初中物理仿真實驗教學研究

教育部頒布的《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》明確提出：國家虛擬仿真實驗教學項目是推進現代信息技術融入實驗教學項目、拓展實驗教學內容廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平的重要舉措。同樣，教育部發布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》又進一步提出，要持續將最新的理論知識和前沿的教育技術融入實驗教學中2。由此可見，從國家層面對于數字化教學中仿真實驗的重視程度。物理作為一門實驗學科，實驗自然是處于不可或缺的地位，那仿真實驗在中學物理的實驗教學中有哪些優勢？對于教、學、評一致性的課程要求和課程標準的落實會有什么積極的作用？本文試從“新課標”要求的角度，以初中物理“伏安法測電阻\"的教學為例，簡要闡述仿真實驗在課程理念的執行、課程目標的實現、課程內容的落實、學業質量的達成等幾個方面的積極促進作用以及在實驗教學中應用仿真實驗的教學建議。

一、初中物理實驗教學中運用仿真實驗的優勢

1989年，美國威廉·沃爾夫教授首次提出“虛擬實驗室”的概念，最初是想為身在不同實驗室的科研人員提供一個共享實驗儀器和實驗數據的平臺，同時促進遠程思想活動交流，推進各類科研合作。后來，隨著技術的不斷發展，虛擬實驗越來越逼真化，也就成就了仿真實驗。同時，基于計算機應用技術的虛擬仿真軟件在輔助教學中的運用，很快就以其便于器材搭建、減小耗材及器材磨損、理想無誤差、安全可靠等優點贏得了廣大物理教師的青睞。以初中物理“伏安法測電阻”的實驗教學為例，學生借助手機或電腦通過虛擬仿真實驗軟件，可以不斷地重復實驗，改進不足，大大提高了實驗教學的效率。

1.滿足初中物理實驗的多元化要求

第一，“伏安法測電阻”的方法種類靈活多變，對于器材種類和數量的要求較高。常規實驗室的學生實驗臺空間有限，難以滿足所有操作需求，尤其在實現特殊方法測電阻時條件更為苛刻。所謂特殊方法測電阻是在缺少某一特定器材的情況下，借助其他器材完成電阻測量的實驗方式。盡管普通實驗室通常可提供常規器材，而對于不常見或特定規格的器材（比如特定的電阻等），則往往難以配備。仿真實驗軟件能夠有效地解決這些困難，其器材資源庫內可以儲備和靈活添加各類實驗所需的品種、數量的器材基件。

第二，特殊方法測電阻方法眾多。在教學過程中，讓學生理解多個重點的實驗設計思路不僅困難，且需要很長的教學時間。即便是教師在課堂中進行演示實驗，實現多個實驗電路的呈現，進行對比教學，實際操作和切換電路也會占用大量課堂時間，常規的課時安排不允許。運用虛擬仿真實驗軟件可以在預先設計的實驗原理基礎上，模擬任意電路的連接。教師可以在短時間內實現比較教學和擴展教學，梳理實驗設計思路，歸納實驗方法，提高學生的科學思維水平。

2.實現初中物理大單元教學的要求

崔允教授首次提出了“大單元教學”理論，他認為大概念是構造出的大腦內合宜的“主干道”。而“大單元\"本身也不是一個體量上的呈現，它是一個相對的概念，是基于“大概念\"或“大思路\"的教學設計，可分為宏觀單元、中觀單元、微觀單元。“伏安法測電阻”的實驗設計因其方法靈活多變，就需要一個“大思路\"來統整，可以認為是微觀層面的“大單元”。對于眾多的電阻測量方法都可以視為在伏安法的基礎上發展起來的，如“伏阻法”“安阻法”“替代法\"等等。雖然所涉及的器材和實驗操作上有所不同，但它們的核心思想仍然與伏安法密切相關，這種“舉一反三\"和“觸類旁通\"的學習方式，非常符合大單元教學的理念。大單元教學可以將相關的知識、技能整合在一起，形成一個完整的知識體系。這種教學方法有助于學生站在更高的知識視角，建立對知識總體性的認識，形成一種“畫面感”，實現對整個知識模塊的宏觀理解和把握。但現實的教學活動中，特殊方法不便于實踐操作，只能通過理論推導來完成，這種\"兩段式\"的教學方式很容易讓學生產生困擾，難以使學生將特殊方法測電阻與伏安法測電阻聯系起來，虛擬仿真實驗恰恰很好地解決了這一問題。

