應用虛擬仿真實驗培養學生物理學科思維的實踐研究

林杰

摘? ?要：通過教師將虛擬仿真實驗教學軟件應用到課堂教學中，上課演示虛擬仿真實驗或學生自主操作實驗，讓學生掌握物理概念及原理，探究虛擬仿真實驗對培養學生物理學科思維的影響。經過近兩年的跟蹤研究發現，在平時的課堂教學中，利用虛擬仿真實驗進行教學，不但能提高學生的動手操作能力，而且還能培養學生的空間想象能力、構建模型能力、信息加工能力、推理論證能力、發散思維能力、創新思維能力等，從而逐步提升學生物理學科思維。

關鍵詞：虛擬仿真實驗;物理;學科思維

引言

進入21世紀，隨著信息技術的迅猛發展，虛擬仿真技術日趨成熟，已經開始在科學研究、日常生活等各個方面不斷得到應用。教師也意識到虛擬仿真實驗在教學方面的應用價值，將它應用到實際課堂教學中。將虛擬仿真技術和中學物理實驗教學進行最優化整合，必將會優化傳統的教學模式和拓展課堂教學空間，進一步促進學校物理實驗教學的開展。在教學過程中教師不斷熟悉虛擬仿真實驗教學的操作原理和教學策略，有利于提升教師的實驗教學技能，并能為學校以后的物理實驗教學提供借鑒。通過虛擬仿真實驗，彌補實際實驗的一些不足之處，讓每個學生親身參與實驗過程，加深對物理概念和原理的認識，提高學生動手實驗的能力，逐步培養學生的物理學科思維能力。

1? 應用虛擬仿真實驗教學對培養學生物理學科思維的作用

1.1? 虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗軟件是一種借助傳感技術、多媒體技術、虛擬仿真技術等構建的高度虛擬、仿真的實驗教學環境，可以輔助教師進行課堂演示實驗或學生自己模擬操作實驗[ 1 ]。由于虛擬仿真實驗可直接電腦在線模擬操作，學習者能夠體驗身臨其境的感覺，能夠最大限度地激發學生的自主學習興趣，具有獨特的實驗教學的實踐作用[ 2 ]。針對實際實驗中的復雜實驗、抽象實驗等不好做的實驗，甚至因危險性高而不能做的實驗，虛擬仿真實驗都能夠有效地進行模擬操作。基于以上優勢特性，現如今利用虛擬仿真實驗輔助教學，已經在全國各地如火如荼地進行。

1.2 物理學科思維

所謂物理學科思維，顧名思義就是學生學習物理的科學思維。它是依據經驗事實建構物理模型的過程，是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑，進而提出創造性見解的能力[ 3 ]。 包括空間想象能力、構建模型能力、信息加工能力、推理論證能力、創新思維能力、發散思維能力等。通過教師長期的教學活動發現，這些物理學科思維能力是學生學好物理的必不可少的能力。為了學生不斷發展的需要，教師在平時的教學活動中，要有意識地在這方面對學生進行培養、引導、滲透。

1.3? 學生操作虛擬仿真實驗過程能夠培養學生的物理學科思維能力

通過文獻研究法，查閱網絡文獻資料，查找中學物理虛擬仿真實驗的相關平臺，為教學做好前期準備工作。例如登錄注冊中央電化教育館的網絡虛擬實驗教學服務系統，可以看到這里有中學物理、化學、生物、小學科學等幾千個虛擬實驗資源。教師可以搜尋中學階段物理課程虛擬仿真實驗的相關軟件資源，然后把這些資源應用到平時的課堂教學中。

在平時的教學過程可以觀察到，在有限的課堂教學時間內，利用虛擬仿真實驗進行輔助教學，給學生較大的操作自由度和使用空間，能充分激發學生的學習熱情，學生會更積極主動地配合進行課堂學習，從而提高課堂的學習效率，促進課堂教學目標的達成。在虛擬仿真實驗中，學生可以按照需求自主操作實驗，多次重復實驗過程，不但能提高對實驗器材的操作技巧，還能夠更細致地觀察實驗現象，有助于得出實驗結論。在進行探究實驗的操作過程中，不但能提高學生動手實驗能力，對培養學生的物理學科思維能力，還能起到“潤物細無聲”的作用效果。

以“探究線圈的自感現象”這個電學實驗為例，如圖1所示，學生進入虛擬實驗平臺后，馬上就要先熟悉實驗操作空間。可以看到，在虛擬立體空間中左上角有實驗電路圖，在右邊空間是一個工具欄，那里有實驗所需的器材供學生選擇使用，在空間右下角是一些操作選擇按鈕。學生需要在合適的空間位置放置電池組、滑動變阻器、電感線圈、燈泡等各個實驗器材，需要學生思考，如何布局方便觀察研究，然后利用導線連接電路，搭建接起來整個實驗場景模型。這些思考及操作過程能夠很好地培養學生的構建物理模型能力。

