聶哲星 孫福玉 徐海燕 李敏

摘?要：在新課改背景下，中學(xué)物理中的實驗越來越受到重視，物理教師正在通過各種教學(xué)手段促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。虛擬實驗平臺是在信息化時代發(fā)展過程中形成的一種實驗輔助工具，能夠利用信息技術(shù)模擬真實實驗來進(jìn)行實驗。本文介紹了國內(nèi)常用的兩種虛擬實驗平臺，并闡述了虛擬實驗平臺在中學(xué)物理教學(xué)中各種場景下的應(yīng)用，以期更好地推動虛擬實驗為物理課堂教學(xué)有效賦能。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理；虛擬實驗平臺；實驗教學(xué)優(yōu)化

中圖分類號：TB?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.15.092

0?引言

我國中學(xué)生的物理水平已經(jīng)走在國際的前列，但學(xué)生不善于發(fā)現(xiàn)問題，缺乏動手能力的現(xiàn)象一直為人們所詬病，也越來越受到教育部門的重視。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，我們的教育方式開始逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變。如今，信息技術(shù)正在與教學(xué)相互融合，這是時代的一種必然趨勢。虛擬實驗在這個時代應(yīng)運而生，它作為現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展下的產(chǎn)物，為教育提供了一種全新的手段去促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，改進(jìn)過去教育的不足之處。同時，新冠疫情的出現(xiàn)也再次促進(jìn)了教育信息化包括虛擬實驗的發(fā)展。但是目前對虛擬實驗的使用仍然處于探索的道路中，因此，如何將虛擬實驗的價值最大化地發(fā)揮出來，使它更好地為教育教學(xué)服務(wù)，是當(dāng)前值得思考的一個問題。鑒于此，本文介紹了兩種國內(nèi)最常用的虛擬實驗平臺，并探索了NOBOOK等虛擬實驗平臺在中學(xué)物理各種教學(xué)場景下的應(yīng)用，以期更好地推動虛擬實驗為物理課堂教學(xué)有效賦能。

1?國內(nèi)常用虛擬實驗平臺介紹

隨著時代的發(fā)展，虛擬實驗平臺逐漸普及，在這里介紹兩種目前國內(nèi)最常用的虛擬實驗平臺：NOBOOK虛擬實驗室和中央電化教育館中小學(xué)虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)。

NOBOOK虛擬實驗室是樂步教育研發(fā)的一款專門為中學(xué)教師設(shè)計的實驗教學(xué)輔助軟件（如圖1所示為NB物理實驗界面）。它的內(nèi)容覆蓋范圍廣，保存了從小學(xué)到高中，科學(xué)、物理、化學(xué)、生物四個學(xué)科的所有實驗資源。模擬實驗的還原度高，進(jìn)行操作時有錯誤提示和修復(fù)功能。教材上的經(jīng)典實驗都設(shè)計好了實驗設(shè)備和操作提示，學(xué)生可以用來預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，而教師可以利用其可創(chuàng)編性根據(jù)需求開發(fā)更多的實驗教學(xué)資源以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維；它的適用性強(qiáng)，可以在線使用也能在無網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)下運行，Windows、Mac、IOS、Android全平臺適應(yīng)，支持手機(jī)、一體機(jī)、電子白板等多終端進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，既方便教師組織實驗教學(xué)，也方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)和重復(fù)實驗。

中央電教館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)上已有的實驗資源達(dá)4722項并且還在不斷增加，教師只需將實驗資源調(diào)入創(chuàng)編系統(tǒng)中就能使用，還可以配合系統(tǒng)中的VR技術(shù)，在有條件的學(xué)校里為學(xué)生創(chuàng)建一個立體的學(xué)習(xí)場域，使學(xué)生獲得交互式學(xué)習(xí)體驗，促進(jìn)學(xué)生沉浸式學(xué)習(xí)。系統(tǒng)中有大量的視頻資源，其中既有真實實驗實拍視頻，也有記錄虛擬實驗詳細(xì)操作步驟的3D演示視頻，教師可以根據(jù)課堂需要進(jìn)行選擇。

