淺談虛擬實驗在中學物理教學中的應用

趙京波

摘? ?要：隨著信息技術和科學技術的迅猛發展，我國的教育事業也進入了信息化時代，教學手段日新月異。以虛擬現實技術為支撐的物理虛擬實驗的推廣應用，不僅為中學物理教學提供了一種新的教學途徑，也為學生自主性、創造性地學習物理，提高實驗操作技能提供了一種有效的學習平臺。在中學物理實驗教學過程中適時適當地運用虛擬實驗，可以更好地提高實驗教學的效果。在學生課后的自主學習過程中，讓學生獨立自主地運用虛擬實驗進行實驗探究，不僅可以提高學生的實驗操作技能，而且還有助于培養學生的創新思維能力。

關鍵詞：中學物理;虛擬實驗;物理實驗教學;創新思維

中圖分類號：G633.7? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1009-010X（2021）20/23-0098-03

虛擬實驗就是利用各種信息技術手段來模擬和再現現實生活中的各種真實的實驗儀器、實驗過程和實驗現象。它可以高度模擬、仿真實驗室的儀器，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目，且所取得的實驗效果等價于甚至優于真實環境中所取得的效果。在中學物理實驗教學過程中適時適當地運用虛擬實驗，可以更好地提高實驗教學的效果。在學生課后的自主學習過程中，讓學生獨立自主地運用虛擬實驗進行實驗探究，不僅可以提高學生的實驗操作技能，而且還有助于培養學生的創新思維能力。因此，筆者申請了邢臺市教育科學“十三五”規劃第三次立項課題“‘互聯網+思維下中學理化課堂教學創新研究”（2001107），以深入探究虛擬實驗在中學物理中的應用，進而可達到提高教學質量的目的。

虛擬實驗在中學物理教學中的具體應用有以下幾個方面。

一、巧用虛擬實驗進行課堂演示實驗，如此可提高物理實驗教學的效果

課堂演示實驗是中學物理實驗教學中的一個必不可少的組成部分。但從實際情況來看，有些課堂演示實驗的效果卻往往不盡如人意。究其原因有三：其一，受某些限制條件或突發事件的影響，有些演示實驗的成功性不大，經常是誤差很大，有時甚至是錯誤的，這降低了課堂演示實驗的效果;其二，有些演示實驗受時空限制，學生觀察的視角很小、清晰度很低，甚至部分學生無法清晰完整地觀察到實驗的整個過程或實驗現象，這大大影響了演示實驗的效果;其三，有些演示實驗所需的時間較長或受某些條件限制不能在課堂上直接演示。針對以上三種情況，在進行課堂實驗教學時，教師可以根據課堂實驗的需要，充分利用物理虛擬實驗讓部分學生在教師的指導下自主選擇實驗器材并操作演示。這樣不但可以成功、完整地呈現課堂演示實驗，又可以提升課堂演示實驗的有效性，進而可達成良好的實驗教學效果。

例如在學習“造成家庭電路電流過大的原因”這一知識點時，由于在課堂上利用220伏電壓演示短路實驗是極其危險的。所以筆者就在觸控一體機上充分利用物理虛擬實驗室所提供的實驗器材快速組裝成家庭電路，然后將一根空導線的兩端分別插入到一個兩孔插座的插孔中，隨后閉合開關，隨著“嘭”的一聲火光一閃，保險絲立即熔斷。通過這一演示實驗，不僅使學生再次清晰地認識到家庭電路的組成，而且也使學生深刻地觀察、體驗到短路的危害性，如此可增強學生安全用電的意識，同時也收到了良好的教學效果。

二、巧用虛擬實驗突破物理教學中的難點，由此可加深學生對知識的理解

在初中物理的課堂教學過程中，總有一些知識點學生難以聽懂和理解，這就是教學過程中的難點。而造成這些難點的原因一般有兩個：其一，這些知識較為抽象，讓人看不見摸不著，并且教師又很難用準確的語言將其描述清楚，所以導致學生難以理解，如電流、磁感線、分子運動等;其二，由于學生的生活經驗不足，閱歷不夠，見識不廣，對所學知識沒有形象直觀的認識而感到困難。要突破這些教學難點，其關鍵所在就是化抽象為形象，變不可見為可見，例如可借助物理虛擬實驗使許多抽象的事物形象直觀地再現給學生，讓學生一目了然，如此可有效突破教學中的難點。

