虛擬仿真技術助力高中物理實驗可視化教學

李毓 崔北元 黃振俠

［摘 要］傳統(tǒng)的高中物理實驗教學在資源、設備、安全等方面存在一些欠缺。采用虛擬仿真技術可基本解決傳統(tǒng)實驗教學的問題，實現(xiàn)高中物理實驗可視化教學，為高中物理教學提供一種新的途徑，幫助學生理解科學原理，培養(yǎng)學生的解決問題能力和創(chuàng)新能力。

［關鍵詞］虛擬仿真技術；高中物理實驗；可視化；NB實驗

［中圖分類號］? ?G633.7? ? ? ? ? ? ［文獻標識碼］? ?A? ? ? ? ? ［文章編號］? ?1674-6058（2023）24-0046-03

實驗是物理的基礎，也可以說是物理學科的靈魂所在。因此，學生對物理實驗原理的理解程度、實驗操作設計的熟練程度、數(shù)據(jù)分析能力的強弱，是直接影響學生科學素養(yǎng)發(fā)展、理性思維養(yǎng)成和創(chuàng)新意識培養(yǎng)的重要因素［1］。

一、傳統(tǒng)高中物理實驗教學的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的高中物理實驗教學面臨著多種挑戰(zhàn)。在實驗準備環(huán)節(jié)，任課教師首先要準備好所需的實驗器材，并且盡可能多次進行預實驗來應對學生在實驗過程中可能出現(xiàn)的各種問題，這將耗費教師大量的時間和精力。在一些物理教師人員不充足的學校，加之教師的課時量大，導致部分教師沒有時間和精力再安排學生實驗。在實驗操作環(huán)節(jié)，需要有足夠的實驗器材。由于經(jīng)濟條件有限，部分地區(qū)學校無法湊足實驗器材，導致實驗教學無法進行。而就算是實驗器材能夠備足，實驗室也需要配備專門人員來保障實驗過程的安全，即既要盡量防止實驗儀器的損壞，又要避免安全事故的發(fā)生。另外，有很多高中物理實驗在現(xiàn)實環(huán)境下很難得到比較明顯或者理想的實驗結(jié)果，需要在理想狀態(tài)下才能實現(xiàn)，比如伽利略理想斜面實驗、牛頓管實驗、微小形變的演示等。而傳統(tǒng)實驗方式的這些不足，可用虛擬實驗來彌補。NB物理實驗是一種利用計算機的科學算法和大數(shù)據(jù)為技術基礎實現(xiàn)的新型實驗方式，它已成為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的一項非常重要的應用成果。NB物理實驗采用的虛擬仿真技術能夠為高中物理實驗的可視化教學帶來強有力的助力，也將成為教育信息化服務于物理實驗教學的重要手段。

二、NB物理實驗介紹

NB物理實驗（見圖1）是一款專門為中學物理教學打造的虛擬仿真實驗室軟件，覆蓋了初、高中各版本物理主流教材中的力學、電學、電磁學、光學、聲學、熱學等領域的所有典型實驗和探究實驗。該軟件包含“經(jīng)典實驗”和“DIY實驗”兩個主要模塊。

“經(jīng)典實驗”主要由實驗目的、實驗器材、實驗步驟和實驗結(jié)論四個部分組成。用戶可以根據(jù)軟件提供的實驗器材和實驗步驟進行實驗操作和探究，以驗證實驗原理。

“DIY實驗”是NB物理實驗的一個特色功能，“DIY實驗”包含初、高中物理所有實驗器材，是由電學、力學、光學、電磁學等多種物理“引擎”開發(fā)而成。用戶能夠按照自己的實驗需要自行設計，從實驗思路的設計到實驗器材的選擇、實驗儀器的搭配和組裝、實驗方案的創(chuàng)新，甚至是實驗結(jié)果的論證都可以在NB物理實驗中實現(xiàn)［2］。

