關(guān)于在高中物理實驗教學(xué)中開展遠程實驗的思考

甘肅隴西縣文峰中學(xué)（748100）陳彥龍

新冠肺炎疫情影響了我國的社會生產(chǎn)和人民的生活，并對我國西部落后地區(qū)的教育產(chǎn)生了一定的沖擊，最明顯的就是新冠肺炎疫情背景下線下實驗教學(xué)難以開展，缺少實驗條件。基于此，本文探索在新冠肺炎疫情背景下，高中物理實驗教學(xué)中開展遠程實驗的可行性和具體策略。

一、遠程實驗概述

遠程實驗是遠程教育的重要組成部分。遠程實驗所用的實驗室通常包括兩種形式，一種是以網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬實驗室，另一種是可以遠程控制的實驗室。兩種形式的實驗室都依賴網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生可以通過計算機或移動終端進行實驗操作。遠程實驗室能夠有效解決學(xué)校教學(xué)資源短缺和消耗過大的問題，實現(xiàn)資源共享，使學(xué)生在實驗過程中不受時間和空間的限制。遠程實驗是互聯(lián)網(wǎng)計算機技術(shù)對傳統(tǒng)實驗資源的補充，也是現(xiàn)代實驗教學(xué)的發(fā)展方向之一，能夠給學(xué)生、教師帶來全新的體驗。它對現(xiàn)代教育產(chǎn)生了重大的影響。本文探討的遠程實驗是指用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠程訪問實驗室中連接實驗設(shè)備的計算機，以此來實現(xiàn)對實驗室中眾多設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制，通過實驗室現(xiàn)場的攝像機等設(shè)備獲取真實的實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象。簡而言之，遠程實驗就是人在異地通過計算機和攝像機完成一場真實的實驗，實驗儀器、實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)均為真實的。但遠程實驗同樣存在不可忽視的缺點，那就是操作無實感，目前的技術(shù)條件還沒有辦法讓學(xué)生進行有實感的實驗操作。遠程實驗過程中由于人為操作導(dǎo)致的誤差和錯誤難以完全體現(xiàn)。因此，遠程實驗對培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力、觀察能力、問題分析能力有一定的限制。

二、遠程實驗對高中物理實驗教學(xué)的作用和價值

（一）遠程實驗對學(xué)生掌握實驗知識、技能的作用

學(xué)生做遠程實驗與在學(xué)校實驗室做實體實驗一樣，都能夠獲得實驗知識和技能。遠程實驗本質(zhì)上還是實驗，對學(xué)生的相關(guān)實驗知識和技能的要求是一致的。遠程實驗與實體實驗又有所不同，遠程實驗建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，學(xué)生在遠程實驗中遇到的困難和問題，可以通過互聯(lián)網(wǎng)尋找解決的方法和途徑，然后返回遠程實驗室繼續(xù)做實驗。這樣的方式不僅有利于學(xué)生高效完成實驗，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。除此之外，學(xué)生在完成遠程實驗前還可以通過預(yù)習(xí)、設(shè)計仿真實驗等途徑來進行模擬實驗，提高遠程實驗的成功率。在這個過程中，學(xué)生同樣能夠?qū)W到很多知識和技能。

（二）遠程實驗對實驗過程、方法的支持

遠程實驗基于互聯(lián)網(wǎng)得以實現(xiàn)，突顯了互聯(lián)網(wǎng)可集視頻、動畫、音頻、圖文于一體的特點，不僅能夠達到實體實驗的要求，而且能夠為學(xué)生創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)必要的實驗情境，滿足學(xué)生的實驗需求。相對實體實驗而言，遠程實驗對學(xué)生的實驗思路、知識水平要求更高，能夠滿足學(xué)生自主探究、設(shè)計實驗等需求。遠程實驗室中可以設(shè)計系列實驗課題，逐步增加實驗的深度和復(fù)雜程度，引導(dǎo)學(xué)生進行深度的實驗探究。物理實體實驗室中，為了保證學(xué)生的安全，降低實驗事故發(fā)生的可能性，教師往往會對學(xué)生實驗操作有較多的限制，對涉及高壓電源、放射性物質(zhì)等危險程度較大的實驗一般不會讓學(xué)生操作，學(xué)生想大膽嘗試往往也會被教師制止。這樣雖然能夠保證學(xué)生的安全，但也限制了學(xué)生在物理領(lǐng)域中的探索，不利于學(xué)生的成長。