二、初中物理仿真實驗踐行“新課標\"要求的著力點

2019年11月，教育部印發的《關于加強初中學業水平考試命題工作的意見》指出：取消考試大綱和考試說明，嚴格依據義務教育課程標準命題。由此，“新課標\"就成為了教材編寫、教學設計、學習參與、學業評測的唯一指針。針對中學物理實驗教學而言，依標施教、依標評測，進行“教、學、評”一致性的教學活動展開是物理教師進行實驗教學的基本底色。在此過程中，仿真實驗為物理的實驗教學有效開展提供了優質的載體。

1.遵循課標思想，聚焦學生的關鍵能力

“新課標”在指導思想中指出：聚焦中國學生發展核心素養，培養學生適應未來發展的正確價值觀、必備品格和關鍵能力4。物理學科的關鍵能力有哪些、如何培養是擺在物理教師面前無法回避的問題。在教育部考試中心制定的《中國高考評價體系》中指出了知識獲取能力群、實踐操作能力群、思維認知能力群等三大主要能力群組。其中，在實踐操作能力群中實驗設計能力又是關鍵中的關鍵。在初中物理“伏安法測電阻\"的實驗教學中，通過仿真實驗可以將特殊方法測電阻的實驗方案設計從理論敘述、推導變成實踐探究，培養學生的實驗設計能力和實驗操作能力。

例如，教師可以利用網絡資源調研現有的仿真實驗軟件，如希沃平臺的NB仿真實驗模塊、鴻合平臺的仿真實驗模塊、物理實驗室APP等常見且易學的仿真實驗工具，然后根據自己所在區域的教學實際和學生的接受程度選擇一款適配度高的軟件進行教學活動。

學生在“伏安法測電阻\"實驗中的設計能力是指學生根據實驗目的和原理進行實驗方案和步驟的設計能力，具體體現在學生如何設計電路圖，以及如何規劃實驗步驟和處理數據的方法，并且需要實驗操作能力去選擇合適的電路元件（如電源、電阻、電壓表、電流表等）。實驗操作能力確保了實驗設計的有效執行。仿真實驗在培養學生的實驗設計和實踐操作能力方面具有顯著的表現力，根據設計流程表現如下。

第一，在選擇一款仿真軟件后，首先根據實驗原理：通過仿真實驗制作電路圖模塊設計出電路圖。

第二，按照電路圖連接電路環節時，現實教學中教師一般提前提供有限的必要器材，而使用仿真實驗軟件，其內含種類和參數豐富的器材（如圖1），有利于培養學生的甄別能力和實驗設計能力。

圖1豐富的電源和電表

第三，電路連接過程中，仿真實驗同樣能夠實現電表正負接線柱的連接、滑動變阻器阻值最大值和最小值的選擇等電路規范性操作能力的培養，且具有更加安全的特性。

第四，實驗數據記錄和處理環節（如圖2），仿真實驗具有更強的精確度和準確性，并且相比于真實實驗，仿真實驗能夠在短時間內獲得龐大的數據量，有助于學生高效地進行實驗分析。

圖2希沃仿真實驗的梳理測量

第五，實驗擴展方面，如等效電路的連接、元器件任意位置的設置等方面更有優勢。仿真實驗能夠調整實驗操作的難度，學生能夠靈活調整自己的思路，適應不同的情況，加深電路工作原理的理解，這種適應性是解決實際問題的重要能力。

綜上所述，仿真實驗在培養學生的實驗設計和實踐操作能力方面有著顯著的優勢。在常規的教學中，伏安法測電阻實驗的教學內容較多，基于器材和時間的局限性，操作步驟、數據記錄、電阻大小等因素的影響，教師大多將該內容停留在理論推導的表達層面上，而仿真實驗的高效性彌補了以上的缺陷，可以讓伏安法測電阻按照常規的實驗探究思路展開，實驗中的數據測量、代數計算等內容不再被教師簡化處理，進而在提升學生實驗設計能力的方面，仿真實驗能夠做到更加全面。

