核心素養下可視化智能軟件在高中物理實驗教學中的效果

物理學是一門集工具性、綜合性和實用性于一體的學科.高中物理涵蓋了眾多知識點，其中許多與日常生活緊密相關1.在信息技術飛速發展的今天，國家倡導信息化教學，多媒體技術在教育領域的應用變得越來越普遍.這些數智技術通過圖像、動畫、視頻和迷你軟件等多種媒介，賦能高中物理教學，將抽象和復雜的概念直觀化、生動化，從而激發學生的學習熱情，提升教學成效[3].《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對實驗教學提出了更高要求，課程內容標準強調讓學生親身體驗實驗過程，觀察現象，發現規律，以增強學習興趣，激發質疑精神，并在解決問題的過程中，將物理規律和概念內化為自己的知識，提升物理學科核心素養.基于此，本文將探討NOBOOK可視化虛擬軟件在高中物理實驗教學中的應用效果.

1高中物理實驗教學和可視化軟件概述

1. 1 高中物理實驗教學

實驗教學是一種以實踐操作為核心的教學方式，它鼓勵學生親自參與實驗設計、操作器材、觀察現象，以及分析結果，從而將抽象的物理概念轉化為直觀的體驗.與傳統的教師講授、學生聽講的教學模式不同，實驗教學強調的是動手實踐和主動學習的過程[1].

例如以牛頓第三定律為例，通過實驗教學法，學生可以使用彈簧測力計親自體驗相互拉扯，真實地感受到作用力與反作用力之間的對稱關系.這種具象化的體驗相較于單純的記憶公式和結論，更能幫助學生深刻理解力的本質.

物理實驗課程是連接理論知識與操作實踐的“橋梁”.高中物理涉及電磁學、力學等抽象概念，單純依靠公式推導容易讓學生陷入紙上談兵的困境.例如楞次定律中“感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量變化”的理論，光靠死記硬背，不僅拗口還難以理解，但如果讓學生親自動手操作磁鐵在線圈中插人和拔出，觀察電流計指針的偏轉方向，瞬間就能建立直觀認知.《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確指出，當下的教育要培養學生的動手能力、解決實際問題能力和知識的自主探索能力，所以相對來講，實驗課程比常規理論課程更加符合當前的教學目標4].

1.2 可視化軟件NOBOOK簡介

NOBOOK虛擬實驗室是一款高度仿真的虛擬實驗環境的創新實驗教學工具，其目的是為用戶提供一個便捷、直觀的實驗操作平臺.該工具融合了多媒體技術、虛擬現實（VR）及虛擬仿真技術，成功地在計算機環境中重現了傳統實驗的精髓.這款軟件允許用戶根據個人實驗需求，自由挑選并組裝實驗器材，搭建實驗場景，動態模擬真實的物理現象.其操作邏輯與真實實驗完全一致，并且所有的實驗數據和實驗現象完全模擬真實場景，具有高度的準確性和真實性[5].

NOBOOK虛擬實驗室規劃了四大板塊，分別針對物理、生物、化學及科學領域，即NB物理實驗、NB生物實驗、NB化學實驗和NB科學實驗，全面覆蓋各學科實驗教學需求.用戶只需訪問官方網站，下載相應學科的軟件版本并完成賬號注冊登錄，即可開啟實驗.該軟件支持多設備同步登錄功能，無論是平板電腦、一體機還是智能手機，都能無縫銜接，極大地提升了使用的靈活性和便捷性.用戶登錄后的物理虛擬實驗室軟件主頁如圖1所示，主頁界面主要由四個部分組成：精品資源、我的實驗、新建實驗.

通過游戲化交互和探究式學習，有效提升物理學習效率，適用于常規課堂、實驗復習及居家學習，助力物理學科核心素養的培養.

2NOBOOK在高中物理實驗教學中的應用實踐

2.1 一般資料

在2024年10月至2025年6月期間，選取高一年級中兩個物理平均實驗成績相當的班級作為試驗對象，分別為高一7班和高一10班.高一7班作為對照組，班級人數55人，高一10班作為觀察組，班級人數56人.然后在高一10班的物理實驗教學中應用NOBOOK軟件，有效測評時間為六個月.在入組前，對兩個班級相關的成績進行了測評.兩個班級在入組前的相關成績測評如表1所示.

表1

兩個班級的教師均為同一物理教研組的成員，且教學經驗豐富，確保試驗的公正性.在實驗開始前，未向任何學生透露實驗內容，以避免學生主觀意識調整影響實驗結果.