在虛擬實驗的空間中，所有的實驗器材都是立體圖形顯示，學生可以對開關進行閉合或斷開操作，可以左右移動滑動變阻器的滑片，使滑動變阻器連入電路的電阻阻值發生變化，連電燈的亮度變化都能夠虛擬表現出來。學生可以在虛擬立體空間中對整個實驗電路模型拉近推遠，選擇最佳觀察位置。還可以旋轉改變觀察位置及方向，從不同位置距離、各個不同方向視角對小燈泡的發光及熄滅情景進行多次多方位觀察研究，通過這些多方位場景的切換及觀察，不但能夠更好地觀察實驗現象，而且能夠培養學生的立體空間想象能力。

在實驗探究過程中，學生可以先探究開關閉合時線圈對小燈泡的影響。通過實驗操作，可以觀察到開關閉合瞬間的實驗現象，學生就要去分析產生這種現象的原因，得出：線圈的自感現象阻礙了電流的增大，使得與線圈串聯的燈泡較慢發光的結論。接著學生繼續探究：開關斷開時，線圈對兩盞小燈泡的亮度變化影響情況。通過觀察兩盞小燈泡在開關閉合和斷開瞬間亮度變化情況、發光及熄滅先后順序等實驗現象，最終根據實驗規律分析得出：線圈的自感電動勢總是要阻礙導體自身的電流發生變化的實驗結論。

在整個研究分析過程中，學生要不斷動腦思考，動手操作實驗，觀察每次操作時的實驗現象及變化規律，并加工分析操作過程與觀察到的實驗現象之間的因果關系，再通過推理得出初步實驗結論。為了減少實驗誤差，保證實驗結論的正確性，學生還要改變實驗參數，多次重復進行實驗，對初步研究結論不斷論證，最終才能歸納總結出正確的實驗結論。這些實驗操作、實驗論證、歸納總結過程可以培養學生的信息加工能力和推理論證能力。

除此之外，在虛擬仿真實驗構建的理想化實驗環境里，軟件還模擬出電路短路燒毀電源，電流、電壓超出量程燒毀儀表的動畫效果。學生既不用擔心犯錯引起實驗器材的損壞，也不用擔心因錯誤操作引起危害自身安全的事故，還可以看到各種實驗成果。在虛擬仿真實驗系統的這些優勢條件下，學生可以利用虛擬仿真實驗平臺所給予的各種實驗器材，自主選擇所需要的實驗器材，充分發揮想象力，大膽創建各種場景，反復模擬操作各種實驗探究或驗證活動，創造性地對課本實驗進行更多嘗試。這種創造性的探究活動，既能滿足學生的好奇心，又培養了學生的發散思維能力和創新思維能力。

例如在“測量電源電動勢和內電阻”的實驗中，學生可以按照課本實驗步驟方法要求，使用常規的“伏安法”測量電源電動勢和內電阻，即使用電壓表和電流表配合測量。實驗過程還可以隨意設置元件參數，比如探究過程將電源電壓提高設置到6 V，此時連接電路時如果沒有注意電壓表或電流表選擇合適的量程，閉合開關后，就可能看到電壓表或電流表因超出量程燒壞冒煙的情景，學生無法繼續操作，只能重新開始實驗。這樣就會給學生留下較深印象，以后再遇到儀表的使用，都會注意正負極的連接、量程的選擇。這樣學生既掌握了知識，又不會造成實質性的損失，學生會更放心大膽地操作實驗繼續探究，為培養學生的創新性思維提供了條件。

在這個實驗中，學生可以不按照課本的常規實驗方法測量，自主選擇實驗器材：比如不用電壓表，使用“安阻法”進行測量;還可以選擇不使用電流表，使用“伏阻法”進行實驗測量。另外在實驗數據的處理上，測量出幾組實驗數據后，既可以使用公式法計算得出結論，還可以使用圖像法，在直角坐標系上用數據進行描點并連線，畫圖研究得出結論。這樣通過多種不同方法的實驗探究活動和多種方法的實驗數據處理過程，培養了學生的發散思維能力和創新思維能力。

可以看到，學生每次參與不同的虛擬仿真實驗過程，都會從多方面培養學生的物理學科思維能力，通過平時課堂對這些虛擬仿真實驗應用教學的過程，學生的各種物理思維能力不斷重復鍛煉，從而得到加強提升。

