虛擬仿真技術在初中物理實驗教學中的運用

摘 要：教師在初中物理實驗教學中運用虛擬仿真技術，能突破時空限制，有效提升教學效果。闡述了虛擬仿真技術的概念與特點，分析了虛擬仿真技術在初中物理實驗教學中的運用優勢，主要從新課導入、知識點講解、實驗演示三個方面探討了虛擬仿真技術在初中物理實驗教學中的應用策略，旨在為初中物理實驗教學提供新的教學思路與方法。

關鍵詞：虛擬仿真技術；初中物理；實驗教學

作者簡介：邵正雷（1985—），男，江蘇省如皋市搬經鎮常青初級中學。

在信息技術快速發展的背景下，虛擬仿真技術已成為教育領域的研究熱點。初中物理實驗教學是培養學生科學素養與實踐能力的重要途徑，因此教師要積極創新實驗教學方法，不斷提高實驗教學效果。本研究以虛擬仿真技術為切入點，探討其在初中物理實驗教學中的運用，希望能突破傳統實驗教學的限制，有效提升實驗教學質量。

一、虛擬仿真技術的介紹

（一）虛擬仿真技術的概念

虛擬仿真技術是指利用計算機技術來仿真模擬現實世界的實踐流程、現象演變和過程發展，能讓人們直觀理解事物的本質及發展規律。隨著計算機技術的快速發展，虛擬仿真技術逐漸成為一個獨立的學科領域，是人類探索自然規律的一個重要手段。虛擬仿真技術的應用范圍較廣，在車輛碰撞測試、化工和電力行業的操作實驗、教育教學等方面都有其身影。相較于傳統的實驗手段，虛擬仿真技術具有成本低、安全性高和靈活性高等優勢，能夠通過調整參數，迅速模擬多種實驗場景，進而有效提升實驗研究工作的效率。虛擬仿真技術不僅在科學研究領域占據重要地位，還在教育、醫療、軍事、娛樂等多個領域中展現出廣闊的應用前景，是推動科技進步的有力工具［1］。

（二）虛擬仿真技術的特點

虛擬仿真技術涉及傳感器技術、計算機圖形學及人機交互等多個領域的知識，具有沉浸體驗、交互性與創意想象三大特點。從沉浸體驗的角度來說，虛擬仿真技術能讓使用者仿佛進入一個真實的世界，并沉浸其中。從交互性的角度來說，虛擬仿真技術能讓使用者在虛擬環境中與計算機進行一系列互動，利用如語言識別、手勢識別等自然交互手段，靈活操控虛擬研究對象，完成對虛擬環境的深度探索。從創意想象的角度來說，虛擬仿真技術能輔助使用者在虛擬環境中完成邏輯推理與判斷預測等高級思維活動。

二、虛擬仿真技術在初中物理實驗教學中運用的優勢

（一）能創設更直觀的實驗情境

在初中物理實驗教學中，教師運用虛擬仿真技術能創設更直觀的實驗情境，讓學生獲得更好的實驗學習體驗。根據初中生的物理學習情況及新的物理課程標準的要求，教師應運用虛擬仿真技術，營造趣味盎然、生動活潑的學習氛圍。教師將虛擬仿真技術與物理實驗相結合，能更直觀地為學生呈現實驗內容。例如，在教學與光線反射有關的小實驗時，教師可引入虛擬仿真技術，讓學生更好地理解光線反射的特點和概念，活躍課堂氣氛，吸引學生的注意力。另外，教師在物理實驗教學中引入虛擬仿真技術，還能優化學生學習知識的模式，改變以往“教師講，學生聽”的教學方式，讓學生主動探究知識，幫助學生搭建更完善的物理知識體系。目前，我國的物理實驗教學還存在脫離情境的問題，教師較少結合情境開展實驗教學。教師在物理實驗教學中引入虛擬仿真技術，能有效呈現物理實驗過程，讓學生在具體的物理實驗情境中學習物理知識，體會實驗原理，掌握實驗方法，培養實驗思維，讓學生的物理實驗學習更加高效。