2.2 方法

對照組，高一7班采用傳統的物理實驗教學方法，教學內容主要依靠板書、教師口頭講解及演示實驗.對于可現實操作的實驗，如用打點計時器測量加速度等，在條件允許的情況下安排學生統一在實驗室進行實際操作.對于難以大規模復刻的實驗，教師則在課堂上講解實驗原理、步驟及注意事項，學生通過動手操作，老師進行現場演示，并通過書面記錄和實驗報告的形式總結實驗過程和結果.

觀察組，高一10班在物理實驗教學過程中引入了NOBOOK軟件，具體實施過程如下. ① 實驗前期準備：NOBOOK軟件提供了一些預設實驗場景，教師根據課程內容選擇合適的實驗模塊，提前準備好軟件上的實驗設備和實驗數據. ② 實驗中期操作：教師先示范，然后讓學生使用NOBOOK進行虛擬實驗操作，通過觸摸屏來完成虛擬實驗操作，操作過程中系統可實時反饋實驗步驟的準確性和結果，學生可以在軟件中進行數據記錄和分析.另外學生不僅能操作實驗設備，還能實時調整實驗參數，并根據軟件的提示完成實驗任務. ③ 數據分析與討論：NOBOOK軟件能夠自動收集實驗數據，生成圖表與報告，學生可以直觀地分析實驗結果，并在課堂上與同學和教師進行討論，優化實驗過程.

例如在\"牛頓第一定律”的教學中，教師通過NOBOOK軟件展示了理想斜面實驗，引導學生思考力與運動的關系.教師首先通過實驗演示物體受力時的運動情況，介紹了亞里士多德和伽利略的觀點.在實驗中，教師讓小球從斜面滾下，并提出問題：“如果沒有摩擦力，小球能否回到原來的高度？”學生通過推理得出結論：若無摩擦，小球可以回到原來高度.接著，教師逐漸減小斜面傾角，引導學生思考小球的運動趨勢，最終得出結論：當斜面變為水平時，小球將繼續運動，無法回到原來的高度，如圖2、圖3所示.通過這一過程，學生體會到力并非維持物體運動的原因，驗證了伽利略的理論.這一實驗幫助學生更清晰地理解牛頓第一定律的核心觀點.同樣以此方式開展的有平拋運動實驗、圓周運動實驗以及機械能守恒等相關理想條件下的實驗等.

圖2

圖3

2.3 觀察指標

（1）實驗設計能力：基于《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中“科學探究”目標設計評估，采用開放性實驗設計題（如“設計測量重力加速度的實驗方案\"），從提出問題、變量控制、方案可行性三方面進行評分.教師依據統一評分標準（如是否明確實驗原理、步驟邏輯性）進行打分，滿分100分.

（2）實驗操作規范性：參照教材實驗操作規范，通過現場實驗觀察記錄評分.教師根據學生器材組裝、操作步驟（如氣墊導軌調平、計時器使用）的準確性進行評分（滿分100分，錯誤步驟扣分，滿分表示零失誤）.

（3）科學思維水平：以科學思維素養內涵中的模型構建、推理論證等為依據，對學生進行科學思維測評，采用開放性綜合應用題，如“可以如何分析平拋運動中的能量轉化？”等題目.評分側重于學生回答的邏輯嚴密性，比如理論設計、推導的合理性及結論是否具有創新性等（比如是否提出了誤差的優化方案），總分100分.

表2

（4）學習態度評分：由負責此次試驗的班主任通過兩個班的教學監控，對兩個班級學生的課堂參與度、實驗主動性及在后續的測評中對學生的合作意識、質疑精神等進行主觀評分，同時結合教師自身上課時的課堂感受由教師進行評分，兩者綜合考量，滿分為100分，取班主任評分和教師評分的平均分.

3結果分析

經過六個月的教學后，采用了NOBOOK軟件的高一10班學生，在第二次測評中，物理實驗設計、操作能力及相關的科學核心素養等評分有了明顯的提升，但沿用傳統實驗教學方法的高一7班學生相關能力水平變化不大，詳細數據如表2所示.

4討論

本次研究探討了NOBOOK可視化智能軟件在高中物理實驗教學中的應用效果，結果顯示引入NOBOOK虛擬實驗室的高一10班在物理實驗設計、操作能力、科學思維水平及學習態度方面有了顯著提高.作為傳統教學方式的對照組，高一7班的學生這些能力幾乎沒有變化，表明可視化智能軟件在實驗教學中有著獨特優勢與實際應用價值.

從實驗設計能力來看，觀察組學生的實驗設計能力得分顯著高于對照組.表明在NOBOOK軟件輔助教學下，能有效提升學生的實驗設計能力.NOBOOK軟件提供的虛擬實驗環境能讓學生靈活調整實驗條件，如設備配置、實驗參數及實驗類型等.同時也具備讓學生按自己的思路去嘗試各類不同方案的條件，所以能讓學生更深入地掌握實驗的核心原理，而且能夠在不斷地嘗試中去優化實驗方案.在傳統實驗教學中，學生受限于實驗器材和實驗環境，難以進行深度的實驗設計和思考，只能按照課本的步驟去照搬實驗，而NOBOOK軟件能模擬不同的實驗條件，為學生提供了更加寬廣的思考空間，極大地激發了學生的創造力和自主探究能力.