2?NOBOOK等虛擬實驗平臺在各種場景下的應(yīng)用

2.1?在需要直觀演示的課堂教學(xué)中虛擬實驗平臺的應(yīng)用

在物理課堂上，有一些較為抽象的物理概念，如果物理教師單憑講授法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生難以產(chǎn)生代入感，容易出現(xiàn)似懂非懂、理解偏差的情況，而真實實驗效果又不明顯，此時就可以用虛擬實驗進(jìn)行補(bǔ)充。

例如，在講解摩擦起電的知識時，傳統(tǒng)的實驗不能直觀地讓學(xué)生看到電荷的產(chǎn)生和移動，學(xué)生只能通過教師的口述來理解。但如果在課堂中使用NOBOOK等虛擬實驗平臺演示模擬實驗進(jìn)行補(bǔ)充就可以讓學(xué)生清楚地看到摩擦起電的全過程。在小磁針實驗中，假想出來磁感線無法被觀察到，而在虛擬實驗中就很容易觀察到小磁針的指向與磁感線一致等。

同時，在一些較難理解的知識點上，物理教師也可以利用虛擬實驗的可觀測性來輔助教學(xué)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。如高一的學(xué)生抽象思維和邏輯推理不強(qiáng)，剛剛接觸受力分析時感性認(rèn)識居多，對彈力的方向的判斷比較模糊。此時，如果物理教師用NOBOOK等虛擬實驗平臺進(jìn)行模擬，就可以清晰地看出彈力方向以及大小，并且可以通過改變物體的布局如移動擋板等，引導(dǎo)學(xué)生觀察物體的受力分析的實時變化，從而直觀地感受到彈力的方向和大小如何變化的。通過虛擬實驗，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂參與感得到提高，教學(xué)氛圍活躍，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率就高。

2.2?在缺乏實驗器材的物理課堂中虛擬實驗平臺的應(yīng)用

當(dāng)前越來越多的物理教師認(rèn)識到物理實驗的重要性，但由于一些地區(qū)和一些學(xué)校的經(jīng)費不足，導(dǎo)致一些實驗器材不夠，物理教師也是巧婦難為無米之炊。于是很多教師只能自制教具，然而，并不是所有實驗都能夠通過自制教具完成的，這時候NOBOOK等虛擬實驗平臺就有了用武之地。

例如，魯科版的高中物理教材中有一個利用光的干涉檢查工件平整程度的實驗，物理教師雖然可以憑借理論推導(dǎo)來得到相關(guān)結(jié)論和規(guī)律，但是對于學(xué)生來說，這種方法枯燥乏味、晦澀難懂，理解也不夠深刻。而教師又很難有條件能夠完成這個真實實驗，此時運用NOBOOK等虛擬實驗平臺進(jìn)行模擬實驗，學(xué)生就能夠很清晰地看到，當(dāng)工件不平整時，出現(xiàn)的干涉條紋的形狀是怎樣的，教師還能通過改變實驗參數(shù)來引導(dǎo)學(xué)生觀察干涉條紋的變化。

2.3?在包含危險性實驗的物理課堂中虛擬實驗平臺的應(yīng)用

在物理實驗中，有些實驗具有危險性，只能放棄真實實驗或只能進(jìn)行部分真實實驗，故而難以讓學(xué)生經(jīng)歷實驗探究的全過程，此時就可以選擇使用NOBOOK等虛擬實驗平臺進(jìn)行模擬實驗，由于是在完全安全的情況下，不僅可以用于教師的演示實驗，也可以滿足學(xué)生實驗操作的需要。

例如，人教版九年級物理中“家庭電路”這一節(jié)，它既是前面幾章電學(xué)知識的拓展提高，又是本章“生活電路”的核心知識。但由于家庭電路具有高危險性，物理教師需要考慮到安全隱患和操作不便等問題，本節(jié)的許多實驗如“家庭電路短路”和“燈泡與開關(guān)的連線”都無法進(jìn)行真實實驗。那么就可以利用虛擬實驗安全性的優(yōu)點代替真實實驗。在講解家庭電路的三種電路狀態(tài)時，物理教師可以類比直流電路的三種狀態(tài)的同時用NOBOOK等虛擬實驗平臺演示家庭電路的三種電路狀態(tài)，待學(xué)生有所了解后讓學(xué)生動手操作，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對相關(guān)知識的理解和探究能力的提高。在學(xué)習(xí)火線和零線的判斷這一難點時，同樣可以在傳授學(xué)生試電筆的使用原理后，先讓學(xué)生通過虛擬實驗規(guī)范操作，再進(jìn)行真實實驗。這種教學(xué)方式在避免了安全隱患的前提下，兼顧了學(xué)生對重難點知識的理解和動手實踐能力。

