虛擬技術點亮物理實驗課堂

邱曉峰 林冰冰

摘?要：光學實驗長期以來是高中物理教學中不受重視的一部分，其原因在于高考對光學實驗考察的弱化和實驗操作的困難較大.本文用若干教學實例介紹了在高中物理光學教學中如何將NB虛擬實驗室與教學有效融合，以達到更高效地培養學生的動手能力、探究能力，優化光學實驗課教學的目的，讓物理學科的學科核心素養有效落地.

關鍵詞：虛擬實驗室;光學實驗;信息技術;核心素養

文章編號：1008-4134（2019）21-0049?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：邱曉峰（1981-），男，福建南平人，本科，中學一級教師，研究方向：信息技術應用與中學物理教學方法;

林冰冰（1987-），女，福建福清人，碩士，講師，研究方向：物理學科教學.

進入21世紀，世界各國都高度重視信息技術與教學的融合，前不久國家發布的《教育信息化2.0行動計劃》中明確要求“將教育信息化作為教育系統性變革的內生變量，支撐引領教育現代化發展，推動教育理念更新、模式變革、體系重構、使我國教育信息化發展水平走在世界前列”[1].在教育信息化從1.0升級到2.0的過程中“深度融合”“內生變量”將成為教師需要認真思考的問題.

虛擬實驗技術作為新興信息技術的一種，如何有效地將其融合進以實驗為基礎的物理學科教學中，一直以來都是信息技術和課程整合研究的熱點問題以及發展的趨勢.我們在中學物理課堂中設置分組實驗，不僅僅是為了驗證理論知識，更是為了加強學生在動手操作過程中培養實驗操作能力、分析數據能力、應用所學的知識解決實際問題的能力、以及小組協作能力等，讓學生在實踐活動中理解知識，在任務創新中進階思維.而實驗環境一旦虛擬化后，物理實驗的精髓是否還存在？這也是廣大教師擔憂的問題.其實我們并沒有讓虛擬實驗完全代替傳統實驗，而是在傳統實驗為主的基礎上，利用虛擬實驗室的特點大大改善傳統實驗對學生進行實驗活動的制約.北京師范大學何克抗教授說：“所謂信息技術與課程整合，就是將信息技術有效地融合在各學科的教學來營造一種信息化教學環境，實現一種既能發揮教師主導作用又能充分體現學生主體地位的以‘自主、探究、合作為特征的教學方式，從而把學生的主動性、積極性、創造性較充分地發揮出來”[2].本文列舉了筆者在光學實驗教學實踐中的若干個案例，以此來闡述如何有效地把虛擬實驗室技術與實驗教學融合.

1?補充分組實驗數據?輔助實驗結果分析

物理學科在教學過程中能讓學生做實驗的，教師應該盡力創設條件讓學生去親身經歷實驗的全過程.在分組實驗中存在著理論規律學生已經掌握了的部分實驗，在實驗中改變實驗條件需要耗費大量實驗時間，在有限的教學時間內，多數學生只能完成一種實驗條件，無法完成多組，這時候虛擬實驗室的輔助功能就可以凸顯出來了.教師可以讓學生在實驗室中實際操作完成一組實驗后，改變實驗條件的部分則是通過虛擬實驗平臺完成.例如透鏡成像實驗，在此實驗中需要多次調節光屏才能找到蠟燭成像的位置，而且對實驗環境的要求很高，若周圍亮度較強，會造成蠟燭的像亮度變化不明顯，不易準確找到成像位置.這時我們利用NB虛擬物理實驗中的光學實驗平臺，搭建出如圖1所示的實驗裝置.學生可以在電腦上很方便地更換光源（有蠟燭，字母F等），調節整個光具組等高共軸，調節光源、透鏡、光屏的位置，在電腦屏幕上觀察不同位置時成像的情況，并且很快地記錄下各個光具座所在的位置.所有的實驗步驟易操作，實驗現象便于觀察，實驗數據記錄便利，數據的分析也可以利用計算機完成，大幅度提升了本實驗的實驗效率.這樣學生在已有操作經歷的基礎上，可以把更多的精力花在對實驗現象、實驗規律的總結和對理論知識的理解上.

2?豐富實驗探究素材?優化課堂探究過程

有些光學實驗是在中學實驗室條件下難以完成的，究其原因如實驗器材的緊缺、中學實驗器材精確度不高等，但此實驗對學生理解物理規律、深化理論知識應用能力的提升又有很大幫助的，這時候我們就可以利用虛擬實驗室來完成這類實驗.但如果單純地依靠計算機進行模擬，用鼠標在屏幕上完成實驗，課堂上很重要的一個環節就會丟失，這就是互動，包括師生互動和生生之間的互動.如何在利用虛擬實驗室完成實際難以操作的實驗中，依然能夠讓學生在互動中學習，這就需要教師從建構主義、多元認知理論等方面去思考，更加精心地設計教學環節.

