結合虛擬實驗優化初中物理教學

【摘要】初中物理實驗具體包括測量、演示、探究、設計以及操作等多種類型實驗形式，每一種實驗形式需要的實驗理論不同，實驗過程也存在差異，所以需要學生具備較強的實驗能力。目前，因學生存在一定差異，雖然接受同樣的實驗理論和技能教學，但表現出的實驗能力相差較多，不利于學生全面發展。而虛擬實驗是借助信息技術實施開展的一種實驗形式，不僅能有效減少實驗經費支出，同時也能讓物理實驗更直觀、更具體、更高效。因此，初中物理教師應重視將虛擬實驗應用到初中物理教學中。

【關鍵詞】虛擬實驗? 初中物理? 教學

【中圖分類號】G633.7 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2024）05-0178-03

虛擬實驗是一種利用計算機技術模擬實驗過程，讓學生可以在虛擬環境中完成實驗操作的實驗方式。學生可在虛擬實驗中獲得與實際實驗相同的實驗操作體驗，進而有效培養鍛煉學生的實驗能力，促進學生物理理論與實踐技能的整體提高。因此，初中物理教師應重視結合虛擬實驗優化初中物理教學，讓虛擬實驗的教育優勢和價值在初中物理教學中得到充分體現，助力學生物理實驗操作能力提高，物理核心素養由此培養發展。

一、結合虛擬實驗優化初中物理教學的重要意義

（一）提高實驗數據準確度和實驗操作成功率

物理是一門與現實生活聯系緊密的學科，許多物理學知識與學生熟悉的現實生活相關，所以大部分學生會結合現實生活經驗探索認知物理學知識，雖然學生的這種學習方法可以降低物理學習難度，但同時也會讓學生的一些片面認知影響其在物理實驗中的觀察效果。虛擬實驗借助計算機技術可為學生提供虛擬實驗環境、實驗設備，組織學生進行虛擬實驗操作。此時學生不僅可以獲得與實際實驗相同的實驗結果，同時也可以更加直觀地觀看實驗現象，尤其是一些實驗現象變化不明顯，或者是消失速度較快的實驗現象。當學生因虛擬實驗而對實驗現象有進一步的整體觀察后，學生會反思自己的現實認知，進而端正實驗態度，客觀地操作實驗，記錄實驗數據。此時，實驗數據準確度會被有效提高，實驗操作成功率大大提升。

（二）提高學生實驗參與興趣并開闊學生視野

初中物理教學中實驗的占比很大，幾乎所有的教學內容都能進行實驗操作，但傳統的實驗形式多為演示類、測量類的簡單實驗，學生的實驗參與興趣度不高，師生互動效果不理想，影響物理實驗教學質量和效率。虛擬實驗是依托于計算機技術開展的創新型實驗形式，與傳統實驗教學有著明顯區別，更直觀、更具體、更形象，可以有效激發學生的實驗參與興趣，推動學生主動參與到實驗操作與探索中。此時，受實驗參與興趣影響，學生將主動觀察實驗現象，分析探究實驗原理，并嘗試將與本次實驗相關的知識和技能運用到實驗中。虛擬實驗讓學生的大膽猜測變成可能，讓學生感受到科技前沿技術的力量，使學生的實驗視野、學習視野有效開闊，讓學生相信未來有諸多可能，應努力學習，持續加油。

（三）彌補物理理論教學不足并打破時空限制

在傳統物理實驗教學中，教師需要向學生一邊講解理論知識，一邊進行實驗演示，理論教學中的一些知識很難在實際實驗中展現，存在一定的教學不足。虛擬實驗可以有效彌補物理理論教學不足。在虛擬實驗教學中，教師帶領學生進行虛擬實驗，以問題啟發學生進行大膽的實驗操作，學生通過對比物理理論知識進行實驗結論探索，讓學生可以一邊實驗一邊梳理理論知識之間的聯系，這為物理基礎概念框架和物理專業知識進一步融合奠定基礎，形成一個較為完整的知識體系和學習框架。與此同時，虛擬實驗作為一種新型的實驗教學方式之一，可以有效打破時間與空間的限制，在課堂教學中就可以充分開展虛擬實驗，而無需組織學生進入物理實驗室進行實驗操作，那么課堂教學效果，尤其是實驗教學效果會因此而大大提升。

