虛擬實驗室（NOBOOK）融入初中物理習題課教學的探索

陳榮清 楊晨琳

（1.福清高山育才中學，福建 福清 350319；2.福清北亭初級中學，福建 福清 350323）

在習題教學中，虛擬實驗作為一種新的科學研究方法，可以與傳統教學方法有效結合.通過具體的習題解答，學生能從各種角度完善對物理概念和物理規律的理解，并進行深化與鞏固，進而提高自身的科學素養.NOBOOK實驗室可以作為實驗教學的高效補充工具，使得抽象的物理規律直觀化、可視化，創設平臺，讓學生展示交流，互動完善，實現知識和方法的溫故知新，培養學生的開放性思維，促進學生自主進行創造性決策.

1 NOBOOK輔助真實實驗

學生在解題過程中經常對問題的分析和已有的知識基礎或知識經驗相沖突產生錯誤的認知.例如，對物體浸入液體的過程中，液面也隨之上升的現象沒有清晰認識，更不易理解液面上升的體積等于物體的體積.通過NOBOOK平臺，調節參數，模擬出物體的運動，精確地完成相關實驗，實時顯示數據變化，為學生呈現一種動態的視覺效果，讓學生們反省、評價，來達成思維的轉化，從而迅速、簡捷地解決問題.

例1.如圖1所示，圓柱形薄壁容器底面積為60 cm2，彈簧測力計下掛一底面積為20 cm2的柱形金屬塊，金屬塊下表面與水面相平時，彈簧測力計示數為4.5 N，若將金屬塊緩慢下降6 cm，金屬塊的上表面與水面相平（水未溢出）.則金屬塊下降前后容器底受到的液體壓強變化量是_______Pa，金屬塊的密度_______g／cm3.

圖1

初中學生邏輯思維能力尚待發展，在設計習題當中的實驗方案時，思維容易受限制，一開始直接根據題目中的實驗器材，一個裝有水的燒杯、一個彈簧測力計和金屬塊就開始實驗操作.在學生交流后，教師適時地介紹能通過對比水位上升的高度和金屬塊在水中下降深度的創新技法，提供再次設計的機會.學生通過NOBOOK虛擬實驗室不斷完善自己的設計實驗，設計出多種實驗方案，發展創造思維，展示最終的實驗方案.如圖2所示，模擬在空燒杯中金屬塊上表面與水位線相平時，下表面應到達燒杯“40”刻度線的位置.而實際情況下，金屬塊在水中下降的過程中，水面會隨之上升.教師再通過希沃白板編輯（如圖3），學生清晰地看到當金屬塊上表面與水面相平時，金屬塊的下表面在水中下降的距離比在之前在空燒杯中下降的距離小.在活動過程中，可以利用評價單要求學生從創造思維、設計實驗方案、行為規范3個維度進行自我評價，激勵學生在設計過程中不斷改進，發展創造思維.同時，學生查看評價單后，能根據自己的表現，總結和反思自己哪方面表現得好，哪方面還有欠缺，需要改進.

圖2 金屬塊下降過程

圖3 水位變化情況

伴隨著現代信息技術的發展，利用仿真實驗軟件在虛擬情況下開展實驗，探究物理規律，與真實實驗形成有效互補，教師講解方便、直觀，打破了學生長期形成的固有思維模式，提高認知水平.

2 NOBOOK實現可視化實驗

物理習題課的實驗教學，重在讓學生在有限的課堂學習時間里盡可能多地掌握實驗操作技能、物理知識以及提高科學素養.傳統的電學實驗器材容易老化造成實驗誤差大，不利于習題的講解.在分析復雜電路時，使用傳統的多媒體手段無法實時呈現電路在不同情況下的工作狀態，并且連接好的電路由于距離和視角的關系，學生無法看清，教學難點不易突破.此時借助NOBOOK虛擬實驗室，有效地縮短實驗時間.

例2.小靈小組利用如圖4所示電路進行電學實驗，選用的電源電壓為4.5 V，滑動變阻器規格為“20Ω 1 A”.

圖4 電學實驗圖

（2）在探究“電流與導體兩端電壓的關系”實驗中，選用5Ω的定值電阻，調節滑動變阻器的滑片無法使電壓表示數為0.5 V，你認為原因可能是__________.

