關于在高中物理實驗教學中開展遠程實驗的思考

陳彥龍

[摘? ?要]實驗教學是物理教學的主要內容之一，也是培養學生物理學習興趣、科學態度和精神、學科核心素養的重要環節。新課程標準強調實驗在物理教學中的重要性，要求教師最大限度地利用實驗來提高物理教學的質量和效率。對高中學校而言，建設力、熱、聲、光等相關實體實驗室成本較高，管理實驗室的難度較大，且學生實驗也會不斷消耗實驗材料，因此學校壓力較大。對此，基于網絡建設和開放遠程實驗室是高中學校的有利選擇。遠程實驗室可以滿足學生的實驗需求，且建設成本低、管理難度小，能有效解決教學資源短缺和消耗過大的問題。文章分析并探討在高中物理實驗教學中開展遠程實驗的可行性和具體策略，為使學生獲得良好的物理學習效果提供一些思路。

[關鍵詞]高中物理;實驗教學;遠程實驗

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）03-0025-03

新冠肺炎疫情影響了我國的社會生產和人民的生活，并對我國西部落后地區的教育產生了一定的沖擊，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，一種是以網絡虛擬技術為基礎的虛擬實驗室，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絡，學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校教學資源短缺和消耗過大的問題，實現資源共享，使學生在實驗過程中不受時間和空間的限制。遠程實驗是互聯網計算機技術對傳統實驗資源的補充，也是現代實驗教學的發展方向之一，能夠給學生、教師帶來全新的體驗。它對現代教育產生了重大的影響。本文探討的遠程實驗是指用戶通過互聯網遠程訪問實驗室中連接實驗設備的計算機，以此來實現對實驗室中眾多設備的調節和控制，通過實驗室現場的攝像機等設備獲取真實的實驗數據和實驗現象。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、實驗現象、實驗數據均為真實的。但遠程實驗同樣存在不可忽視的缺點，那就是操作無實感，目前的技術條件還沒有辦法讓學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致的誤差和錯誤難以完全體現。因此，遠程實驗對培養學生的實驗操作能力、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的作用和價值

（一）遠程實驗對學生掌握實驗知識、技能的作用

學生做遠程實驗與在學校實驗室做實體實驗一樣，都能夠獲得實驗知識和技能。遠程實驗本質上還是實驗，對學生的相關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網基礎上，學生在遠程實驗中遇到的困難和問題，可以通過互聯網尋找解決的方法和途徑，然后返回遠程實驗室繼續做實驗。這樣的方式不僅有利于學生高效完成實驗，而且有利于培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。除此之外，學生在完成遠程實驗前還可以通過預習、設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，學生同樣能夠學到很多知識和技能。

（二）遠程實驗對實驗過程、方法的支持

遠程實驗基于互聯網得以實現，突顯了互聯網可集視頻、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，而且能夠為學生創造良好的學習環境，為學生創設必要的實驗情境，滿足學生的實驗需求。相對實體實驗而言，遠程實驗對學生的實驗思路、知識水平要求更高，能夠滿足學生自主探究、設計實驗等需求。遠程實驗室中可以設計系列實驗課題，逐步增加實驗的深度和復雜程度，引導學生進行深度的實驗探究。物理實體實驗室中，為了保證學生的安全，降低實驗事故發生的可能性，教師往往會對學生實驗操作有較多的限制，對涉及高壓電源、放射性物質等危險程度較大的實驗一般不會讓學生操作，學生想大膽嘗試往往也會被教師制止。這樣雖然能夠保證學生的安全，但也限制了學生在物理領域中的探索，不利于學生的成長。

遠程實驗能夠有效提高物理實驗的安全性，給學生最佳保障。學生可以異地遠程完成多項實驗，觀察到真實的物理實驗現象。在遠程實驗室中，學生可以觀看其他教師、同學的實驗過程和實驗結果，可以通過網絡平臺與教師、同學進行交流，探討實驗操作、實驗觀察、實驗數據處理中遇到的問題。遠程實驗為學生提供討論、合作學習的環境和機會，有助于培養學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，提升了學生自主學習的靈活程度，滿足了學生自主控制學習時間、時長的需求，更符合未來選擇朝物理專業方向發展的高中生的需要。

（三）遠程實驗對培養學生科學態度的作用

遠程實驗雖然是通過互聯網、計算機進行遠程操控，但與仿真實驗不同。在遠程實驗中，學生操控的是真實的實驗設備和儀器，觀察的是真實的實驗現象，獲取的是真實的實驗數據。這樣的實驗方式更能夠培養學生嚴謹認真、實事求是的科學態度。而且，遠程實驗對學生而言是一個比較新奇的事物，與傳統的物理實體實驗不同，與全程虛擬的物理實驗也不同。這種虛實結合的技術能夠激發學生的求知欲，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和學生自學的作用