二、結合虛擬實驗優化初中物理教學的主要策略

（一）巧用虛擬實驗，導入新知

在初中物理教學中，新知教學很關鍵，一方面決定新知與舊知的銜接質量和效果，另一方面決定學生物理學科核心素養的形成發展。初中物理知識難度是逐步增加的，開始時的知識內容較為簡單，學生可借助生活經驗有效學習理解，后期的物理知識開始逐步抽象難理解，大部分學生多依靠死記硬背的方式來記住新知，這種學習方法不僅影響學生的學習質量，還影響學生的學習心情。虛擬實驗是一種依托于計算機技術開展的實驗操作，不受時間和空間限制，可在課堂教學中隨時應用。為此，初中物理教師應重視巧用虛擬實驗導入新知，讓學生對物理學科知識有更深入了解，進而自主學習探索。例如，在“串并聯電路”相關知識學習中，這部分知識與學生之前學習的物理知識有一定差別，這部分物理知識的實驗現象并不能依靠肉眼看見，且知識內容有一定的邏輯性和抽象性特點，學生很容易混淆串聯與并聯知識內容，在實驗操作時容易出現錯誤和失敗[1]。此時，教師可借助虛擬實驗的可操作、可直觀、可隨時進行等優勢特點組織進行“串聯與并聯電路區別”的探索虛擬實驗。在虛擬實驗教學中，教師先設計一些具有探究啟發作用的教學問題，如“串聯電路與并聯電路的區別和相同點都是什么？”“一個閉合電路系統中可以同時存在串聯和并聯電路嗎？”在問題的啟發與引導下，學生進行思考，然后將自己的思考結果通過虛擬實驗進行驗證，讓學生知曉在一個閉合電路系統中，串聯和并聯電路既有相同點，也有異同點，二者也可以同時存在在一個閉合電路系統中，發揮同樣的導電作用。在虛擬實驗的幫助和指導下，教師輕松地完成新知的導入教學，學生也能在虛擬實驗的幫助下深入理解串并聯電路的性質與特點，加深電路知識認知，建構初步的知識框架，為后續復雜的電路知識學習奠定扎實基礎。

（二）善用虛擬實驗，激發興趣

在初中物理教學中，教師需要經常性地帶領學生進行實驗操作，從而探索得出物理實驗結論，更深入地學習和掌握物理知識，但由于實驗操作課時安排有限，且實驗設備和材料準備不足，多需要幾名學生共同完成一項實驗任務，學生的實驗興趣很難因此形成。虛擬實驗具有實驗器材豐富，實驗操作靈活，可對某一個實驗操作重復多次或者是進行多次的實驗猜想與驗證，大大提高實驗的可操作性，讓所有學生都能參與到實驗活動中。為此，初中物理教師應重視善用虛擬實驗來激發學生的學習興趣。例如，在“平面鏡成像”相關知識教學中，學生需要學習較多的光學知識，同時利用其他物理知識進行光學知識的分析與探索，這就表明這部分知識的學習難度較大，需要學生擁有扎實的物理基礎。但由于學生個體存在差異，并不是所有學生都能牢牢掌握相關知識。所以，教師利用虛擬實驗的可操作性和便利性等特點，組織學生探究平面鏡成像中物體位置的擺放與物體成像大小之間的關系。教師因善用虛擬實驗，有效激發學生探索實驗的興趣和熱情，使學生可以重復多次地進行實驗猜想驗證，在不斷的猜想、驗證、再猜想、再驗證中梳理出知識的形成過程規律，明白物體位置的變化與成像的大小有直接關系。虛擬實驗教學中，教師鼓勵學生使用多種實驗材料和工具進行實驗猜想與驗證，有的學生選擇蠟燭，有的學生選擇木棒，還有的學生將自己的手作為實驗材料進行實驗猜想與驗證[2]。班級中學生進行實驗假設與驗證后，得出相同結論，此時學生從虛擬實驗中獲得成就感和自信心，其學習興趣自然因虛擬實驗而得到有效激發。

（三）利用虛擬實驗，強化記憶

在初中物理教學中，大部分的知識內容都需要記憶掌握。大部分學生都采用背誦的方式加強記憶，但在實際應用這些物理知識解決問題時發現，知識記住了但不會用。為有效解決這一現狀問題，初中物理教師應重視利用虛擬實驗指導學生有效記憶，強化記憶。例如，在“機械效率的影響因素”相關知識教學中，教師為讓學生扎實記憶這部分知識內容，可以組織學生選擇適合的實驗材料和工具進行虛擬實驗學習。在虛擬實驗中，學生選擇了小木塊、木質平板以及多個粗糙度不同的材料。在具體的虛擬實驗操作中，學生先確定一個傾斜角度，將木質平板的一端固定在地面上，另一端按照確定的傾斜角度抬高，形成一個傾斜面。接著，學生在這個木質平板上鋪上最細的材料，將小木塊放在這個材料上，使用彈簧測力計測量勻速上升的測值讀數[3]。此后，學生將木質平板上的鋪設材料依次換成不同粗細程度的材料，采取同樣的測量方式測量小木塊勻速上升的測值讀數。學生將獲得的測值讀數整理到表格中，進行比對分析，其將對影響機械效率的因素都有哪些有一個直觀印象，再借助虛擬實驗的便利操作特點繼續其他材料的實驗操作，會讓學生對這部分知識加深理解和認知，強化記憶。