2.達成課程目標，培養學生的科學思維

在科學教育中，科學思維的構建與形成是培養學生獨立思考，形成科學判斷與論證能力，進而達到創新發展的重要因素。我們知道，物理學科初步形成的是對物質世界認知的知識體系，其最大的特點就是用理性、科學的思維認知物質世界。一般來說，科學思維體現了人類在學習、認識、操作和其他活動中所表現出來的理解、分析、比較、綜合、概括、抽象、推理、討論等所組成的綜合思維。

“新課標”將物理學科的核心素養作為了課程目標要求，并將科學思維作為了其四個方面的重要組成部分，明確指出：科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同信息、觀點和結論進行質疑和批判，予以檢驗和修正，進而提出創造性見解的品格與能力?？茖W思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。

我們知道，在“伏安法測電阻”的實驗教學中，利用實驗原理 可以測出待測電阻兩端的電壓和通過該電阻中的電流，進而得出電阻值。但當無法直接測量待測電阻兩端的電壓或通過該電阻中的電流時，則可用間接的方式，利用 的理解，得出電阻。在此過程中，可通過思維模型的建構解決電阻測量的多種策略。因此，教師可以使用仿真實驗軟件進行電路的設計與優化改進，幫助學生在實驗元件（器材）有限的情況下，通過不斷改進、優化電路（或實物圖連接），完成電阻的測量實驗，進而得到理解、分析、比較、綜合、概括、抽象、推理、討論等思維的訓練。

例如：情境一，缺少電壓表，主要器材只有電流表和已知阻值的定值電阻（或滑動變阻器）開關等。

將基本模型進行梳理（見表1），三種關鍵思維可產生多種解決方案。

表1缺少電壓表條件下以特殊方法測電阻基本模型

再如：情境二，缺少電流表，主要器材電壓表和 定值電阻（或滑動變阻器）開關等基本思路：根據串聯電路電流處處相等、利用定值電阻（或滑動變阻器）及電壓表間接測量待測電阻的電流。此關鍵思維可產生多種解決方案，將基本模型進行梳理（見表2）。

表2缺少電流表條件下以特殊方法測電阻基本模型

通過上表內容可知，使用仿真實驗軟件進行“伏安法測電阻”的系統教學，學生既可投入到某種具體實驗方法的探究中，也可跳出某個環節進行不同方法間的宏觀對比，這種在高低之間任意切換的知識視角有助于培養學生的科學思維中的構建模型能力。學生們清楚地理解到，無論采用何種方法，核心的物理思想是直接或間接地測量待測電阻兩端的電壓和通過該電阻的電流。基于這一思維模型，可以根據不同的情況設計出十幾種實驗方案。盡管這些方案在具體操作中有所差異，但它們都遵循著統一實驗原理下的探究模型。這種既緊扣核心模型，又允許發散變形的思維方式，正是科學思維和創新能力的重要體現。而在方案優選的過程中，仿真實驗軟件可以在有限的時間內幫助教師或學生完成這些方案的虛擬驗證，并在此過程中實現模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等科學思維

主要要素下的能力培養。

3.落實課程內容，提升學生的探究能力

在“新課標”中的課程目標將科學探究單列出來，強調要基于問題、證據、解釋、交流等要素，具備基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想與假設、設計實驗與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。在課程內容中，將實驗探究獨立出來，作為一級主題出現，并列舉9個學生必做的測量類實驗和12個學生必做的探究類實驗，旨在體現物理課程實踐性的特點，培養學生發現問題和提出問題的能力、動手操作和收集數據的能力、分析和處理數據的能力、解釋數據的能力、表達和交流的能力，引導學生學會學習、學會合作，培養學生嚴謹認真、實事求是的科學精神。雖然，“伏安法測電阻”的實驗教學包含在9個學生必做的測量類實驗中，但歐姆定律是課程內容中89個三級主題中僅有的3個“理解級\"知識內容。因此，在保證完成電流、電壓測量類實驗的要求基礎上，通過仿真實驗軟件開展“伏安法測電阻”的實驗探究活動是提升學生探究能力的有效抓手。

第一，仿真實驗的交互性功能能夠促進學生進行自主性學習和發散性探究。仿真實驗本身具備“糾錯”功能，它可以在實時糾錯的同時，確保實驗的科學性，并允許學生獨立地進行發散性探究。

第二，鼓勵學生進行“試錯\"實踐。作為一種逆向嘗試，允許學生探索在現實實驗中不允許的操作，例如短路或正負接線柱反接。通過嘗試、識別錯誤，學生能夠更深刻地理解錯誤的原因和后果，這樣不限制學生的逆向思維，并且保護了他們的好奇心，鼓勵他們在安全的環境下大膽探索和學習。

