虛擬實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

陳立峰

摘 要：實(shí)驗(yàn)探究是學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)獲取的重要手段與顯著標(biāo)志，因此成為教師普遍重點(diǎn)關(guān)注的問題。在開展高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，教師應(yīng)以實(shí)驗(yàn)效果優(yōu)化及學(xué)生能力發(fā)展為指向，增加虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。現(xiàn)重點(diǎn)論述虛擬實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用要點(diǎn)，包括學(xué)生興趣激發(fā)、實(shí)驗(yàn)主體輔助、關(guān)注知識要點(diǎn)，以及學(xué)習(xí)資源拓展等，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)虛擬實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵支持力量所可能發(fā)揮的無限潛能。

關(guān)鍵詞：高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬實(shí)驗(yàn)

在信息技術(shù)推動下，虛擬實(shí)驗(yàn)逐步進(jìn)入到髙中物理課堂，對于實(shí)驗(yàn)趣味性增加、實(shí)驗(yàn)便利度提升，以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)熱情的激發(fā)等，均可產(chǎn)生較好效果。所以高中物理教學(xué)中，教師需要提升虛擬實(shí)驗(yàn)的參與應(yīng)用認(rèn)知，合理結(jié)合教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)需求，不斷以虛擬實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與體驗(yàn)感。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵

虛擬實(shí)驗(yàn)意為操作者利用多樣的信息化技術(shù)形式，依靠在終端設(shè)備上研發(fā)與使用的模擬顯示虛擬平臺所完成的各種實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)往往可彌補(bǔ)受現(xiàn)實(shí)因素制約，各種實(shí)驗(yàn)不能完成或者完成效果不佳的不足，能夠幫助不理想條件下處理好實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、實(shí)驗(yàn)環(huán)境較差之類問題[1]。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上，學(xué)生能夠不受或者少受時間與空間限制，進(jìn)行更自由的實(shí)驗(yàn)操作與學(xué)習(xí)。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)時虛擬實(shí)驗(yàn)的使用優(yōu)勢

（一）實(shí)驗(yàn)成本的節(jié)約

傳統(tǒng)高中物理教學(xué)時，實(shí)驗(yàn)操作要利用實(shí)驗(yàn)器材來完成，但一些專業(yè)器材或者費(fèi)用較高，或者容易損壞，所以不能全部真實(shí)操作。虛擬實(shí)驗(yàn)可在很大程度上把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成本降下來，用器材信息科技數(shù)字化的做法，保證在節(jié)約成本的情況下，使課堂上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容都能被學(xué)生所感知。

（二）時空范圍的拓展

傳統(tǒng)高中物理教學(xué)時，由于受教學(xué)時間和空間所限，無法一次性使學(xué)生做有關(guān)物理學(xué)科課程操作學(xué)習(xí)。虛擬實(shí)驗(yàn)方式的運(yùn)用，可促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)達(dá)到數(shù)字化傳播效果，特別是能夠在時間上與空間上少受限制，只要課程教學(xué)有需要，便可由師生隨時做實(shí)驗(yàn)展示與操作。

（三）實(shí)驗(yàn)節(jié)奏的把握

傳統(tǒng)高中物理教學(xué)時，有些轉(zhuǎn)瞬即逝的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是不容易被觀察到的，此時虛擬實(shí)驗(yàn)操作形式可解決這一難題。即師生作為實(shí)驗(yàn)的操作者，可視情況需要，利用信息技術(shù)，用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象緩慢播放等形式把握實(shí)驗(yàn)節(jié)奏，這能夠讓學(xué)生更為有效地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、做好筆記記錄、完成理論思考。

三、高中物理虛擬實(shí)驗(yàn)方式使用的前期準(zhǔn)備

為了做好高中物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師應(yīng)做好充分的軟硬件及教學(xué)技術(shù)支持準(zhǔn)備工作，以便讓虛擬實(shí)驗(yàn)在后續(xù)發(fā)揮興趣激發(fā)及輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)等多項(xiàng)作用。

（一）對實(shí)驗(yàn)硬件的完善

虛擬實(shí)驗(yàn)通常需要得到硬件的有效支撐。在高中時期所涉及的虛擬實(shí)驗(yàn)硬件重點(diǎn)以計(jì)算機(jī)為主，據(jù)此，教師應(yīng)在教學(xué)前基于本次物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本內(nèi)容和拓展內(nèi)容，確認(rèn)所使用的計(jì)算機(jī)有關(guān)配置，以保證計(jì)算機(jī)性能足以支持有關(guān)物理實(shí)驗(yàn)的完整操作。與此同時，教師還應(yīng)基于學(xué)生情況，安排合適數(shù)量的計(jì)算機(jī)以及投影儀等配套設(shè)施，或者利用專業(yè)程度更強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室等。