傳統習題教學中，當計算出滑動變阻器的最大阻值至少為40Ω，電壓表示數才能減小到0.5 V時，學生仍無法理解是因為滑動變阻器的最大阻值太小導致電壓表無法達到0.5 V.在解決這類物理臨界狀態問題，可運用NOBOOK平臺，按照題目要求設置電源電壓、定值電阻、滑動變阻器的最大值等數值，完成電路的連接后，閉合開關，就能看到電流流動的動態畫面（如圖5所示）.學生觀察物理量的變化，由一般推向極端，做出在極端條件下的判斷，通過理論分析臨界狀態和極值解決問題，培養學生的推理能力.［2］在NOBOOK實驗室中同時還能直觀看到，滑動變阻器阻值在變大的過程中，電壓表示數在變小，當滑動變阻器的阻值達到最大值20Ω時，電壓表只能減小至0.9 V，未能減小至題中要求的0.5 V.單擊電壓表后，轉動鼠標滾輪還能縮放實驗畫面（如圖6所示），方便學生讀數.同時，NOBOOK打破時間限制，跨越空間障礙，實現網絡范圍內的資源共享，提高實驗資源的利用率，便于學生利用課余時間鞏固物理知識.可以微信掃描如圖7的二維碼.）

圖5 電流流動畫面

圖6 電壓表放大圖

圖7 二維碼

3 運用NOBOOK提升思維躍遷

在使用NOBOOK時，教師的教學不再局限于講臺附近，學生可利用手機中的學生端并通過希沃授課助手，遠距離控制希沃，開展合作互動式學習，獲得良好的體驗.

例如在解決單個物體在豎直方向上運動受到3個力的物理問題，可以提出一個原始的問題：在彈簧測力計下掛著一個重物，將其緩慢勻速地浸入裝有水的燒杯中，彈簧測力計示數將如何變化？學生在聽完問題后，對手機中的NOBOOK物理實驗學生端進行一系列設置（如圖8），觀察示數變化.接著，教師給出一個臺秤，提問：在重物勻速地浸入過程中彈簧測力計的示數和燒杯對桌面的壓力將如何變化？這時，學生馬上就想到可以使用臺秤來測量壓力，并觀察到浸入過程中彈簧測力計示數先變小的同時臺秤的示數在變大（如圖9）.當學生看到希沃白板上展示的練習題：若將彈簧測力計下掛的重物勻速地浸入裝滿水的溢水杯中，彈簧測力計的示數和桌面受到溢水杯的壓力將如何改變？學生通過NOBOOK把上一個實驗中的燒杯替換成溢水杯，如圖10所示，得到答案.最后，教師可讓學生利用NOBOOK虛擬實驗室學生端解決：若將彈簧測力計下掛的重物勻速地浸入沒有裝滿水的溢水杯中，彈簧測力計的示數和桌面受到溢水杯的壓力將如何改變？（圖11），進而提升學生的高階思維能力.［3］

圖8 NOBOOK實驗參數設置

圖9 使用臺秤測量壓力

圖10 用裝滿水的溢水杯進行實驗

圖11 用未裝滿水的溢水杯進行實驗

教師在教學中利用相近的題目，關注學生的討論和虛擬實驗儀器的選擇，讓學生通過變式題目的分析、評價從而加強師生互動和學生間的交流和實踐，提高思維能力，解題過程中感悟分析問題的思路和方法.活動的4個階段中，學生經歷了多次方案設計，從一開始金屬塊在水中拉力的變化到最后金屬塊在浸入未裝滿水的溢水杯過程中拉力和桌面受溢水杯壓力的示數變化，創造思維得到鍛煉與提升.教師通過步步設問，既能讓學生及時明了自己的不足之處，又能便于教師縱向觀察學生設計能力的發展情況，檢驗自己設計的教學活動對培養學生的高階思維能力的有效性，有助于對學生出現的問題對癥下藥，進行有針對性和持久地訓練.

4 總結與展望

NOBOOK虛擬實驗室融入傳統的物理習題教學中，使學生在理解知識點時能看到直觀現象的畫面，進而培養學生的創造力和可持續發展的潛能.但在習題教學中僅有NOBOOK虛擬實驗室是遠遠不夠的，如何與傳統教具、傳感器相結合，提高習題教學的有效性，需要進一步研究.