比。

例如，在演示摩擦起電的實驗中，通過NB虛擬實驗平臺演示這個模擬實驗，學生能清楚地觀察到物體的帶電情況和電荷的轉移情況（如圖2）。相較于傳統教學模式，學生只通過教師的口述來了解電荷在金屬棒中的移動，這種學生只有“耳到、口到”的聽講模式，線上虛擬實驗室這種“眼到、耳到、口到、手到”的教學模式更能提高學生的學習興趣和課堂參與度，同時在整個教學過程中教學氛圍輕松愉快，學生感興趣，學習效率高。

3.1.2? ? 提高實驗的可觀測性，增加實驗的靈活性

虛擬實驗相較于傳統的演示實驗，省去了許多不必要的實驗步驟，使得實驗操作簡單、便捷。首先，相比于傳統實驗平面展示，實驗結果明顯，通過白板展示，更有利于學生觀察;其次，實驗過程中的誤差明顯減小，提高了實驗的可信度;最后，虛擬實驗基本避免了實驗中的安全隱患，實驗操作更加安全。

通過虛擬實驗室模擬磁鐵周圍小磁針的指向（如圖3右所示）與傳統實驗（如圖3左所示）對比，由于磁感線是假想線，并不能被觀察到，在觀察實驗現象時傳統實驗只能觀察到不同位置小磁針指向不同，通過虛擬實驗模擬磁鐵的磁感線，我們可以清楚地觀察到不同位置小磁針的指向不同，且小磁針指向與磁鐵的磁感線相同。

同時，相比于傳統實驗只能在課堂中進行，課堂結束后學生很少能再獨立動手完成實驗，虛擬實驗則為這個問題提供了解決方案。虛擬實驗平臺可在課堂內外使用，不受時間、地點的限制，學生可以通過手機、平板等工具隨時進行實驗。此外，學生擺脫了傳統實驗的束縛，可以大膽嘗試自己的想法。在虛擬實驗平臺上，學生可以任意選擇實驗儀器，完成自己想做的實驗，不受實驗環境的限制。在學生完成實驗的過程中，學生的創新思維、主動性得到充分發揮。

3.1.3? ? 提高課堂的交互性和積極性

線上虛擬實驗室在教學中的使用，能提高教學課堂的交互性，通過虛擬實驗平臺，教師與學生在課堂中的互動增多，有利于提高學生的課堂積極性。

3.2? ? 虛擬實驗室在復習教學中的引導作用

在教師進行復習課教學的過程中，教學內容往往枯燥無味，對于一些經典例題的講解，尤其是牽涉到物體運動的內容，教師往往是通過口述讓學生在頭腦中自主構建一個運動模型，然后在黑板上畫出靜態模型。在這樣的教學方式下就會存在部分空間想象力較差的學生不能很好地理解老師的講解內容，從而降低教學效果。通過使用物理虛擬實驗室，在平臺中新建力與運動模塊的實驗，選擇場景，調節參數，有效地模擬物體的運動情況，為學生呈現一種動態的視覺效果，有利于學生對問題的理解，在學生建構物理模型中起到一個引導作用。

例如，在講解帶電小球在電場或磁場中運動的物理問題中，虛擬物理實驗室通過模擬帶電小球在磁場和電場中的動態運動過程，使同學們能清晰地觀察到小球的整個運動軌跡，幫助學生構建物理動態模型，從而理解問題、解決問題。相較于傳統的教學實驗下的教學顯得更加生動有趣，過程更加清楚明了。

圖4為不計質量的帶電荷量的小球，在磁場或電場中的運動軌跡。

4? ? 虛擬實驗室的弊端

綜上所述，虛擬實驗室相較于傳統實驗而言，有較多的優點，如操作簡單、實驗現象明顯、避免安全隱患等，但虛擬實驗也存在真實性不強、操作性不強等缺點。虛擬實驗是模擬實驗，不能代替真實實驗。虛擬實驗在簡化實驗步驟、保證實驗的可觀測性的同時，也在某種程度上削弱了學生的動手能力。虛擬實驗是一個高度理想化的實驗，虛擬實驗平臺上不會存在現實實驗過程中實驗器具的問題，不利于學生認識真實情境下的實驗，不利于在真實實驗中發現實驗中的問題。因此，在實際教學中，需要教師結合實驗的具體要求，精心設計實驗，以實現最大化的教學效果。

5? ? 結? 語

隨著科技的進一步發展，虛擬實驗平臺還將進一步發展，虛擬實驗與教學的結合也是信息技術與課程整合的一個新的突破。如何在教學中使用虛擬實驗提升教學效果，如何協調虛擬實驗與現實實驗，使虛擬平臺更好地為教育服務是每一位教育工作者在未來都必須思考的問題。作為未來的教育工作者的一員，我們在利用好這一教育資源的同時，應結合教學實際，實現物理教學的最優化。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]劉筱蘭，張薇，程惠華，王本立.虛擬實驗室的類型及發展趨勢[J].計算機應用研究，2004（11）：8-10.

（欄目編輯? ? 張正嚴）