遠程實驗?zāi)軌蛴行岣呶锢韺嶒灥陌踩裕o學(xué)生最佳保障。學(xué)生可以異地遠程完成多項實驗，觀察到真實的物理實驗現(xiàn)象。在遠程實驗室中，學(xué)生可以觀看其他教師、同學(xué)的實驗過程和實驗結(jié)果，可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺與教師、同學(xué)進行交流，探討實驗操作、實驗觀察、實驗數(shù)據(jù)處理中遇到的問題。遠程實驗為學(xué)生提供討論、合作學(xué)習(xí)的環(huán)境和機會，有助于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和溝通交流的能力。遠程實驗室一般為全天候開放的實驗室，學(xué)生可以打破時間和空間的限制進行實驗操作，在有興趣、有靈感、有疑問時都可以進行實驗。這樣的實驗室，提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的靈活程度，滿足了學(xué)生自主控制學(xué)習(xí)時間、時長的需求，更符合未來選擇朝物理專業(yè)方向發(fā)展的高中生的需要。

（三）遠程實驗對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度的作用

遠程實驗雖然是通過互聯(lián)網(wǎng)、計算機進行遠程操控，但與仿真實驗不同。在遠程實驗中，學(xué)生操控的是真實的實驗設(shè)備和儀器，觀察的是真實的實驗現(xiàn)象，獲取的是真實的實驗數(shù)據(jù)。這樣的實驗方式更能夠培養(yǎng)學(xué)生嚴謹認真、實事求是的科學(xué)態(tài)度。而且，遠程實驗對學(xué)生而言是一個比較新奇的事物，與傳統(tǒng)的物理實體實驗不同，與全程虛擬的物理實驗也不同。這種虛實結(jié)合的技術(shù)能夠激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓他們對遠程實驗有較大的興趣和熱情。

（四）遠程實驗對教師教學(xué)和學(xué)生自學(xué)的作用

在傳統(tǒng)的物理實驗中，一位教師需要應(yīng)對全班多個學(xué)生、多個實驗小組，要不斷地在實驗室中巡視，無法直接參與每一個學(xué)生的實驗全過程。這樣的實驗方式不利于教師了解學(xué)生的實驗進度，不利于教師了解學(xué)生實驗的優(yōu)勢和不足，容易影響物理實驗教學(xué)的質(zhì)量和效率。遠程實驗?zāi)軌驗榻處熖峁W(xué)生的實驗過程記錄，方便教師調(diào)取監(jiān)控影像和數(shù)據(jù)，讓教師在有需要時盡可能多地了解學(xué)生的實驗情況，有利于教師做出更科學(xué)、更合理、更公正的評價。學(xué)生也可以通過回顧自己實驗過程中的監(jiān)控影像來了解自己的不足，找到實驗中的問題，養(yǎng)成反思的習(xí)慣。

三、遠程實驗在高中物理教學(xué)中的實際開展

遠程實驗是異地遠距離操控實驗，實驗室無人值守，因此并不適合進行操作較多的物理實驗，更適合一些將實驗器材和儀器連接后通過調(diào)節(jié)參數(shù)來獲取實驗現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)的物理實驗，如電學(xué)和磁學(xué)實驗、光學(xué)實驗、原子實驗等。在遠程實驗中，教師和學(xué)生需要登錄遠程實驗教學(xué)網(wǎng)站，下載相關(guān)插件，進行實驗并獲取實時圖像。遠程實驗室實景如圖1所示。

圖1 遠程實驗室實景圖

以“傳感器的簡單應(yīng)用”實驗為例，傳感器是現(xiàn)代化自動控制領(lǐng)域中重要的技術(shù)元件，是一種將所感受到的物理量轉(zhuǎn)化為便于測量的量的元件。常見的傳感器內(nèi)部有光敏電阻或熱敏電阻等結(jié)構(gòu)，我們可根據(jù)光、熱等物理量的強度變化來控制電路中的電壓或電流變化，從而實現(xiàn)對其他元件的控制。在物理實驗中，教師和學(xué)生可以通過調(diào)節(jié)傳感器所感受的物理量（力、熱、聲、光等），讓傳感器進行轉(zhuǎn)化處理，并通過監(jiān)控電壓、電流變化的方式來獲取相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，了解傳感器的實際工作過程。這個實驗可以運用遠程實驗的方式來開展，無須教師將學(xué)生帶到物理實體實驗室中，或?qū)嶒炂鞑陌崛虢淌疫M行演示。教師和學(xué)生可以登錄遠程實驗教學(xué)網(wǎng)站，在了解本次實驗的目的、意義、原理、儀器裝置、流程的情況下，對遠程實驗中的物理量（力、熱、聲、光等）進行調(diào)控，通過電壓、電流測量儀器了解傳感器的信號傳遞效果，從而利用真實的實驗設(shè)備、影像、數(shù)據(jù)來完成本次實驗。具體操作流程如圖2。