在傳統的物理實驗中，一位教師需要應對全班多個學生、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生的實驗全過程。這樣的實驗方式不利于教師了解學生的實驗進度，不利于教師了解學生實驗的優勢和不足，容易影響物理實驗教學的質量和效率。遠程實驗能夠為教師提供學生的實驗過程記錄，方便教師調取監控影像和數據，讓教師在有需要時盡可能多地了解學生的實驗情況，有利于教師做出更科學、更合理、更公正的評價。學生也可以通過回顧自己實驗過程中的監控影像來了解自己的不足，找到實驗中的問題，養成反思的習慣。

三、遠程實驗在高中物理教學中的實際開展

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節參數來獲取實驗現象、實驗數據的物理實驗，如電學和磁學實驗、光學實驗、原子實驗等。在遠程實驗中，教師和學生需要登錄遠程實驗教學網站，下載相關插件，進行實驗并獲取實時圖像。遠程實驗室實景如圖1所示。

以“傳感器的簡單應用”實驗為例，傳感器是現代化自動控制領域中重要的技術元件，是一種將所感受到的物理量轉化為便于測量的量的元件。常見的傳感器內部有光敏電阻或熱敏電阻等結構，我們可根據光、熱等物理量的強度變化來控制電路中的電壓或電流變化，從而實現對其他元件的控制。在物理實驗中，教師和學生可以通過調節傳感器所感受的物理量（力、熱、聲、光等），讓傳感器進行轉化處理，并通過監控電壓、電流變化的方式來獲取相應的實驗數據，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，無須教師將學生帶到物理實體實驗室中，或將實驗器材搬入教室進行演示。教師和學生可以登錄遠程實驗教學網站，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備、影像、數據來完成本次實驗。具體操作流程如圖2。

這樣的教學采用了在互聯網上操控實驗和進行數據處理的實驗模式，實現了校內儀器在校際、家校間的資源共享，提高了物理實驗教學的效率。

在教授“探究加速度與力、質量的關系”這一課時，教師可引導學生利用控制變量的方法來探究質量、力和加速度之間的關系。在實驗中，平衡摩擦時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。在小車質量不變的情況下，探究力與加速度的關系時，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，這就會產生實驗誤差。小盤和砝碼的總質量越接近小車質量，實驗誤差就越大;小盤和砝碼的總質量越小，實驗誤差就越小。在短短45分鐘的時間內，教師既要求學生完成實驗操作，又要求學生準確無誤地處理實驗數據，這對操作能力較弱的學生而言是一種挑戰。課后，教師可用氣墊導軌代替長木板，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，應用遠程實驗教學平臺和互聯網把實驗操作過程和實驗數據傳送到學生終端，讓每個學生都可以在線下參與、經歷、體驗實驗的過程，感受實驗的魅力和科學的嚴謹。教師還可以讓學生利用空閑時間線上進一步完善實驗操作過程，這樣既加深了學生對物理知識的理解，又培養了學生的發散性思維和創新能力。因此，教師應隨時隨地調整線上和線下的實驗教學進程，讓學生在實踐中探究、在探究中實踐，激發學生的求知欲，促進學生全面和可持續地發展。教師還可以在實驗過程中組織學生展開交流和討論，讓學生自行完成實驗單一變量的控制和調節，獲取實驗數據、現象，引導學生將遠程實驗數據、現象等資料收集起來，根據實驗真實過程和結果來進行分析。如果實驗過程中出現了異常現象，教師可以給學生提供機會和空間，引導學生通過查閱資料、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，學生在課后進行復習時，也可以登錄遠程實驗教學網站進行重復實驗或查看其他教師、同學的實驗過程和結果，在反復實驗、反復練習中快速掌握實驗儀器的使用方法，找到影響實驗結果的原因。

總之，遠程實驗是一種與傳統實體實驗有較大區別的實驗方式，它不僅能夠填補傳統物理實驗教學的不足，還能夠有效提高物理實驗的安全性，幫助學生打破時間、空間的限制。遠程實驗的真實實驗過程、反復練習空間、師生交互平臺都有利于學生的學習和成長，能夠有效培養學生的觀察能力、動手能力和分析總結能力，這對未來選擇朝物理專業方向發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，對學生的學習幫助更大。目前，很多中學與大學合作構建遠程實驗室，希望可以滿足高中物理實驗教學的需求，減輕學校建設和維護實驗室的壓力，節約教育教學成本。但遠程實驗不能完全替代傳統實體實驗，只能作為教學輔助手段。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

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（責任編輯? ? 李琪琦）

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