嚴(yán)煒 楊曉梅

摘? ?要：隨著時(shí)代的進(jìn)步，信息技術(shù)為教學(xué)提供了巨大的便利。近幾年來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支撐的物理虛擬實(shí)驗(yàn)室為物理教學(xué)提供了一種新的教學(xué)途徑。文章將NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室中的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分類，并展示了虛擬實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室;物理教學(xué);信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）7-0070-3

1? ? 引? 言

2017年教育部新頒布的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂的基本理念中提出要注重課程的時(shí)代性，關(guān)注科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展需求，高中物理課程在內(nèi)容上更加注重與生產(chǎn)、生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系[1]。

虛擬演示實(shí)驗(yàn)，就是利用當(dāng)今各種信息技術(shù)手段來模擬和再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中的各種真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[2]。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以高度模擬仿真實(shí)驗(yàn)室的儀器及實(shí)驗(yàn)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的使用與教育部所提出的新課標(biāo)要求高度契合。本文將NOBOOK中的物理實(shí)驗(yàn)按知識(shí)進(jìn)行了分類，并展示了虛擬實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的應(yīng)用。

2? ? 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

2.1? ? NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室

NOBOOK（簡(jiǎn)稱NB）虛擬實(shí)驗(yàn)室是由北京樂步教育科技有限公司研制的一款教學(xué)軟件。其中包含物理實(shí)驗(yàn)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物實(shí)驗(yàn)、小學(xué)科學(xué)、小科教學(xué)平臺(tái)、物理教學(xué)平臺(tái)、物理學(xué)生端、化學(xué)學(xué)生端8款針對(duì)不同課程、不同人群使用的軟件。NB物理虛擬實(shí)驗(yàn)室涵蓋了8大實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包括電與磁、力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、近代物理、家庭電路和力與運(yùn)動(dòng)，共計(jì)383個(gè)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)涵蓋了初高中實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可自主選擇實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)。

主界面如圖1所示。NB物理虛擬實(shí)驗(yàn)室已有的實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

3? ? NB物理虛擬實(shí)驗(yàn)室與物理教學(xué)

3.1? ? 虛擬實(shí)驗(yàn)室在新課教學(xué)中的演示作用

新課教學(xué)作為整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)最重要的一部分，如何提高教學(xué)效率，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度是所有教師一直在不斷思考的問題。物理作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，精心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度，還能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。

3.1.1? ? 創(chuàng)設(shè)物理教學(xué)情境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率

教師在課堂上通過在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示實(shí)驗(yàn)，引入課題，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過在課堂中使用NB物理虛擬實(shí)驗(yàn)室， 為學(xué)生創(chuàng)造教學(xué)情境，增強(qiáng)學(xué)生的課堂代入感，這與長(zhǎng)期以來教師教授、學(xué)生聽講、缺乏情境式體驗(yàn)的教學(xué)模式形成了鮮明的對(duì)比。

例如，在演示摩擦起電的實(shí)驗(yàn)中，通過NB虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能清楚地觀察到物體的帶電情況和電荷的轉(zhuǎn)移情況（如圖2）。相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生只通過教師的口述來了解電荷在金屬棒中的移動(dòng)，這種學(xué)生只有“耳到、口到”的聽講模式，線上虛擬實(shí)驗(yàn)室這種“眼到、耳到、口到、手到”的教學(xué)模式更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與度，同時(shí)在整個(gè)教學(xué)過程中教學(xué)氛圍輕松愉快，學(xué)生感興趣，學(xué)習(xí)效率高。

3.1.2? ? 提高實(shí)驗(yàn)的可觀測(cè)性，增加實(shí)驗(yàn)的靈活性

虛擬實(shí)驗(yàn)相較于傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)，省去了許多不必要的實(shí)驗(yàn)步驟，使得實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、便捷。首先，相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平面展示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯，通過白板展示，更有利于學(xué)生觀察;其次，實(shí)驗(yàn)過程中的誤差明顯減小，提高了實(shí)驗(yàn)的可信度;最后，虛擬實(shí)驗(yàn)基本避免了實(shí)驗(yàn)中的安全隱患，實(shí)驗(yàn)操作更加安全。

通過虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬磁鐵周圍小磁針的指向（如圖3右所示）與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（如圖3左所示）對(duì)比，由于磁感線是假想線，并不能被觀察到，在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能觀察到不同位置小磁針指向不同，通過虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M磁鐵的磁感線，我們可以清楚地觀察到不同位置小磁針的指向不同，且小磁針指向與磁鐵的磁感線相同。