（四）創新虛擬實驗，指導探究

在初中物理教學中，探究性實驗的存在價值很高，有助于學生探究思維和邏輯思維的形成發展，為學生物理核心素養培養形成做好鋪墊。由于實際操作的探究性實驗結論容易受外部環境及學生的操作規范程度影響而導致實驗結果不精準，所以初中物理教師可創新虛擬實驗，指導學生有效探究[4]。例如，在“凸透鏡成像”相關知識教學中，教師就創新虛擬實驗，指導學生對比實際使用凸透鏡和虛擬實驗使用凸透鏡來探索研究凸透鏡成像原理，發現物理本質與規律。在實際教學中，教師先讓學生實際觀察凸透鏡的外形特征，讓學生對凸透鏡的物理表象有一個清晰認知，明白凸透鏡的基本構成都有哪些。接著，教師組織學生參與虛擬實驗。在虛擬實驗中，學生可以直觀看到實驗材料和設備，明確實驗的整體流程，知曉參與實驗的材料大小、高矮、粗細等并不會對實驗結論產生影響，但實驗材料與凸透鏡的位置變化會對實驗結果產生影響。為有效指導學生進行實驗探究，教師讓學生先進行實際實驗操作，然后記錄實驗結論。接著再進行虛擬實驗操作，不斷增加或者減少實驗材料與凸透鏡之間的距離，觀察并探究虛像與實像之間的間距變化對實驗結果的影響。此外，因虛擬實驗擁有豐富的實驗材料，且人人可操作實驗，所以班級中所有學生都能對虛擬實驗和實際實驗之間的差別進行比對探究，得出學習探究結論，增強學習效果。

（五）借助虛擬實驗，培養思維

在初中物理教學中，培養學生的物理思維是學科教學的終極目的，只有讓學生在學科知識學習過程中形成良好的學科思維，才能讓學生在學科思維的影響下進行問題的有效探索和分析，最終培養形成學習能力。初中物理實驗類型有許多，驗證型實驗是其中的一種，對學生邏輯思維和歸納總結能力培養有積極作用。但由于實際開展的驗證型實驗受開展條件限制，并不能讓學生充分地進行驗證實驗，所以學生的學科思維培養受到影響。因此，初中物理教師應重視借助虛擬實驗順利培養學生的物理思維[5]。例如，在“電學”相關知識教學中，教師為了通過電學知識教學有效培養學生的物理思維，實施虛擬實驗教學指導。初中階段學生需要學習掌握的電學知識主要為電荷、電場和電勢、電流和電路、電阻、歐姆定律、電功率以及電磁感應等。這些知識內容的學習有助于學生更深入地理解電路相關知識，助力學生物理學科思維培養形成。但由于電學知識都看不到、摸不到，所以在對學生進行思維培養時存在一定難度，不利于學生進行知識與知識之間關系的有效探索。于是，教師借助虛擬實驗進行知識的有效驗證學習。在虛擬實驗中，學生可將自己的實驗猜想和實驗設計借助虛擬實驗操作檢驗，然后得出實驗結論。在虛擬實驗中，并不存在干擾因素問題，即使學生的實驗操作步驟錯誤也能在即時調整后，重新繼續實驗，所以在相同時間內，學生可以進行多個虛擬實驗驗證自己的設計和猜想，讓學生的物理思維因豐富的實驗操作而不斷變得清晰，讓學生更深入地理解物理知識，掌握物理技能，同時更能在潛移默化中讓學生形成“物理知識需要不斷探索”的學習思維，為學生物理思維培養形成奠定扎實基礎。

三、總結

綜上分析可知，虛擬實驗作為一種借助計算機技術實施實驗操作的實驗方式，有著實際實驗方式無可比擬的優勢，將虛擬實驗應用到初中物理教學中，具有積極的教育意義。首先物理實驗數據準確度和實驗操作成功率明顯提高，其次學生的實驗參與興趣提升，學生視野開闊，最后物理理論教學不足也會得到彌補。由此，初中物理教師可積極結合虛擬實驗開展教學，導入新知、激發興趣、強化記憶、指導探究，順利培養物理思維，全面培養提高學生綜合能力。

參考文獻：

[1]吳福壽.借助虛擬實驗? 優化初中物理教學[J].中學課程輔導，2023（35）：117-119.

[2]劉曉強.結合虛擬實驗優化初中物理教學[J].中學課程輔導，2023（25）：48-50.

[3]楊永吉.結合虛擬實驗優化初中物理教學[J].中學課程輔導，2022（32）：51-53.

[4]王燕.結合虛擬實驗優化初中物理教學[J].科學咨詢，2022（2）：208-210.

[5]趙丹丹.結合虛擬實驗優化初中物理教學[J].文理導航，2020（5）：18-19.

作者簡介：

馬維榮（1984年—），男，漢族，甘肅天祝人，本科學歷，中小學高級教師，研究方向：初中物理教育教學。