（二）有助于學生鞏固實驗知識

高效的物理實驗課程能夠讓學生親身體驗實驗過程，在實踐中理解物理原理，掌握實驗的操作步驟與方法，提升實踐操作能力和創新能力。在這樣的物理實驗課程中，學生不再是進行機械的模仿，而是進行有序的創新。在傳統的物理實驗教學中，受時間與實驗器材數量不足等因素的影響，部分學生可能無法在課上理解實驗原理，而在課下，他們也沒有相應的實踐機會，難以鞏固所學知識。而教師在物理實驗教學中引入虛擬仿真技術，不僅能夠讓學生直觀理解實驗內容，了解自己的不足之處，還能讓學生在課后重復進行實驗模擬，這樣能鞏固學生的知識基礎，激發學生的多元思考能力及其對物理實驗探究的興趣［2］。

（三）可突破空間與時間限制

借助虛擬仿真技術，教師可突破實驗教學空間與時間的限制，提高物理實驗教學的效率。一方面，借助虛擬仿真技術，教師能夠帶領學生開展一些在平時的物理課堂中無法進行的難度較大的實驗，如探究原子的結構、探究星體的運動軌跡等實驗；另一方面，教師在物理實驗教學中引入虛擬仿真技術，能夠縮減實驗所需的時間，節約時間成本，提升實驗教學的效率。

三、虛擬仿真技術在初中物理實驗教學中運用的策略

（一）新課導入中運用虛擬仿真技術

在新課導入階段，教師運用虛擬仿真技術，能帶領學生進入一個既廣闊又迷人的物理知識世界，激發學生的知識探究興趣，加深學生對相關概念和原理的理解。例如，在家庭電路相關知識的教學中，教師便可在新課導入階段引入虛擬仿真技術。雖然初中生對“電”這一概念并不陌生，但他們對電的理解并不深入，讓他們直接觀察或者操作真實的家庭電路較為危險。而僅憑教師的口頭描述和引導，學生又容易陷入認知誤區。對此，教師可引入虛擬仿真技術，讓學生通過虛擬實驗平臺仔細觀察家庭電路并進行相應的操作，模擬開展各種家庭電路實驗，如分析電流過大的原因、探究漏電保護器的功能等［3］，以此激發學生的學習興趣，加深學生對相應知識的理解。在虛擬實驗平臺中，學生能隨意調整各種實驗儀器的參數，不需要擔心儀器損壞或安全問題。比如，學生可利用虛擬實驗平臺探究電路相關知識，觀察電路接入高功率電器時保險絲熔斷的現象。通過這一虛擬實驗，學生能夠深入分析電路無法承受過大電流的原因。在學生探究的過程中，教師可以引導學生積極尋找保險絲熔斷問題的解決方法。有學生可能會提出更換能承受更大電流的保險絲，并重新閉合總開關。對此，教師可以讓學生自己在虛擬實驗平臺中嘗試，最終找到最佳的解決方案。

在物理實驗教學中，教師在新課導入階段引入虛擬仿真技術，不僅能解決教學資源匱乏的問題，還能有效避免學生在開展實驗時遇到危險，為學生營造更安全的學習環境。同時，這樣的教學還能激發學生的知識探究興趣，加深學生對相關知識的理解，提升學生觀察、分析和解決生活中物理問題的能力，培養他們的獨立思考能力。

（二）知識點講解中運用虛擬仿真技術

物理學科的知識具有較強的抽象性，對于初中生而言，理解起來具有一定的難度，因此初中物理教學的難度較大。教師合理地將虛擬仿真技術引入初中物理實驗教學，可創設真實且直觀的教學情境，加深學生對知識的理解。在講解物理知識，尤其是重難點知識時，教師可以借助虛擬仿真實驗創設直觀的教學情境，生動形象地呈現原本晦澀難懂的概念和原理，從而加深學生對相關知識點的理解。在模擬實驗情境中，學生能反復琢磨相關知識，觀察相關現象，這不僅能節約實驗材料和教學時間，減輕學生重復進行真實實驗操作的負擔，還能提高實驗效率，吸引學生的注意力，促使學生主動進行知識探究。

