邱曉峰 林冰冰

摘?要：光學(xué)實驗長期以來是高中物理教學(xué)中不受重視的一部分，其原因在于高考對光學(xué)實驗考察的弱化和實驗操作的困難較大.本文用若干教學(xué)實例介紹了在高中物理光學(xué)教學(xué)中如何將NB虛擬實驗室與教學(xué)有效融合，以達(dá)到更高效地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、探究能力，優(yōu)化光學(xué)實驗課教學(xué)的目的，讓物理學(xué)科的學(xué)科核心素養(yǎng)有效落地.

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室;光學(xué)實驗;信息技術(shù);核心素養(yǎng)

文章編號：1008-4134（2019）21-0049?中圖分類號：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

作者簡介：邱曉峰（1981-），男，福建南平人，本科，中學(xué)一級教師，研究方向：信息技術(shù)應(yīng)用與中學(xué)物理教學(xué)方法;

林冰冰（1987-），女，福建福清人，碩士，講師，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國都高度重視信息技術(shù)與教學(xué)的融合，前不久國家發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》中明確要求“將教育信息化作為教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，支撐引領(lǐng)教育現(xiàn)代化發(fā)展，推動教育理念更新、模式變革、體系重構(gòu)、使我國教育信息化發(fā)展水平走在世界前列”[1].在教育信息化從1.0升級到2.0的過程中“深度融合”“內(nèi)生變量”將成為教師需要認(rèn)真思考的問題.

虛擬實驗技術(shù)作為新興信息技術(shù)的一種，如何有效地將其融合進(jìn)以實驗為基礎(chǔ)的物理學(xué)科教學(xué)中，一直以來都是信息技術(shù)和課程整合研究的熱點(diǎn)問題以及發(fā)展的趨勢.我們在中學(xué)物理課堂中設(shè)置分組實驗，不僅僅是為了驗證理論知識，更是為了加強(qiáng)學(xué)生在動手操作過程中培養(yǎng)實驗操作能力、分析數(shù)據(jù)能力、應(yīng)用所學(xué)的知識解決實際問題的能力、以及小組協(xié)作能力等，讓學(xué)生在實踐活動中理解知識，在任務(wù)創(chuàng)新中進(jìn)階思維.而實驗環(huán)境一旦虛擬化后，物理實驗的精髓是否還存在？這也是廣大教師擔(dān)憂的問題.其實我們并沒有讓虛擬實驗完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，而是在傳統(tǒng)實驗為主的基礎(chǔ)上，利用虛擬實驗室的特點(diǎn)大大改善傳統(tǒng)實驗對學(xué)生進(jìn)行實驗活動的制約.北京師范大學(xué)何克抗教授說：“所謂信息技術(shù)與課程整合，就是將信息技術(shù)有效地融合在各學(xué)科的教學(xué)來營造一種信息化教學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)一種既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分體現(xiàn)學(xué)生主體地位的以‘自主、探究、合作為特征的教學(xué)方式，從而把學(xué)生的主動性、積極性、創(chuàng)造性較充分地發(fā)揮出來”[2].本文列舉了筆者在光學(xué)實驗教學(xué)實踐中的若干個案例，以此來闡述如何有效地把虛擬實驗室技術(shù)與實驗教學(xué)融合.