（二）對實(shí)驗(yàn)軟件的安裝

高中物理虛擬實(shí)驗(yàn)需要得到專門的軟件支持，為此，教師應(yīng)留意軟件開發(fā)與使用方面的工作，即找到恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用軟件，且讓軟件在安裝后得到及時維護(hù)，以適應(yīng)此次教學(xué)需要。

（三）對虛擬實(shí)驗(yàn)對應(yīng)技能的提升

為了讓高中物理虛擬實(shí)驗(yàn)得以更為順利地向前推進(jìn)，教師要做好有關(guān)知識的學(xué)習(xí)，包括熟練掌握虛擬實(shí)驗(yàn)軟件操作技巧，明確應(yīng)使用何種與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的教學(xué)技能等，只有這樣才能在課堂上給學(xué)生以針對性更強(qiáng)的指導(dǎo)，幫助學(xué)生盡快適應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的操作，以此保障實(shí)驗(yàn)的高水平完成。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)

結(jié)合上面所述及的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時虛擬實(shí)驗(yàn)的使用優(yōu)勢，以及教師所做的充分虛擬實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，筆者認(rèn)為，高中物理教師可在教學(xué)時，使虛擬實(shí)驗(yàn)參與到學(xué)生興趣激發(fā)、輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)、關(guān)注知識要點(diǎn)、支持資源拓展等過程中來，以便讓學(xué)生得到更好的體驗(yàn)、更大的收獲。

（一）支持學(xué)生興趣的提升

基于上述使用優(yōu)勢，在物理課程教學(xué)時，虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用較為普遍，它不但可模擬平時生活中所難以看到的實(shí)驗(yàn)場景，而且能夠讓學(xué)生在虛擬狀態(tài)下提升對物理課程的認(rèn)知興趣[2]。具體講，很多虛擬實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)上體現(xiàn)出了極明顯的合理性，且在合理呈現(xiàn)物理內(nèi)容的同時保持了足夠的趣味性，讓某一物理原理或某些應(yīng)由學(xué)生展開探究的內(nèi)容，以較生動的形式有機(jī)融入于實(shí)驗(yàn)過程之中。受此影響，學(xué)生能夠于仿真動手時，充分發(fā)揮自身想象力和探究能力，使自我處于優(yōu)良的自主探究平臺之內(nèi)。

舉例而言，小電珠伏安特性曲線描繪便屬于一個很典型的虛擬實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)探究色彩顯著，若走真實(shí)實(shí)驗(yàn)流程開展則十分困難，很多過程是難以實(shí)現(xiàn)的，此時若把實(shí)驗(yàn)變?yōu)樘摂M形式，則會極大地簡化實(shí)驗(yàn)流程，將其中現(xiàn)象直觀呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使之感受到實(shí)驗(yàn)的趣味性。該實(shí)驗(yàn)原理在于借助電流表測量得到通過小燈泡的電流，借助電壓表測量得到小燈泡兩側(cè)電壓，在測量得到多組（U，I）值后，于U-I坐標(biāo)系內(nèi)給出各組的對應(yīng)點(diǎn)，以平滑曲線連接這些點(diǎn)，便為小燈泡伏安特性曲線。實(shí)驗(yàn)流程內(nèi)包括：按照小燈泡上所標(biāo)記的額定電壓與額定電流，尋找恰當(dāng)電源輸出電壓、電表量程；把電流表、電壓表、滑動變阻器，以及小燈泡、電源、開關(guān)等以導(dǎo)線相連接，組成要求電路；移動滑片至一側(cè)，閉合開關(guān)，進(jìn)行變阻器調(diào)節(jié)，得到多組（U，I）值并記錄；斷開關(guān)、拆電路。

本實(shí)驗(yàn)步驟并不十分復(fù)雜，原理及操作流程也易于為學(xué)生所掌握，若非依靠虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ桨逊蔡匦郧€研究過程全部呈現(xiàn)出來，學(xué)生極有可能會在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中因?yàn)槭ヅd趣，不能進(jìn)行多次數(shù)值記錄，由此導(dǎo)致知識點(diǎn)掌握的漏洞出現(xiàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，學(xué)生的多次操作興趣提升，而這種興趣提升的作用，在一些難度較大實(shí)驗(yàn)中同樣可以得到充分體現(xiàn)。