在初中物理實驗教學中，教師借助虛擬仿真技術能突破實驗教學難關。第一，虛擬仿真技術能準確地模擬物理實驗的過程及現象。對于那些在現實條件下學生難以直接開展或存在一定危險性的實驗，教師在教學時可借助虛擬仿真技術，讓學生直觀感知物理實驗現象與實驗場景，從而深化學生對相關知識的理解，幫助學生跨越物理實驗學習的障礙。例如，在內能相關知識的教學中，教師基本不會將汽油機帶入課堂，因此學生基本沒有機會親眼見到四沖程汽油機的工作狀態。而新的初中物理課程標準又要求學生掌握其工作原理，為此，教師在教學此知識點時便可以引入虛擬仿真技術，直觀展示其工作過程［4］。第二，虛擬仿真技術能將抽象的物理理論知識轉化為具體可感的實驗場景，提升學生的抽象思維能力。例如，在現實生活中，學生無法直觀感知微觀粒子的運動狀態。為此，在講解此知識點時，教師可運用虛擬仿真技術直觀呈現微觀粒子的運動軌跡，幫助學生建立相應的概念模型，讓他們更好地掌握這些知識。又如，在電磁相關知識的學習中，學生需要掌握磁感線的方向，但磁感線在現實中是看不見、摸不著的。對此，教師在教學時可引入虛擬仿真技術，直觀展示磁感線的分布情況，讓學生直觀地了解磁感線的分布規律。

在初中物理實驗教學中，教師借助虛擬仿真技術，不僅能使抽象的物理知識點變得具體可感，還能直觀展示難以直接觀察到的實驗過程和現象，為學生營造濃厚的學習氛圍，讓學生獲得更好的學習體驗，激發學生的學習興趣，提升他們的學習積極性，讓他們在享受物理學習的過程中，有效掌握重難點知識。

（三）實驗演示中運用虛擬仿真技術

中國人口較多，在基礎教育方面還存在一些不足，部分農村和經濟欠發達地區，教學設施較為落后，缺乏必要的物理實驗設備。因此，為了彌補教育資源的不足，突破教學條件不足的限制，教師在物理實驗教學中可以運用虛擬仿真技術。

隨著科學技術的發展，虛擬仿真實驗平臺功能逐漸完善，囊括了初中至高中的各類物理實驗，具有多樣的教學資源。虛擬仿真實驗平臺能為師生提供一個設計個性化實驗的平臺，允許師生根據自身的需求選擇實驗器材，設計獨特的實驗內容，開展個性化實驗。值得一提的是，虛擬仿真技術能夠幫助師生重現那些在實驗室難以重復的物理過程，為教學方式的多元化提供有力的支撐。

以光學相關實驗探究為例，盡管這些實驗具有較強的吸引力，但由于教學設施和實驗器材的缺乏，部分實驗無法在課堂中順利開展。而如果不能讓學生進行實驗操作，就很難激發其物理學習興趣，無法有效提升其物理實驗學習效果。比如，光的色散實驗需要實驗者使用三棱鏡或者衍射光柵折射光線，這對環境和光源有較高的要求。對此，教師可通過虛擬仿真技術模擬演示光的色散實驗，這樣不僅能夠呈現完整的色散圖譜，還能讓學生清楚觀察實驗現象，從而點燃他們的探索熱情。在此基礎上，教師讓學生進行相應的實驗操作，能有效促進學生自主探索能力和思維能力的提升。再如，“小孔成像”實驗比較適合在黑暗的環境中進行，但是教師通常只能在白天的課堂中使用蠟燭開展實驗，這會導致實驗現象不明顯。對此，教師可借助虛擬仿真技術，輕松模擬出黑暗環境，并增強蠟燭光亮，以此讓學生更清楚地看到相應的實驗現象。這種生動的物理現象可以加深學生對小孔成像原理及結論的理解［5］。

教師將虛擬仿真技術引入物理實驗教學，不僅能夠有效突破現實教學條件的限制，還能優化課堂教學模式，增強物理課堂的趣味性和互動性。

結語

本研究深入分析了虛擬仿真技術在初中物理實驗教學中的運用優勢與運用策略，旨在為一線教師提供有益的教學參考，幫助一線教師構建“互聯網+教育”課堂，促進信息技術與物理學科實驗教學的深度融合。在初中物理實驗教學中，教師通過運用虛擬仿真技術，能夠激發學生的學習興趣與探究欲望，提高學生的自主學習能力與創新精神，促進學生的全面發展。

［參考文獻］

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