例如“常見電路故障的判斷”是歷年來各省市中考常考的一個重要知識點，同時它也是學生感到比較難理解和判斷的一個知識點。這主要是因為電流在電路中的流動狀態和路徑學生無法直觀看到，只能靠聽教師說電路發生短路時電流怎樣流動，然后自己機械地記憶，這樣時間一長很容易就又忘了。為了解決這一難點，在課堂教學時，筆者充分利用虛擬電學實驗器材在交互式電子白板上連接了如下圖所示的實驗電路，隨后分別演示了L1短路、L2短路、L1斷路和L2斷路四種電路故障情況，讓學生對比觀察它們實驗現象的不同。通過這一系列的演示實驗，學生能非常直觀地感受到這四種情況下電流流經路徑的不同、各燈泡發光情況的變化以及各電表的示數變化等。學生對串聯電路中這些常見的電路故障有了深刻的印象，就能很容易對各種情況做出判斷了。

三、虛擬實驗與學生分組實驗相結合，可提高學生分組實驗的效率和效果

初中物理實驗教學大致可分為兩大塊，一是以教師為主導的演示實驗，二是以學生為主導的分組實驗。與教師演示實驗相比，分組實驗一方面能夠更好地培養學生自己動手進行實驗操作的能力，另一方面能夠培養學生之間相互團結與協作的能力，這些能力都是學生將來從事工作不可缺少的能力。

為了提高學生分組實驗的效率和實驗效果，可以將物理虛擬實驗與學生分組實驗有機結合。例如在做“測量小燈泡的功率”這一學生分組實驗時，筆者采用的教學策略是：首先由學生說出該實驗的原理，并設計出實驗電路圖，然后經討論設計出該實驗的步驟和實驗數據表。接下來讓兩位學生在交互式電子白板上利用物理虛擬實驗室提供的實驗器材演示完成“擺器材——連電路——做實驗——填數據——收器材”等一系列操作，同時讓其他實驗小組細心觀察找出該實驗操作的錯誤之處，并說出或演示出正確的操作方法。最后讓各小組利用所給的實驗器材相互合作測量出所給小燈泡在不同電壓下的電功率。通過將虛擬實驗和學生分組實驗有機結合，不僅可以激發學生的實驗興趣，提高學生的實驗操作技能，還能提高學生的實驗效率和實驗效果。

四、充分利用虛擬實驗，可彌補實體實驗器材的不足，如此可提高學生的實驗操作技能和創新思維能力

物理是一門以實驗為基礎的學科。學生物理實驗操作能力的培養是物理實驗能力培養的重要內容之一，也是學生學習物理的必要基礎。培養學生的動手精神和理念，培養學生的物理實驗操作能力，可以為學生將來走進社會，在社會實踐中學習掌握一些專業技術知識打下良好的基礎。因此，提高學生的物理實驗操作能力對物理學科的教學尤為重要。近幾年來，各省市在中考中也增加了對學生物理實驗操作能力的考查。

要提高學生的實驗操作能力，除了在課堂上要讓學生積極動手做實驗之外，在課下還必須要給學生提供相關的實驗操作訓練和進行實驗探究的平臺，使學生能夠充分利用課余時間去自主進行實驗操作和實驗探究，以達到熟練掌握實驗操作步驟和技巧的要求，如此可最大限度地提高學生的實驗操作能力。但以上這些僅靠學校實驗室中現有的實體實驗器材是遠遠不夠的，并且受實驗場地和實驗時間的限制，學校現有的實體實驗器材也不能讓每一位學生隨時隨地都可以進行實驗操作訓練或實驗探究。而充分利用物理虛擬實驗可以有效解決學校實體實驗器材的不足，同時還可以滿足讓每一位學生隨時隨地都可以自主進行實驗操作訓練或實驗探究的需求。隨著信息技術和科學技術的迅猛發展，電腦、平板電腦和智能手機等已被絕大多數學生所擁有。因此，教師可以充分借助這些移動終端，把物理虛擬實驗的軟件發送給學生，讓學生用以上終端下載安裝，這樣就可以讓學生充分利用虛擬實驗所提供的器材去自主完成一些常見的實驗組裝及操作過程，同時學生也可以利用這些器材自主設計完成一些創新型探究實驗。這樣不僅能逐步提高學生的實驗操作技能，還能逐漸培養學生的創新意識和創新思維能力。

虛擬實驗的應用雖然為中學物理教學提供了極大的便利，但它只是實體實驗的一個補充、完善和擴展，它并不能從根本上替代實體實驗的作用——有效培養學生的動手操作與實踐能力。此外，它也不能讓學生體會實際動手實驗中出現的各種故障，限制了學生進行自主發現與思考能力的培養。因此，教師不能完全以虛擬實驗代替真實實驗。只有結合教材內容和學生的認知實際等，將二者有機結合，并靈活加以運用，使其相輔相成，優勢互補，才能實現中學物理實驗教學的最優化。

參考文獻：

[1]李? ?興.虛擬實驗在初中物理實驗教學中的應用研究[J].新課程（中），2019，（08）：106.

[2]王玉瓊.虛擬實驗在中學物理教學中的應用研究[D].四川師范大學，2008.

[3]賈兆財.虛擬實驗在初中物理實驗教學中的應用研究[J].新課程（下），2019，（06）：37.