（二）作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的輔助

高中物理教師可本著虛實(shí)相結(jié)合的原則，靈活使用虛擬實(shí)驗(yàn)，使其通過輔助功能支持學(xué)生發(fā)展。

虛擬實(shí)驗(yàn)作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的輔助，其功能首先體驗(yàn)在設(shè)計(jì)方面。在多角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方面，虛擬實(shí)驗(yàn)便可起到較好的以虛輔實(shí)作用。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以為開展實(shí)驗(yàn)指明方向，學(xué)生需要做的是在實(shí)驗(yàn)之初即發(fā)現(xiàn)明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模_認(rèn)實(shí)驗(yàn)原理，依目的做實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)。這時教師可采取以虛輔實(shí)的做法，為學(xué)生提供不同角度、全方位的思路設(shè)計(jì)支持[3]。此時需要明確：虛擬實(shí)驗(yàn)所具有的輔助功能是可在多環(huán)節(jié)表現(xiàn)出來的，如可于提出問題、猜想與假設(shè)時表現(xiàn)；可于明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)原理時表現(xiàn)；可在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、完成預(yù)實(shí)驗(yàn)方面表現(xiàn)；可支持實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以及結(jié)論解釋說明，并在討論交流評估等方面發(fā)揮出作用。教師需要和大家共同做大膽創(chuàng)新，給出富于創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。舉例而言，當(dāng)作導(dǎo)體長度和直徑測量之際，教師可以利用虛擬化軟件，展示游標(biāo)卡尺等實(shí)驗(yàn)儀器的構(gòu)造細(xì)節(jié)，并讓學(xué)生完成測量工具使用步驟及正確讀數(shù)等方面的訓(xùn)練，這可以說是預(yù)實(shí)驗(yàn)角度的幫助。在進(jìn)行交流電教學(xué)時，則可利用虛擬實(shí)驗(yàn)所展示出來的手搖發(fā)電機(jī)立體構(gòu)造，帶動學(xué)生做實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面的深入思考，這是明確實(shí)驗(yàn)原理的幫助。總的說來，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路普遍由教師所提供，且常常以中規(guī)中矩、缺少創(chuàng)新的形式表現(xiàn)出來，而有虛擬實(shí)驗(yàn)輔助的，可由學(xué)生參與的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，則創(chuàng)新特色更為突出，學(xué)生能夠借助手機(jī)、平板或者電腦等載體，完成虛擬實(shí)驗(yàn)，再參照虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評估、交流，則可在此基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)物操作，從而挑選得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

其次，在實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)重視學(xué)生主體參與性，而自身則應(yīng)以從旁指導(dǎo)為主。在把實(shí)驗(yàn)主場交到學(xué)生手中之后，有一些具體問題需要大家解決，包括如何制訂表格？如何記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？如何使用儀器？如何規(guī)范操作？等等。為了達(dá)到理想實(shí)物實(shí)驗(yàn)效果，解決此處所提到的諸多問題，則同樣可重視虛擬實(shí)驗(yàn)的輔助功能，即利用一些以虛輔實(shí)的探究式實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，幫助學(xué)生建立起一套完善的探究程序，讓其以科學(xué)思維體系支配自主探究過程，最終做到收集可用證據(jù)、獲得真實(shí)數(shù)據(jù)、提取分析有效實(shí)驗(yàn)信息，以及以自己的語言或者文字、符號等將實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)出來[4]。舉例而言，教師可指導(dǎo)學(xué)生依靠虛擬仿真軟件，做實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合分析，并在計(jì)算處理后產(chǎn)生數(shù)據(jù)分析高效性的良好結(jié)果。

（三）作為知識要點(diǎn)的提示

高中物理教師在使用虛擬實(shí)驗(yàn)策略時，另一個側(cè)重點(diǎn)在于使此策略成為提示知識要點(diǎn)的方法。具體講，高中物理部分知識點(diǎn)比較抽象，對于學(xué)生接受而言難度較大，因此需要使學(xué)生不斷深入理解，才能接近預(yù)期目標(biāo)，并達(dá)到以不變應(yīng)萬變的效果。此時虛擬實(shí)驗(yàn)將產(chǎn)生化抽象為具象的作用，以幫助學(xué)生不斷突破認(rèn)知障礙，讓學(xué)生借此更為準(zhǔn)確地領(lǐng)會物理知識點(diǎn)本質(zhì)，提振其學(xué)習(xí)此物理知識點(diǎn)的自信心。舉例而言，對于“萬有引力定律”部分知識而言，和航天器變軌有關(guān)問題屬于萬有引力定律運(yùn)用的具體內(nèi)容，然而一些學(xué)生可能無法充分領(lǐng)會不同軌道上航天器的運(yùn)行參數(shù)變化，從而造成不能順利解決有關(guān)習(xí)題的情況發(fā)生。為了幫助學(xué)生順利突破這一知識要點(diǎn)，教師即可引入虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，借助軟件幫助，給學(xué)生創(chuàng)造有關(guān)實(shí)驗(yàn)，用于進(jìn)行不同軌道上的航天器運(yùn)行情境模擬，學(xué)生將因此看到：航天器先沿近地軌道運(yùn)行，接下來點(diǎn)火進(jìn)入橢圓軌道，再關(guān)火沿橢圓軌道運(yùn)行，最后點(diǎn)火進(jìn)入遠(yuǎn)地軌道。整個虛擬展示過程中，航天器運(yùn)行有關(guān)參數(shù)一一顯示，學(xué)生將看到運(yùn)行線速度、角速度以及向心加速度和機(jī)械能等多項(xiàng)內(nèi)容，各項(xiàng)知識要點(diǎn)將一一澄清。

