物理虛擬實驗教學助力拔尖創新人才培養

中央電化教育館中小學虛擬實驗教學服務系統（簡稱“央館虛擬實驗系統”融合人工智能、虛擬現實等前沿數字技術，能突破傳統中學物理教學中實驗設備不足、操作安全風險高、個性化指導滯后等限制，為學生提供沉浸式、具身化的學習體驗，促進學生萌發科學思維，提升科學探究、邏輯推理、實踐應用等能力，發展科學核心素養。本文以人教版物理九年級下冊第十五章第一節《兩種電荷》教學為例，闡述如何借助央館虛擬實驗系統，通過“吸引—探究—解釋—遷移—評價\"教學路徑，為拔尖創新人才培養賦能。

吸引：創設真實情境，促進科學思維萌發

科學思維是物理核心素養之一，其培養始于學習興趣與好奇心的激發。教師借助央館虛擬實驗系統可以構建高度仿真的沉浸式教學情境，將抽象的物理概念和原理轉化為可視、可交互的學習場景，通過豐富的視覺體驗激發學生學習興趣與好奇心，促使學生進入心流狀態，萌發科學思維。這與建構主義學習理論所強調的在真實情境中激發學生學習動機，使其通過主動體驗與互動實現知識意義建構的觀點相契合。

教學中，教師利用央館虛擬實驗系統的模擬實驗資源演示生動、有趣的靜電“魔術”：先將塑料尺在頭發上摩擦，再用塑料尺接近紙屑，紙屑被塑料尺吸起。學生看到這種現象后產生強烈的好奇心和探究欲。基于此，教師提出問題“為什么摩擦后的物體能吸引輕小物體？”，引導學生帶著問題展開探究，從物理學視角思考、探析其中的物理原理，明確客觀事物的本質屬性等。

探究：開展探究活動，提升科學探究能力

科學探究能力是物理核心素養的重要組成部分，也是拔尖創新人才必備的關鍵能力。探究式學習是培養學生科學探究能力的重要途徑。依托央館虛擬實驗系統，教師可以構建“虛實結合、分層遞進”的探究式學習方式，為學生提供“猜想一驗證一修正\"的探究閉環。學生可以在央館虛擬實驗系統中自由操控實驗設備，收集各類數據，經歷像科學家一樣的探究過程，逐步掌握控制變量、歸納推理等科學方法，提升科學探究能力。

實際教學中，教師鼓勵學生利用央館虛擬實驗系統進行多種材料的摩擦起電模擬實驗，讓學生觀察不同材料摩擦后的帶電情況。在此過程中，學生先猜想、假設，提出“是不是所有材料摩擦后都能帶電？”“不同材料摩擦后的帶電量是否相同？\"等探究問題，再通過動手實驗驗證猜想的正確性，如分別用橡膠棒與毛皮、玻璃棒與絲綢進行摩擦起電實驗，觀察并記錄每次實驗后物體的帶電情況，然后根據央館虛擬實驗系統反饋的數據對初始猜想進行反思和調整，如實驗結果顯示并非所有材料摩擦后都能帶電，不同材料摩擦后的帶電量存在顯著差異，學生就會調整實驗方案，嘗試更多的材料組合，或者深入研究材料的物理特性對帶電現象的影響。從建構主義學習理論的角度看，學生在探究過程中通過與虛實融合實驗環境的互動，主動建構知識體系，這既有助于學生理解知識，又有助于學生增強實驗設計、數據分析等科學探究能力。

解釋：深入思考，增強邏輯推理能力

學生理解物理概念需要邏輯推理能力作支撐。教師可以在學生通過探究活動對物理概念獲得一定感性認識后，利用央館虛擬實驗系統的微觀動態模擬、多模態表征等功能，將抽象的物理原理轉化成可觀察、可推理的思維載體，引導學生深入思考，將感性認識上升為理性認知，從而理解抽象的物理概念，構建知識體系，增強邏輯推理能力。

教學中，教師利用央館虛擬實驗系統展示橡膠棒與毛皮接觸時，電子從橡膠棒轉移到毛皮的動態變化過程。學生看到毛皮因獲得電子而帶負電，橡膠棒因失去電子而帶正電，從而直觀理解了摩擦起電的本質是電子的轉移。教師進一步引導學生推理不同材料組合摩擦后的帶電情況，發散思維，如教師提出“與絲綢摩擦過的玻璃棒帶什么電？”“若用絲綢摩擦過的玻璃棒靠近用毛皮摩擦過的橡膠棒，它們之間會有什么相互作用？\"等問題，讓學生基于之前的觀察，在分析和推理問題答案的過程中增強邏輯思維能力，促進其形成科學的世界觀和方法論。

遷移：聯系生活實際，強化實踐應用能力

實踐應用能力是拔尖創新人才的核心特質。央館虛擬實驗系統可以通過“生活情境建模一虛擬方案設計一真實問題解決”的路徑，為學生提供知識遷移的機會，助力學生運用物理知識解決實際問題，強化實踐應用能力。

教學中，教師引導學生思考生活中的靜電現象，如衣服在干燥天氣容易吸附灰塵、梳頭時頭發會隨著梳子飄起來等。學生運用央館虛擬實驗系統模擬這些生活場景，開展實驗探究活動，分析其中蘊含的摩擦起電、電荷間的相互作用、靜電感應等物理原理，并根據物理原理設計防正靜電危害、利用靜電的可行性方案，解決日常生活中的問題。有的學生提出在干燥環境中增加空氣濕度以減少靜電積累，有的學生提出利用靜電吸附原理設計高效的空氣過濾裝置，等等。如此聯系生活實際學習物理，學生就能增強創新思維和實踐應用能力。

評價：實施多元評價，發展科學核心素養

科學的評價體系是拔尖創新人才培養的“指揮棒”。科學核心素養的培養需要關注學生的知識、能力、情感態度的綜合發展，而多元評價是實現這一目標的重要手段。通過多元評價，學生可以全面了解自己的學習狀況，進而有針對性地改進學習方法，提高學習效率，增強反思能力，發展科學核心素養。

教學評價中，教師一方面借助央館虛擬實驗系統，更加客觀、全面地評估學生的學習過程和成果，如基于學生通過央館虛擬實驗操作獲得的實驗數據一一對不同材料組合的選擇、實驗操作的步驟、數據記錄的完整性和準確性等，評估學生對實驗原理的理解程度，以及學生的實驗設計、操作技能、數據分析等能力水平。另一方面，教師通過學生在課堂討論和小組合作學習中的表現，如在討論中提出的見解、對團隊的貢獻、在展示中的語言表述邏輯和創新點等，考查他們的溝通能力、團隊協作精神和創新思維水平。

（作者單位：武漢市二橋中學）

（本文系2022年湖北省信息技術重點課題“基于央館虛擬實驗系統的差異化教學模式構建與應用研究\"的成果。課題編號：2201019）

文字編輯 羅義安