虛擬實驗在初中物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

黃新志

[摘要]隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物理課堂中運用信息技術(shù)解決教學(xué)問題已經(jīng)習(xí)以為常。對初中物理而言，把虛擬實驗與課堂教學(xué)相結(jié)合，有助于破解現(xiàn)實教學(xué)中的一些難題，有助于學(xué)生觀察物理現(xiàn)象、理解物理規(guī)律、提高實踐能力。

[關(guān)鍵詞]虛擬實驗;初中物理;應(yīng)用

[中圖分類號] G633.7

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

[文章編號] 1674-6058（2020）14-0044-02

虛擬仿真實驗是近年來計算機(jī)技術(shù)、仿真實驗技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展應(yīng)用的結(jié)果，與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬實驗為物理課堂提供了新的教學(xué)環(huán)境。因此，把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到初中物理實驗中，可以使教學(xué)過程靈活有趣，讓學(xué)生產(chǎn)生興趣;通過學(xué)生自由組裝和使用實驗設(shè)備，實現(xiàn)教學(xué)資源的優(yōu)化和共享;通過還原、定格實驗場景，將動態(tài)、復(fù)雜的實驗過程簡單化;通過實驗對比，提高實驗復(fù)習(xí)效率。

對學(xué)生而言，虛擬實驗打破了時空限制，學(xué)生可以在課堂，也可以在家里進(jìn)行實驗，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和探究能力。因此，虛擬實驗是物理教育教學(xué)的一項重要補(bǔ)充。

一、虛擬實驗在教學(xué)中的應(yīng)用案例

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們可選的仿真虛擬教學(xué)軟件很多，筆者先后使用過金華科仿真物理實驗室、No Book虛擬物理實驗（NB虛擬實驗室）等。本文將通過No Book虛擬物理實驗的部分應(yīng)用實例，介紹虛擬實驗在提高教學(xué)效率方面的應(yīng)用。

1.斜面上的實驗對比

在初中物理教學(xué)中，我們曾用斜面做過多次探究實驗，“探究阻力對物體運動的影響”“探究影響物體動能大小的因素”“探究斜面的機(jī)械效率”等。借助虛擬實驗完成斜面實驗既方便又清晰，能很好地將實驗效果展示出來。

無摩擦理想化實驗：在“探究阻力對物體運動的影響”實驗中，參照教材實驗，在NB虛擬物理實驗室中可對斜面實驗進(jìn)行模擬，在工具欄中找到斜面、小車等工具，設(shè)置摩擦參數(shù)，并使摩擦因數(shù)越來越小，標(biāo)記并記錄三次小車在水平面上移動的距離，從而推斷如果不受摩擦力，物體將一直運動下去。牛頓第一定律的實驗是從伽利略實驗改進(jìn)而來，很多資料介紹了伽利略實驗，課堂上也可以借助NB虛擬實驗來演示伽利略實驗，并且為接觸面無摩擦的理想化實驗，軟件中的斜面右半側(cè)能自由拖動角度，讓小球滾下來時，都能回到原來高度，因為無摩擦，當(dāng)右側(cè)很長時，仍然能達(dá)到原來高度，很好地驗證了伽利略實驗。

自動受力分析：由于初中生認(rèn)知特點的限制，對靜止與運動中的物體的受力情況，學(xué)生總是難以把握，例如，“靜止在斜面上的物體受哪些力”“摩擦力與拉力有什么關(guān)系”等。在仿真軟件中有一項力的標(biāo)注功能，顯示簡單的受力情況，包括拉力、摩擦力等，把物體放在斜面上，設(shè)置好參數(shù)后，讓它保持靜止，就可以顯示出受力情況了，可視化的學(xué)習(xí)為物理教學(xué)帶來極大的方便。

2.動態(tài)實驗分析

在“探究機(jī)械能轉(zhuǎn)化”的實驗中，選擇單擺實驗進(jìn)行研究，在課堂上，單擺實驗很容易就能演示，但是存在不足：擺球無法定在最高點、最低點，因此，很難對擺球進(jìn)行能量分析，一般處理方法就是做成Flash動畫或PPT進(jìn)行分析，失去了其逼真效果。借助虛擬實驗進(jìn)行分析，則能解決這一短板。在NB物理實驗室中就有此功能，選擇單擺工具后，在參數(shù)中設(shè)置為無阻力，在擺球擺動的過程中，選擇任何一個點都可以暫停進(jìn)行能量分析，輕松演示能量轉(zhuǎn)化的過程。