1?補(bǔ)充分組實驗數(shù)據(jù)?輔助實驗結(jié)果分析

物理學(xué)科在教學(xué)過程中能讓學(xué)生做實驗的，教師應(yīng)該盡力創(chuàng)設(shè)條件讓學(xué)生去親身經(jīng)歷實驗的全過程.在分組實驗中存在著理論規(guī)律學(xué)生已經(jīng)掌握了的部分實驗，在實驗中改變實驗條件需要耗費(fèi)大量實驗時間，在有限的教學(xué)時間內(nèi)，多數(shù)學(xué)生只能完成一種實驗條件，無法完成多組，這時候虛擬實驗室的輔助功能就可以凸顯出來了.教師可以讓學(xué)生在實驗室中實際操作完成一組實驗后，改變實驗條件的部分則是通過虛擬實驗平臺完成.例如透鏡成像實驗，在此實驗中需要多次調(diào)節(jié)光屏才能找到蠟燭成像的位置，而且對實驗環(huán)境的要求很高，若周圍亮度較強(qiáng)，會造成蠟燭的像亮度變化不明顯，不易準(zhǔn)確找到成像位置.這時我們利用NB虛擬物理實驗中的光學(xué)實驗平臺，搭建出如圖1所示的實驗裝置.學(xué)生可以在電腦上很方便地更換光源（有蠟燭，字母F等），調(diào)節(jié)整個光具組等高共軸，調(diào)節(jié)光源、透鏡、光屏的位置，在電腦屏幕上觀察不同位置時成像的情況，并且很快地記錄下各個光具座所在的位置.所有的實驗步驟易操作，實驗現(xiàn)象便于觀察，實驗數(shù)據(jù)記錄便利，數(shù)據(jù)的分析也可以利用計算機(jī)完成，大幅度提升了本實驗的實驗效率.這樣學(xué)生在已有操作經(jīng)歷的基礎(chǔ)上，可以把更多的精力花在對實驗現(xiàn)象、實驗規(guī)律的總結(jié)和對理論知識的理解上.

2?豐富實驗探究素材?優(yōu)化課堂探究過程

有些光學(xué)實驗是在中學(xué)實驗室條件下難以完成的，究其原因如實驗器材的緊缺、中學(xué)實驗器材精確度不高等，但此實驗對學(xué)生理解物理規(guī)律、深化理論知識應(yīng)用能力的提升又有很大幫助的，這時候我們就可以利用虛擬實驗室來完成這類實驗.但如果單純地依靠計算機(jī)進(jìn)行模擬，用鼠標(biāo)在屏幕上完成實驗，課堂上很重要的一個環(huán)節(jié)就會丟失，這就是互動，包括師生互動和生生之間的互動.如何在利用虛擬實驗室完成實際難以操作的實驗中，依然能夠讓學(xué)生在互動中學(xué)習(xí)，這就需要教師從建構(gòu)主義、多元認(rèn)知理論等方面去思考，更加精心地設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié).

例如高中光學(xué)中有這樣一類問題：

如圖2所示，ox軸沿水平方向，oy軸沿豎直向上方向.在x>0，y>0的區(qū)域內(nèi)存在某種分布范圍足夠廣的介質(zhì)，其折射率隨著y的變化而變化.一束細(xì)光束入射到介質(zhì)表面，并沿著如圖2所示從a到b的一條弧形路徑傳播.下列判斷正確的是

A.此介質(zhì)的折射率隨著y的增大而減小

B.海洋蜃樓發(fā)生時空氣折射率隨高度的變化與此類似

C.沙漠蜃樓發(fā)生時空氣折射率隨高度的變化與此類似

D.這束細(xì)光束在繼續(xù)傳播的過程中會發(fā)生全反射

本題型涉及到光通過連續(xù)不均勻介質(zhì)的問題，是屬于折射定律中難度較大的應(yīng)用.教師若按照傳統(tǒng)教學(xué)方法去講解，通過折射定律的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，因涉及到高等數(shù)學(xué)的知識，使得很大一部分同學(xué)并沒有完全理解本題的內(nèi)在實質(zhì)，只是簡單地記答案，題目只要稍作變形就無法解決.那么應(yīng)用虛擬實驗室教師可以先讓學(xué)生猜測一下：如果一束光通過隨高度增大而折射率逐漸減小的介質(zhì)，光的傳播路徑會出現(xiàn)什么情況，原因是什么？

讓學(xué)生自己先畫出猜想的結(jié)果，并嘗試解釋它.然后教師再用NB虛擬實驗室去模擬實驗結(jié)果如圖3所示，因為學(xué)生有事先猜想，對實驗有參與感，所以學(xué)生對結(jié)果的揭曉是很重視的.此時教師又可以讓做出正確結(jié)果的同學(xué)來說一說用折射定律如何解釋這種現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)生和學(xué)生之間的互動，由學(xué)生告訴學(xué)生答案的效果要比教師告訴學(xué)生答案的效果好得多.最后，教師可以繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生：“那么，我們生活中有什么實例是剛才這種現(xiàn)象的應(yīng)用？”學(xué)生只要稍加思考和聯(lián)系生活就可以馬上發(fā)現(xiàn)這就是海市蜃樓的物理模型.