相比傳統(tǒng)的實驗方式，NB物理實驗可以幫助教師和學生解決一些實驗問題，如彌補實驗器材不足、確保實驗安全、呈現(xiàn)只有理想條件下才能實現(xiàn)的實驗等。虛擬仿真實驗技術的應用使得高中物理實驗教學更加可視化，更加生動形象，使學生能夠深刻地理解物理知識，提高科學素養(yǎng)，發(fā)展理性思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識。因此，虛擬仿真實驗教學已成為教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內(nèi)容，正在被越來越多的學校推廣應用。

三、NB物理實驗助力高中物理實驗的可視化教學

（一）NB物理實驗彌補器材不足

NB物理實驗涵蓋了初、高中物理所有實驗器材，可供物理教師根據(jù)課程內(nèi)容有針對性地選擇實驗器材開展實驗教學，彌補傳統(tǒng)實驗教學中器材不足的問題。無論是在家中還是在學校，教師都可以通過軟件進行備課，隨時調(diào)取所需實驗器材，節(jié)約備課時間，提高備課效率。例如，在教學電磁學內(nèi)容時，教師可以從NB物理實驗的電磁學器材（見圖2）中實時調(diào)取庫侖扭秤實驗裝置、手搖發(fā)電機、變壓器等，讓學生直觀地感受實驗現(xiàn)場。又如，在向心力實驗中，向心力演示器并不是所有地區(qū)、學校都有，但通過NB物理實驗，教師可以向?qū)W生直觀地介紹向心力演示器（見圖3）。

傳統(tǒng)實驗所用的器材和設備價格昂貴，且數(shù)量和種類有限。使用虛擬仿真實驗軟件進行教學，不僅成本低，而且軟件中的實驗器材可以無限重復使用。此外，學生可以親自嘗試實驗，加深理解。

（二）NB物理實驗使實驗可視化

NB物理實驗能夠生動、逼真、立體地展現(xiàn)實驗過程，使抽象的實驗變得具象。教師可根據(jù)教學需求，有效應用NB物理實驗，提高教學效果。而一些復雜、危險或在傳統(tǒng)實驗中無法完成的實驗，都可以在NB物理實驗中進行。通過NB物理實驗，教師再也不必因傳統(tǒng)實驗的欠缺問題而讓學生錯失體驗實驗樂趣的機會。

例如，在真實實驗中由于空氣阻力因素的影響，彈簧振子無法完美呈現(xiàn)，但是在NB物理實驗中卻可以精準模擬（見圖4）。又如，由于周圍環(huán)境的影響，在真實環(huán)境下進行電荷守恒規(guī)律研究的定量分析十分困難。而通過NB物理實驗則能輕松實現(xiàn)電荷守恒規(guī)律的演示。此外，當研究力的作用效果時，通過NB物理實驗驗證壓力對桌面、玻璃瓶等物體所造成的微小形變（見圖5），可以幫助學生突破認知盲區(qū)，深化學生對力的作用效果的認識。

（三）NB物理實驗解決實驗安全問題

從傳統(tǒng)的真實實驗情境來看，在高中物理實驗室中有可能會出現(xiàn)的安全問題有以下幾個方面。第一，觸電風險。很多高中物理實驗涉及電的使用。如電磁學、力學、運動學（打點計時器）方面的實驗。第二，擊打傷害。高中物理實驗中會涉及許多力學知識，其中物體飛濺會帶來擊打傷害。比如力學實驗中一些配重物發(fā)生碰撞，運動軌跡變化而引起安全事故。第三，火災風險。在一些高中物理實驗中，尤其是在電學實驗中，會有測電阻的實驗。如果沒有操作好，可能會因為導線過熱而引發(fā)火災。NB物理實驗中的虛擬環(huán)境，完全不會出現(xiàn)這類問題，學生可以大膽嘗試，無須小心翼翼。教師的準備工作也大大減少，從而有更多的時間和精力鉆研教材、研究教法，保證教學的順利開展。