通過NB虛擬物理實驗完成的“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實驗，獲得準(zhǔn)確的成像數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)實驗更方便。學(xué)生把凸透鏡固定在光具座上，測量好焦距，使?fàn)T焰放置在二倍焦距以外，移動光屏，在屏上尋找亮光斑，記錄下物距和焦距，改變物距再次重復(fù)實驗，最后總結(jié)出規(guī)律。在虛擬實驗室中，移動物距后，就不需要動手移動光屏尋找最亮最清晰的像了，直接顯示出位置或像距，再使?fàn)T焰向有移動時，物、像的移動軌跡能很好地顯示出來，這樣便于學(xué)生將各段成像規(guī)律總結(jié)出來。

3.自動生成圖像

在物理實驗教學(xué)中，很多實驗數(shù)據(jù)需要記錄、分析并生成圖像，以便找出其中的規(guī)律。例如在歐姆定律教學(xué)中，探究電流與電壓、電流與電阻的關(guān)系實驗。在仿真物理軟件中，當(dāng)然能輕松完成這一實驗，而且還能借助NB虛擬實驗，自動生成圖像。例如，在歐姆定律的實驗中，從右側(cè)工具欄中選擇電源、開關(guān)、電表、滑動變阻器等器材，進(jìn)行連接，這樣也能考查學(xué)生的電路連接技能，教師借助軟件進(jìn)行實驗時，選擇圖表圖像，然后讓學(xué)生仿照步驟進(jìn)行實驗探究，同時記錄數(shù)據(jù)，每產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)，表格旁邊選擇圖像后，就自動描出電流與電壓或電阻關(guān)系的點，再依據(jù)這些點繪成圖像，就能得出規(guī)律。

此外，在探究凸透鏡成像規(guī)律，探究不同物質(zhì)吸熱升溫的現(xiàn)象（比熱容），探究物質(zhì)質(zhì)量與體積的關(guān)系和觀察水的沸騰等需要數(shù)據(jù)收集的實驗中，圖像描述功能都能發(fā)揮很好的作用。

4.助力高效復(fù)習(xí)

實驗復(fù)習(xí)時，利用好虛擬實驗，把相應(yīng)的器材帶到課堂，便于學(xué)生復(fù)習(xí)實驗，使實驗更真實、更節(jié)省時間。

在電學(xué)實驗中，學(xué)生最難理解的要數(shù)電路故障了。斷路、短路后會發(fā)生什么現(xiàn)象？虛擬實驗彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實驗的缺點，使實驗過程變得更安全。如在電路中，若電源短路，則電源、電流表都有可能會被燒壞，這是傳統(tǒng)實驗不能做的，但是在虛擬實驗中可以驗證，并且改正后一鍵就可以修復(fù)。

有些實驗，具有相似的實驗裝置和相近的實驗操作，例如，“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”和“比較不同燃料的熱值”實驗中，均使用了加熱裝置、使用了控制變量法;而“探究影響電流大小的因素”和“測量定值電阻的阻值”實驗中，使用了相同的電路，等等，都可以借助虛擬實驗進(jìn)行復(fù)習(xí)。

二、虛擬實驗的不足

虛擬實驗雖有很多優(yōu)點，卻不能完全替代實物實驗。有幾個原因，在仿真模擬的過程中，會出現(xiàn)失真的情況;長期使用會使學(xué)生產(chǎn)生倦怠;不利于探究更深的物理規(guī)律;理想化實驗會讓實驗者的聽覺、視覺、嗅覺等感官產(chǎn)生真實的感知，也會錯過新發(fā)現(xiàn)，少了實驗反思及其他樂趣。

經(jīng)過長期實踐，筆者認(rèn)為，虛擬實驗是物理教學(xué)過程中不可缺少的“調(diào)味品”，可以在條件允許的情況下，將虛擬實驗與分組實驗相結(jié)合，讓知識更直觀、更生動，但不能“喧賓奪主”。讓學(xué)生在設(shè)計實驗、參與實驗、觀察實驗、感受實驗的過程中享受樂趣、感受物理世界的神奇與深邃。

[參考文獻(xiàn)][1]魏娟.基于虛擬實驗室的中學(xué)物理探究式教學(xué)方法研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2015.

[2]張士榮.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在初中物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2016（3）：148-149.

（責(zé)任編輯 易志毅）