圖2 遠程實驗操作流程圖

這樣的教學(xué)采用了在互聯(lián)網(wǎng)上操控實驗和進行數(shù)據(jù)處理的實驗?zāi)Ｊ剑瑢崿F(xiàn)了校內(nèi)儀器在校際、家校間的資源共享，提高了物理實驗教學(xué)的效率。

在教授“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”這一課時，教師可引導(dǎo)學(xué)生利用控制變量的方法來探究質(zhì)量、力和加速度之間的關(guān)系。在實驗中，平衡摩擦?xí)r要把紙袋掛在小車上，把懸掛小盤的細繩系在小車上，輕推小車，讓小車帶動紙帶向下運動，直到紙帶上留下間隔相等的點為止。在小車質(zhì)量不變的情況下，探究力與加速度的關(guān)系時，利用小盤和砝碼的總重力代替小車受到的拉力，實際小車受到的拉力要比小盤和砝碼的總重力小，這就會產(chǎn)生實驗誤差。小盤和砝碼的總質(zhì)量越接近小車質(zhì)量，實驗誤差就越大；小盤和砝碼的總質(zhì)量越小，實驗誤差就越小。在短短45 分鐘的時間內(nèi)，教師既要求學(xué)生完成實驗操作，又要求學(xué)生準確無誤地處理實驗數(shù)據(jù)，這對操作能力較弱的學(xué)生而言是一種挑戰(zhàn)。課后，教師可用氣墊導(dǎo)軌代替長木板，在小車上安裝力傳感器，用速度傳感器代替打點計時器來進行實驗，用攝像機把實驗操作過程錄制好，應(yīng)用遠程實驗教學(xué)平臺和互聯(lián)網(wǎng)把實驗操作過程和實驗數(shù)據(jù)傳送到學(xué)生終端，讓每個學(xué)生都可以在線下參與、經(jīng)歷、體驗實驗的過程，感受實驗的魅力和科學(xué)的嚴謹。教師還可以讓學(xué)生利用空閑時間線上進一步完善實驗操作過程，這樣既加深了學(xué)生對物理知識的理解，又培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散性思維和創(chuàng)新能力。因此，教師應(yīng)隨時隨地調(diào)整線上和線下的實驗教學(xué)進程，讓學(xué)生在實踐中探究、在探究中實踐，激發(fā)學(xué)生的求知欲，促進學(xué)生全面和可持續(xù)地發(fā)展。教師還可以在實驗過程中組織學(xué)生展開交流和討論，讓學(xué)生自行完成實驗單一變量的控制和調(diào)節(jié)，獲取實驗數(shù)據(jù)、現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生將遠程實驗數(shù)據(jù)、現(xiàn)象等資料收集起來，根據(jù)實驗真實過程和結(jié)果來進行分析。如果實驗過程中出現(xiàn)了異常現(xiàn)象，教師可以給學(xué)生提供機會和空間，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料、獨立思考、小組討論等途徑來自行分析問題和解決問題，最終順利完成實驗。而且，學(xué)生在課后進行復(fù)習(xí)時，也可以登錄遠程實驗教學(xué)網(wǎng)站進行重復(fù)實驗或查看其他教師、同學(xué)的實驗過程和結(jié)果，在反復(fù)實驗、反復(fù)練習(xí)中快速掌握實驗儀器的使用方法，找到影響實驗結(jié)果的原因。

總之，遠程實驗是一種與傳統(tǒng)實體實驗有較大區(qū)別的實驗方式，它不僅能夠填補傳統(tǒng)物理實驗教學(xué)的不足，還能夠有效提高物理實驗的安全性，幫助學(xué)生打破時間、空間的限制。遠程實驗的真實實驗過程、反復(fù)練習(xí)空間、師生交互平臺都有利于學(xué)生的學(xué)習(xí)和成長，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動手能力和分析總結(jié)能力，這對未來選擇朝物理專業(yè)方向發(fā)展的高中生而言十分有利。遠程實驗雖然缺少能接觸實驗儀器、材料的真實感，但整體上的真實程度超過仿真實驗，對學(xué)生的學(xué)習(xí)幫助更大。目前，很多中學(xué)與大學(xué)合作構(gòu)建遠程實驗室，希望可以滿足高中物理實驗教學(xué)的需求，減輕學(xué)校建設(shè)和維護實驗室的壓力，節(jié)約教育教學(xué)成本。但遠程實驗不能完全替代傳統(tǒng)實體實驗，只能作為教學(xué)輔助手段。