教師還可以在課堂上及時改變實驗條件，出現(xiàn)如圖4所示的光路，讓學(xué)生應(yīng)用折射定律再次解釋，反復(fù)鞏固所學(xué)過的理論知識.如此在教學(xué)實踐中有機(jī)結(jié)合虛擬實驗室的優(yōu)點(diǎn)，在利用技術(shù)的基礎(chǔ)上再通過教師適時的引導(dǎo)，讓學(xué)生自主進(jìn)行知識重構(gòu)，不僅能夠增強(qiáng)課堂上的互動效果，并在此過程中完成物理核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的培養(yǎng)落地，這包括有對世界的好奇心與求知欲，能主動與他人合作，尊重他人，能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見解.

3?再現(xiàn)經(jīng)典實驗?提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)

高中物理在介紹光的本性這部分內(nèi)容中，由于高考對此部分的要求并不高，所以教師常忽視這部分的教學(xué)，學(xué)生并沒有真正理解什么是光的干涉和衍射，甚至有部分學(xué)生并不認(rèn)識衍射圖案和干涉圖案.鑒于現(xiàn)實實驗條件的限制，大多數(shù)中學(xué)并沒有辦法讓學(xué)生親手操作光的衍射和干涉實驗.雖然高考對這部分的考察很少，但對光的本性的研究是物理學(xué)發(fā)展中很重要的一個里程碑，對光的本性有正確的認(rèn)識會對中學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)有很好的提升作用.我們利用虛擬實驗平臺就可以很方便地展示泊松亮斑、圓屏衍射、雙縫干涉等物理學(xué)上的經(jīng)典實驗（如圖5）.學(xué)生通過虛擬實驗平臺對這些實驗現(xiàn)象的理解就不僅僅停留在課本上的插圖，而是有了自己的親身經(jīng)歷，對學(xué)生理解相關(guān)部分的理論知識和完善學(xué)生學(xué)科知識體系等都起到了很好的輔助作用.

4?拓展實驗探究?培養(yǎng)實踐意識

在教學(xué)中，如果能激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力就能夠得到極大的提高.自主學(xué)習(xí)的形成讓學(xué)生真正成為教學(xué)的主體，讓學(xué)生自發(fā)地參與到教學(xué)實踐活動中來，許多問題由學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中自行產(chǎn)生，然后自行設(shè)計實驗去驗證想法的真?zhèn)危绻甲稣鎸嵉膶嶒?，耗時費(fèi)力，有時候反而會挫傷學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情.而虛擬實驗室就能夠很好地解決這個問題，軟件中把各個光學(xué)元件模塊化，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求去調(diào)用自己所需的光學(xué)元件進(jìn)行組裝，滿足學(xué)生各種天馬行空的猜想，實驗失敗也不用擔(dān)心會損壞儀器，實驗過程中如果產(chǎn)生新的想法也可以很方便地改變實驗條件，實驗現(xiàn)象容易觀察，實驗數(shù)據(jù)方便記錄.同時課后虛擬平臺還記錄下學(xué)生的實驗軌跡、學(xué)生的學(xué)習(xí)行為等過程性數(shù)據(jù)，這對幫助教師了解學(xué)生學(xué)情，優(yōu)化教學(xué)策略，幫助學(xué)生定位自我認(rèn)知水平等都有很大的幫助.

5?結(jié)束語

2018年教育部發(fā)布的普通高中學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)中明確地提出了學(xué)科核心素養(yǎng)，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)之一就包括科學(xué)探究，而從教育的角度來說，物理實驗教育對學(xué)生更好地理解自然科學(xué)知識、提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識求知意識等方面都具有舉足輕重的作用.在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，由于虛擬實驗技術(shù)的進(jìn)步，物理實驗的內(nèi)容和方式方法都得到極大的擴(kuò)展[3].教師在教學(xué)中應(yīng)該注重將傳統(tǒng)的物理實驗與虛擬實驗技術(shù)更有效地結(jié)合起來，這樣將使學(xué)生的科學(xué)實驗活動不受地域和時間的制約，更好地培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.教育信息化2.0行動計劃[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[2]何克抗.信息技術(shù)與課程深層次整合理論[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2008.

[3]黃愛國.“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的中學(xué)物理教學(xué)展望[J].物理教師，2017，38（06）：74-76+79.

（收稿日期：2019-09-07）