（四）利用NB物理實驗自主探究

在NB物理實驗這個智能化、完全開放式的實驗環(huán)境里，學生能自由創(chuàng)建實驗、自主探究物理規(guī)律，能從觀察到的許多物理現(xiàn)象中產(chǎn)生一個個問題，從而激發(fā)強烈的學習欲望，積極主動地學習。NB物理實驗能夠促使學生勇于探索、創(chuàng)造并激發(fā)其追求真理的精神，長此以往，學生就可以領悟出自己的一套思維方法。在NB物理實驗中，學生能夠突破教師教學進度的限制，甚至突破現(xiàn)有教材的限制，玩轉(zhuǎn)物理。

此外，學生在NB物理實驗里搭建的實驗還可以導出，脫離實驗平臺單獨運行，便于隨時隨地觀看、留存，從而成為寶貴的多媒體教學素材。

四、傳統(tǒng)真實實驗與虛擬實驗的關系

NB物理實驗目前以虛擬仿真技術的形式在物理實驗教學中應用，它能夠把理論和實驗教學有機地結(jié)合起來，幫助教師依據(jù)科學探索及研究過程逐步開展教學，對于學生視野的開闊、實驗興趣的提高起到很大的促進作用。但即使NB物理實驗具備這樣的優(yōu)勢，因傳統(tǒng)實驗和其操作是完全不同的，不一樣的操作感覺會讓學生在腦海中形成不一樣的實驗認知，對此教師不要一味地在教學中圖省事而直接用NB物理實驗來完全替代真實實驗。教學中，教師應充分考慮實驗方式的選擇，將兩者形成相互補充、相輔相成的局面作為重要參考依據(jù)［3］。例如，在課前預習環(huán)節(jié)及課后鞏固時，教師可以安排學生使用NB物理實驗，這樣能夠避免一些因操作不當而造成安全事故的問題。有些測量類的實驗，比如游標卡尺、螺旋測微器、多用電表的使用，則可安排真實實驗。一些在真實環(huán)境下無法完成的實驗，比如簡諧振動的演示、伽利略理想斜面實驗等，可使用NB物理實驗來完成。總之，NB物理實驗應建立在真實實驗基礎上，而NB物理實驗也應成為真實實驗的重要補充和主要便捷途徑。在教學中只有兩者相輔相成、互相補充，才能獲得更好的教學效果。

NB物理實驗是現(xiàn)代信息技術環(huán)境下衍生發(fā)展的一種虛擬仿真實驗技術的產(chǎn)物，作為一種新的物理實驗教學模式，它可以幫助教師解決很多日常實驗教學中難以解決甚至無法解決的問題［4］。如果能夠合理地利用NB物理實驗，將會對高中物理實驗教學的優(yōu)化、高中物理實驗教學的效率及質(zhì)量的提高產(chǎn)生積極深遠的影響，但絕不能“為用而用”，要根據(jù)具體的物理實驗類型、實驗功能、實驗特點和要求，從實際出發(fā)找NB物理實驗和傳統(tǒng)實驗的切入點，把握好“適時”“適度”。如何才能把NB物理實驗與傳統(tǒng)實驗完美地融合到一起？如何才能在運用好系統(tǒng)思想和方法的情況下，研究并能設計具體物理實驗教學系統(tǒng)的具體步驟、環(huán)節(jié)，實現(xiàn)兩者的有機融合？這些將會成為未來物理教育教學技術研究的又一個具有重要意義的課題。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 張永輝.基于NB虛擬實驗的初中物理有效教學探討［J］.西藏教育，2019（1）：21-23.

［2］? 舒莉莉. 交互仿真支持高中力學概念理解的探究式教學模式構(gòu)建與應用［D］.濟南：山東師范大學，2022.

［3］? 馮長江，陳月魁. 論仿真實驗在實驗教學中的地位和作用［J］.北華航天工業(yè)學院學報，2010，20（增刊1）：14-16.

［4］? 馬琦.利用NB虛擬實驗助推物理實驗教學［J］.吉林省教育學院學報，2018（8）：5-8.