在學(xué)習(xí)知識要點(diǎn)時，學(xué)生難免會發(fā)生認(rèn)知錯誤，此時虛擬實(shí)驗(yàn)則可發(fā)揮出分析錯因、導(dǎo)向正路的作用，這將幫助學(xué)生顯著改善物理實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力。舉例而言，電表改裝屬于高中階段電學(xué)實(shí)驗(yàn)時的一項(xiàng)重要內(nèi)容，該內(nèi)容所涉及的知識點(diǎn)相對零碎，對學(xué)生分析問題、解決問題的能力提出了較高要求。部分學(xué)生可能無法正確領(lǐng)會改裝原理，并在器材選取和誤差分析方面掌握不夠牢固，或在測試時失分較多。教學(xué)時教師可基于這些易錯點(diǎn)引導(dǎo)大家使用虛擬實(shí)驗(yàn)形式進(jìn)行相關(guān)操作，包括把表頭改裝為電流表、電壓表或者多用表等。教師應(yīng)保證學(xué)生以具體操作解決易錯點(diǎn)的時間足夠充裕，鼓勵其一面操作一面反思，從而總結(jié)技巧、發(fā)現(xiàn)錯因。經(jīng)過這種持續(xù)性的糾錯訓(xùn)練，學(xué)生將比較深刻體會到電表改裝原理本質(zhì)，并熟練掌握與之有關(guān)的實(shí)驗(yàn)技巧[5]。類似虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐顯示：利用虛擬實(shí)驗(yàn)形式，既可確保電學(xué)實(shí)驗(yàn)安全推進(jìn)，又能達(dá)到較為理想的學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ?xùn)練效果，使之牢固掌握實(shí)驗(yàn)知識。

（四）提供可供課外探究的拓展資源

在課程標(biāo)準(zhǔn)中，提倡學(xué)生多動手參與實(shí)驗(yàn)，而在課業(yè)壓力繁重情況下，在課上的實(shí)驗(yàn)室場景下對目標(biāo)內(nèi)容一一探究是不現(xiàn)實(shí)的。因此對于可由學(xué)生自主完成的內(nèi)容，教師便可發(fā)揮出虛擬實(shí)驗(yàn)操作形式的輔助功能，讓學(xué)生從中尋找資源和靈感，完成符合自身需要的探索任務(wù)。

首先，由于虛擬仿真軟件所具有的強(qiáng)大功能，且普遍可以做力學(xué)、電磁學(xué)、流體、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等諸多方面模擬仿真，因此教師可從課堂之外的一些生活現(xiàn)象中尋找實(shí)驗(yàn)素材，以虛擬形式把問題展示出來，接下來可引導(dǎo)學(xué)生一面發(fā)散思維，一面模擬假設(shè)，以課外研究的做法解決這些問題[6]。

其次，教師還可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)軟件內(nèi)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼{(diào)整、修改，使之成為課外探究資源的一部分下發(fā)給學(xué)生。舉例而言，COMSOL（多物理場仿真軟件）等軟件即能夠按照所給模型，構(gòu)建形成App，讓學(xué)生在此App內(nèi)完成與課內(nèi)教學(xué)有關(guān)拓展探索活動，并在活動持續(xù)過程中不斷提供理論與實(shí)踐相結(jié)合、科學(xué)與技術(shù)相整合的契機(jī)，以滿足學(xué)生課堂外進(jìn)一步的科學(xué)探究需要。

結(jié)束語

虛擬實(shí)驗(yàn)具有多種優(yōu)勢，包括實(shí)驗(yàn)效果較好、實(shí)驗(yàn)操作方便等，因此可以在高中物理教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。對于教師而言，理應(yīng)重視虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，并將其合理應(yīng)用于學(xué)生興趣激發(fā)、實(shí)驗(yàn)主體輔助、關(guān)注知識要點(diǎn)以及學(xué)習(xí)資源拓展等多個方面。在此過程中，教師需要明確以虛擬實(shí)驗(yàn)支持教育與學(xué)習(xí)創(chuàng)新適度性，以便讓其效能發(fā)揮至最佳。

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