例如高中光學中有這樣一類問題：

如圖2所示，ox軸沿水平方向，oy軸沿豎直向上方向.在x>0，y>0的區域內存在某種分布范圍足夠廣的介質，其折射率隨著y的變化而變化.一束細光束入射到介質表面，并沿著如圖2所示從a到b的一條弧形路徑傳播.下列判斷正確的是

A.此介質的折射率隨著y的增大而減小

B.海洋蜃樓發生時空氣折射率隨高度的變化與此類似

C.沙漠蜃樓發生時空氣折射率隨高度的變化與此類似

D.這束細光束在繼續傳播的過程中會發生全反射

本題型涉及到光通過連續不均勻介質的問題，是屬于折射定律中難度較大的應用.教師若按照傳統教學方法去講解，通過折射定律的數學推導，因涉及到高等數學的知識，使得很大一部分同學并沒有完全理解本題的內在實質，只是簡單地記答案，題目只要稍作變形就無法解決.那么應用虛擬實驗室教師可以先讓學生猜測一下：如果一束光通過隨高度增大而折射率逐漸減小的介質，光的傳播路徑會出現什么情況，原因是什么？

讓學生自己先畫出猜想的結果，并嘗試解釋它.然后教師再用NB虛擬實驗室去模擬實驗結果如圖3所示，因為學生有事先猜想，對實驗有參與感，所以學生對結果的揭曉是很重視的.此時教師又可以讓做出正確結果的同學來說一說用折射定律如何解釋這種現象，加強學生和學生之間的互動，由學生告訴學生答案的效果要比教師告訴學生答案的效果好得多.最后，教師可以繼續引導學生：“那么，我們生活中有什么實例是剛才這種現象的應用？”學生只要稍加思考和聯系生活就可以馬上發現這就是海市蜃樓的物理模型.

教師還可以在課堂上及時改變實驗條件，出現如圖4所示的光路，讓學生應用折射定律再次解釋，反復鞏固所學過的理論知識.如此在教學實踐中有機結合虛擬實驗室的優點，在利用技術的基礎上再通過教師適時的引導，讓學生自主進行知識重構，不僅能夠增強課堂上的互動效果，并在此過程中完成物理核心素養中科學思維的培養落地，這包括有對世界的好奇心與求知欲，能主動與他人合作，尊重他人，能基于證據和邏輯發表自己的見解.

3?再現經典實驗?提升學生學科素養

高中物理在介紹光的本性這部分內容中，由于高考對此部分的要求并不高，所以教師常忽視這部分的教學，學生并沒有真正理解什么是光的干涉和衍射，甚至有部分學生并不認識衍射圖案和干涉圖案.鑒于現實實驗條件的限制，大多數中學并沒有辦法讓學生親手操作光的衍射和干涉實驗.雖然高考對這部分的考察很少，但對光的本性的研究是物理學發展中很重要的一個里程碑，對光的本性有正確的認識會對中學生的物理學科核心素養有很好的提升作用.我們利用虛擬實驗平臺就可以很方便地展示泊松亮斑、圓屏衍射、雙縫干涉等物理學上的經典實驗（如圖5）.學生通過虛擬實驗平臺對這些實驗現象的理解就不僅僅停留在課本上的插圖，而是有了自己的親身經歷，對學生理解相關部分的理論知識和完善學生學科知識體系等都起到了很好的輔助作用.

4?拓展實驗探究?培養實踐意識

在教學中，如果能激發起學生的學習興趣，學生自主學習的能力就能夠得到極大的提高.自主學習的形成讓學生真正成為教學的主體，讓學生自發地參與到教學實踐活動中來，許多問題由學生在學習過程中自行產生，然后自行設計實驗去驗證想法的真偽，如果都做真實的實驗，耗時費力，有時候反而會挫傷學生自主學習的熱情.而虛擬實驗室就能夠很好地解決這個問題，軟件中把各個光學元件模塊化，學生可以根據自己的需求去調用自己所需的光學元件進行組裝，滿足學生各種天馬行空的猜想，實驗失敗也不用擔心會損壞儀器，實驗過程中如果產生新的想法也可以很方便地改變實驗條件，實驗現象容易觀察，實驗數據方便記錄.同時課后虛擬平臺還記錄下學生的實驗軌跡、學生的學習行為等過程性數據，這對幫助教師了解學生學情，優化教學策略，幫助學生定位自我認知水平等都有很大的幫助.

5?結束語

2018年教育部發布的普通高中學科課程標準中明確地提出了學科核心素養，物理學科的核心素養之一就包括科學探究，而從教育的角度來說，物理實驗教育對學生更好地理解自然科學知識、提升學生的科學素養、培養學生的創新意識求知意識等方面都具有舉足輕重的作用.在“互聯網+”時代，由于虛擬實驗技術的進步，物理實驗的內容和方式方法都得到極大的擴展[3].教師在教學中應該注重將傳統的物理實驗與虛擬實驗技術更有效地結合起來，這樣將使學生的科學實驗活動不受地域和時間的制約，更好地培養學生的主動學習能力，提升學生的學科素養.

參考文獻：

[1]教育部.教育信息化2.0行動計劃[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[2]何克抗.信息技術與課程深層次整合理論[M].北京：北京師范大學出版社，2008.

[3]黃愛國.“互聯網+”時代的中學物理教學展望[J].物理教師，2017，38（06）：74-76+79.

（收稿日期：2019-09-07）