第三，仿真實驗可以修改不同條件和參數，能夠驗證學生的各種猜想，為他們的創新提供無限可能。在軟件的交互功能支持下，不僅實現了獲取知識的功能，還為學生提供豐富深化的學習體驗，幫助學生進行開放探究的個性化學習，在深人理解知識的前提下，提高他們的探究能力。

4.保證學業質量，突出學生的評測效果

“新課標”的重要變化之一就是增加了“學業質量”的要求，具體指明了學生在完成課程階段性學習后的學業成就表現。它是以核心素養為主要維度，結合課程內容，對學生學業成就具體表現特征的整體描述，是學業水平考試命題的依據，同時對學生學習活動、教師教學活動、教材編寫等具有指導作用?；诖耍ㄟ^仿真實驗進行“伏安法測電阻”的實驗教學能夠保證學生在電表的規范使用、電路故障排除、展示探究過程等方面達到學業要求。

例如，教師可以最大限度地對學生的實驗能力進行虛擬測評，依據實驗重點關注的操作內容，實施科學規范的評測要求，并配合系統的動畫演示，還原真實實驗過程（見表3）。

表3仿真實驗的操作評測

此外，在展示匯報環節可以通過提問、交流和補充等內容設計讓學生進行分享學習，達到知識共享的同時，更能促進自我反思。比如：同樣的錯誤是否反復出現，哪種方法更加科學有效。這個過程能夠幫助學生在學習別人的同時正確地認識和評估自己，這也是學業要求的重要內容。

我們知道，在特殊方法測電阻的實驗中，重點培養學生的實驗設計能力、創新思維及邏輯推導能力，所以在整個教學系統中采用的是“純電阻\"模型，即電阻不受溫度的影響。而現實中，電阻阻值受溫度影響的特性反而在探究實驗中會產生干擾。所以，用仿真實驗進行實踐可以“簡化”實驗模型，有助于提升學生的學業質量。

三、利用仿真實驗進行實驗教學的幾點建議

虛擬仿真實驗與真實實驗相比具有虛擬性、靈活性、交互性、開放性、安全性、重復性等特點，可彌補傳統實驗教學中存在的一些不足，并且具有激發學生興趣、提高教學效果、節約實驗成本、確保實驗安全等優點。但是虛擬仿真實驗也存在一定的局限性，教師要基于教學內容“揚長避短”，發揮仿真實驗積極有益的作用。

1.加強實驗安全教育

由于仿真實驗不存在安全隱患，在培養學生的實驗安全意識方面會有所欠缺。雖然隨著技術的改進，目前的仿真實驗已經能夠模擬出現實中的一些安全問題，在軟件設計中加入了模擬真實原件的一些特性，如受溫度影響的小燈泡等，但還是無法達到“實際危險”對學生的影響效果。所以，教師在所用仿真實驗教學活動中依然要對學生進行必要的安全教育。

2.注重創設仿真的實驗情境

仿真實驗的實驗過程、現象和結果是理想狀態下的，整個實驗過程是“無故障”的，不利于強化學生的科學思維。不過，隨著技術的進步，這個短板也得到了一定的解決，比如設計有內阻的電源等，使得仿真實驗更加貼近實際，有助于提高學生的科學素養。

3.強化實驗過程性評價

在仿真實驗教學活動中不管實驗操作正確與否，都可能產生相應的實驗結果，這不利于培養學生的實驗嚴謹性。為解決這個問題，教師可通過設計過程性評價來彌補，比如加大仿真實驗操作的過程性評價權重，從而引導學生更加嚴謹地進行實驗操作。

綜上所述，雖然仿真實驗在某些方面存在不足，教師可以通過教學方法的改進、教學環節的合理設計進行實驗教與學的優化。隨著數字化技術的發展，仿真實驗的功能越發強大，“人機”的交互功能也在不斷提高，它的局限范圍在慢慢縮小，為我們的使用提供了更真實的體驗和豐富的載體。同時，仿真實驗教學對教師和學生也提出了更高的要求，教師需要具備更新的教育理念和更強的技術，學生需要具備更強的辨別能力和自主學習能力，以便不斷探索和創新。

參考文獻

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【責任編輯 孫曉雯】