1.4? 虛擬仿真實驗提升學生物理學科思維的效果體現

利用行動研究法，教師有計劃地將虛擬仿真實驗應用到平時課堂教學中，觀察它對學生學習物理的思維能力的影響。通過教師平時教學過程對學生的觀察，以及對學生考試成績的變化進行對比分析，取得第一手研究資料，并進行歸納總結，進而得出研究的結果。

在研究初期筆者就對高二理科1班到4班四個平行班級的學生開展平行跟蹤研究工作。所選取的這四個班級學生物理成績平均分不相上下，教師把這四個班級分為兩組，1班和2班編為A組，3班和4班編為B組。平行跟蹤研究工作開始后，在平時的教學中，A組學生的物理課堂教學，教師利用中央電教館的虛擬實驗室平臺，盡可能地使用虛擬實驗進行輔助教學。而B組的學生則按照原來的常規方法進行教學。

經過一年的教學實踐，對學生的高二下學期期末物理考試成績，利用好分數軟件系統統計數據：A組平均分54.5分，B組平均分46.6分，A組優秀率7%，B組優秀率3%，A組及格率42%，B級及格率30%。對比分析發現，利用虛擬仿真實驗進行輔助教學的A組實驗班學生物理成績，在優秀率、及格率、平均分等各方面都明顯領先利用常規手段進行教學的B組的非實驗班學生成績。

在平時的教學活動中教師還發現，現在的A組高三1、2班的學生，不但學習成績領先，而且課堂發言更積極，思維上更為活躍。課堂上勇于提出自己對物理問題的獨特見解，在答題中時而會出現些高超的解題技巧。這些都是學生物理思維能力的體現，也與平時利用虛擬仿真實驗教學的情況是息息相關的。

1.5? 從學生角度，了解虛擬仿真實驗對培養學生物理學科思維的作用

為了進一步了解虛擬實驗在輔助教學中的應用效果。教師還通過問卷調查、與學生座談，從學生方面了解，它對提高學生學習興趣、改善學習能力的影響情況;以及對培養學生物理學科思維能力的影響情況。

本次調查問卷受調查學生為經過一年多虛擬仿真實驗教學的現高三學生，發出問卷100份，回收100份。現將問卷調查統計結果分析如下：

（1）在問卷中，95%的學生認為，在物理課上運用虛擬仿真實驗教學能極大地激發學習興趣，有了學習興趣，上課的注意力就會比較集中，就會增強課堂記憶效果，達成課堂目標。

（2）90%的學生認為，虛擬仿真實驗教學好處在于生動有趣，化抽象為形象，使教學內容更直觀明了，有利于理解原理。還可以增加課堂容量，提高課堂效率。

（3）81%的學生認為虛擬仿真實驗要與實際實驗相結合使用，虛實結合能彌補實際實驗的一些不足之處，發揮出最大的教學效果。

（4）92%的學生認為，虛擬仿真實驗教學對自己的空間想象能力、信息加工能力、模型建構能力、推理論證能力、發散思維能力、創新思維能力等的培養和開發有幫助，自己在物理學科思維能力上有了一定的提高。

2? 歸納總結

通過筆者近兩年的平行跟蹤研究發現：上課演示虛擬仿真實驗或學生自主操作實驗，利用真實實驗與虛擬仿真實驗輔助教學相結合的方法，一方面可以提升學生的實驗技能;另一方面可以培養學生空間想象能力、構建模型能力、信息加工能力、推理論證能力、發散思維能力、創新思維能力等，進而逐步提升學生物理學科思維。通過學生親身參與實驗研究過程，能提升學生對物理學科學習的興趣。因此，將虛擬實驗引入課堂，必將會優化傳統的教學模式和拓展課堂教學空間，能夠實現互動實驗教學，能最大限度地激發學生的自主實驗興趣，提高課堂實效，有利于培養和提高學生的物理學科思維。

因此，教師要積極使用虛擬仿真實驗進行輔助教學，優化物理課堂教學過程，提高課堂教學效果，讓虛擬仿真實驗技術更好地為教學服務。使學生多動腦思考、多動手實驗，培養學生的物理學科思維，提高學生的自主學習能力，使學生終身受益。

參考文獻：

[1] 曾峻. 虛擬仿真實驗教學理論基礎初探[J].教育教學論壇，2020（29） ： 391-392.

[2] 王會倩. 虛擬仿真實驗技術應用于物理實驗教學的理論與實踐研究[J]. 現代職業教育·中職中專，2019（17）：110-111.

[3] 梁俊敏. 物理科學思維培養的教學策略[J].廣西教育·B版，2018（1） ： 143-144.