同時(shí)，相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能在課堂中進(jìn)行，課堂結(jié)束后學(xué)生很少能再獨(dú)立動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)則為這個(gè)問題提供了解決方案。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可在課堂內(nèi)外使用，不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，學(xué)生可以通過手機(jī)、平板等工具隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，學(xué)生擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的束縛，可以大膽嘗試自己的想法。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，學(xué)生可以任意選擇實(shí)驗(yàn)儀器，完成自己想做的實(shí)驗(yàn)，不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制。在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生的創(chuàng)新思維、主動(dòng)性得到充分發(fā)揮。

3.1.3? ? 提高課堂的交互性和積極性

線上虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的使用，能提高教學(xué)課堂的交互性，通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師與學(xué)生在課堂中的互動(dòng)增多，有利于提高學(xué)生的課堂積極性。

3.2? ? 虛擬實(shí)驗(yàn)室在復(fù)習(xí)教學(xué)中的引導(dǎo)作用

在教師進(jìn)行復(fù)習(xí)課教學(xué)的過程中，教學(xué)內(nèi)容往往枯燥無味，對(duì)于一些經(jīng)典例題的講解，尤其是牽涉到物體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容，教師往往是通過口述讓學(xué)生在頭腦中自主構(gòu)建一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型，然后在黑板上畫出靜態(tài)模型。在這樣的教學(xué)方式下就會(huì)存在部分空間想象力較差的學(xué)生不能很好地理解老師的講解內(nèi)容，從而降低教學(xué)效果。通過使用物理虛擬實(shí)驗(yàn)室，在平臺(tái)中新建力與運(yùn)動(dòng)模塊的實(shí)驗(yàn)，選擇場(chǎng)景，調(diào)節(jié)參數(shù)，有效地模擬物體的運(yùn)動(dòng)情況，為學(xué)生呈現(xiàn)一種動(dòng)態(tài)的視覺效果，有利于學(xué)生對(duì)問題的理解，在學(xué)生建構(gòu)物理模型中起到一個(gè)引導(dǎo)作用。

例如，在講解帶電小球在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的物理問題中，虛擬物理實(shí)驗(yàn)室通過模擬帶電小球在磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程，使同學(xué)們能清晰地觀察到小球的整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡，幫助學(xué)生構(gòu)建物理動(dòng)態(tài)模型，從而理解問題、解決問題。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)下的教學(xué)顯得更加生動(dòng)有趣，過程更加清楚明了。

圖4為不計(jì)質(zhì)量的帶電荷量的小球，在磁場(chǎng)或電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

4? ? 虛擬實(shí)驗(yàn)室的弊端

綜上所述，虛擬實(shí)驗(yàn)室相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)而言，有較多的優(yōu)點(diǎn)，如操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、避免安全隱患等，但虛擬實(shí)驗(yàn)也存在真實(shí)性不強(qiáng)、操作性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)是模擬實(shí)驗(yàn)，不能代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)在簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟、保證實(shí)驗(yàn)的可觀測(cè)性的同時(shí)，也在某種程度上削弱了學(xué)生的動(dòng)手能力。虛擬實(shí)驗(yàn)是一個(gè)高度理想化的實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上不會(huì)存在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)器具的問題，不利于學(xué)生認(rèn)識(shí)真實(shí)情境下的實(shí)驗(yàn)，不利于在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的問題。因此，在實(shí)際教學(xué)中，需要教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)的具體要求，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)最大化的教學(xué)效果。

5? ? 結(jié)? 語

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還將進(jìn)一步發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)與教學(xué)的結(jié)合也是信息技術(shù)與課程整合的一個(gè)新的突破。如何在教學(xué)中使用虛擬實(shí)驗(yàn)提升教學(xué)效果，如何協(xié)調(diào)虛擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，使虛擬平臺(tái)更好地為教育服務(wù)是每一位教育工作者在未來都必須思考的問題。作為未來的教育工作者的一員，我們?cè)诶煤眠@一教育資源的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合教學(xué)實(shí)際，實(shí)現(xiàn)物理教學(xué)的最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]劉筱蘭，張薇，程惠華，王本立.虛擬實(shí)驗(yàn)室的類型及發(fā)展趨勢(shì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004（11）：8-10.

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）