圖4

另外，高一10班學生的實驗操作規范性的提升也十分明顯.傳統實驗教學中，許多課堂將實驗簡化為“按圖索驥”的驗證性活動，教師直接提供實驗器材清單、操作步驟甚至數據表格，學生只需按部就班地完成規定步驟即可，但學生在操作中可能出現不規范的行為、錯誤理解等難以在課堂上暴露，教師也難以發現，學生得不到及時糾正和反饋，導致學生的實驗操作規范性難以提升.而NOBOOK軟件有著實時反饋機制，能夠有效糾正學生操作中的失誤，幫助學生在虛擬環境中反復練習，直到能夠規范化地操作每一個實驗步驟，具體如圖4所示.在這種方式下，學生不僅能更好地掌握基本的實驗操作技能，更能培養嚴謹的實驗態度和良好的操作習慣.尤其是在一些復雜或危險的實驗中，虛擬實驗的優勢尤為突出，學生可以在無風險的環境中盡情實踐.

另外，培養學生科學思維是物理教學中的一個重要目標，傳統教學更多依賴教師口頭講解和學生自行記憶，而NOBOOK虛擬實驗的引入則使得學生能夠在實際操作中進行推理、驗證并形成科學的思維方式.從本次實驗結果來看，高一10班的學生科學思維水平的提升也有明顯進步.在NOBOOK虛擬實驗中，學生不僅需要完成實驗任務，還需要根據實驗數據進行分析，理解實驗背后的物理原理.這種與實驗數據緊密結合的學習方式能促使學生加深對科學概念的理解，培養學生運用邏輯思維和科學方法解決問題的能力.例如，在牛頓第一定律的理想斜面實驗中，學生通過不斷調整摩擦力和斜面傾角，直觀地理解了力的作用與物體運動之間的關系，進而認識到伽利略的觀點，力并非維持物體運動的原因.學生通過這樣的實踐，不僅鞏固了知識，更增強了解決實際問題的能力.

最后，從學習態度的提升情況來看，NOBOOK軟件的互動性和實時反饋大大提高了學生參與實驗的積極性和主動性.與傳統課堂教學中被動聽講不同，NOBOOK軟件通過虛擬實驗的方式激發了學生的好奇心和探索欲望，促使學生積極思考實驗過程中的每一個細節.在試驗過程中，學生可以自由調整實驗參數，觀察不同條件下實驗結果的變化，這種高度的自主性不僅能增加學生對知識的掌握度，還可培養學生的科學探究精神.相較于傳統實驗教學中較為單一的學習方式，NOBOOK軟件的引入使得學生能夠更加主動地參與實驗中，表現出更高的學習積極性和合作意識.

5結語

總的來說，NOBOOK虛擬實驗室在高中物理實驗教學中的應用展現了極大的教學優勢.通過將傳統實驗教學與現代科技相結合，NOBOOK軟件打破了傳統教學模式的局限，提供了一種更為靈活、直觀的教學方式.不僅增強了學生的動手操作能力，更促進了學生科學思維的培養和學習態度的轉變.在未來的物理教學中，通過合理的設計和應用，NOBOOK等數智賦能高中物理教學的軟件能夠為學生提供更為豐富的學習體驗，并為教師提供核心素養導向的有效教學支持，推動物理教學改革的進一步發展.

【本文系2024年度廣東省中小學教師培訓中心專項科研課題“核心素養導向的中學物理數智賦能實驗教學評價及應用研究\"（課題編號：GDSP一2024一E009）的階段性研究成果.】

參考文獻：

[1]于洪雨.淺析多媒體技術在高中物理實驗內容教學的應用[J].教育教學論壇，2017（35）：266-267.

[2]楊繼坤.多媒體在高中物理教學中的應用研究[J].教育教學論壇，2014（38）：235—236.

[3」劉芷余，秦宇飛，柴萬東.虛擬仿真軟件在中學物理實驗教學中的應用—以高中物理實驗“伏安法測電阻”為例[J].赤峰學院學報（自然科學版），2023，39（06）：60-63.

[4]吝曉茹.基于標準化的高中物理實驗教學流程優化研究[J]中國品牌與防偽，2024（11）：167—168.

[5]萬琴.NOBOOK虛擬實驗室輔助下的高中物理實驗教學的實踐研究[D].南昌：江西師范大學，2023.