2.4?在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育下的物理課堂中虛擬實驗平臺的應(yīng)用

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育是隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體不斷發(fā)展形成的一種新興的教學(xué)組織形式，在新冠疫情的沖擊下，它突破時空的限制優(yōu)點得到了青睞，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育目前已經(jīng)成為一種普遍的教育手段。而在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育中，學(xué)生無法像面授課時一樣方便地進(jìn)行真實實驗，因此配合虛擬實驗是最佳的選擇。

例如，在線上對人教版八年級物理中“凸透鏡成像的規(guī)律”進(jìn)行教學(xué)時，“凸透鏡成像規(guī)律”實驗是初中的重點實驗之一，學(xué)生需要熟練掌握實驗儀器進(jìn)行動手操作，而學(xué)生家中又沒有凸透鏡等實驗儀器，那么物理教師可以先播放真實實驗視頻，遵循“能實不虛”的原則，讓學(xué)生在學(xué)會實驗步驟，了解實驗內(nèi)容后再利用NOBOOK等虛擬實驗平臺進(jìn)行實驗操作，由此提高遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育的教學(xué)效果。為了讓學(xué)生掌握這些重要的物理實驗，實驗測試是非常需要的，NOBOOK等虛擬實驗平臺都具有實驗測試模塊，能夠反饋學(xué)生實驗中的遺漏與錯誤，更好的幫助學(xué)生掌握實驗操作細(xì)節(jié)。

2.5?在中學(xué)物理翻轉(zhuǎn)課堂中虛擬實驗平臺的應(yīng)用

翻轉(zhuǎn)課堂也是隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體不斷發(fā)展形成的一種教學(xué)模式，它來自于美國，顧名思義，翻轉(zhuǎn)課堂就是將傳統(tǒng)課堂中課內(nèi)傳授的知識利用導(dǎo)學(xué)案和微課視頻搬到課外，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)，課內(nèi)鞏固和內(nèi)化所學(xué)知識，教師通過了解學(xué)生課前的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行再次的備課，在課堂上不再傳授知識，而是師生交流，為學(xué)生答疑解惑，針對性的突破部分疑難點。與傳統(tǒng)課堂相比，翻轉(zhuǎn)課堂具備許多傳統(tǒng)課堂所不具備的優(yōu)勢，但隨著翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用，其自身的一些弊端也顯現(xiàn)了出來，一部分學(xué)者認(rèn)為這是課堂講授形式的簡單復(fù)刻，是一種被動學(xué)習(xí)的模式。而NOBOOK等虛擬實驗平臺的出現(xiàn)，可以對翻轉(zhuǎn)課堂的弊端進(jìn)行一定的彌補(bǔ)和優(yōu)化。

例如，人教版八年級物理中“天平的使用”是初中物理必考實驗之一，由于托盤天平和砝碼并不是家中常用物品，學(xué)生在課外難以進(jìn)行實驗，對其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計時，就可以通過利用NOBOOK等虛擬實驗平臺的靈活性，讓學(xué)生在課外學(xué)習(xí)天平的使用方法和操作規(guī)范，與此同時，教師還可以通過虛擬實驗平臺的反饋進(jìn)行二次備課，在課堂上利用真實實驗突破重難點，針對學(xué)生的薄弱點進(jìn)行教學(xué)。通過虛擬實驗，能夠極大地提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)效率和教師的課堂效率。

2.6?在中學(xué)物理習(xí)題課中虛擬實驗平臺的應(yīng)用

在習(xí)題教學(xué)中，傳統(tǒng)課堂上的物理教師往往通過公式、原理的講解，示意圖的分析，在黑板或屏幕上針對題目進(jìn)行分析。如此，課堂氛圍往往比較沉悶，學(xué)生一個個都在努力跟上老師的講內(nèi)容，容易感到乏味。將虛擬實驗加入傳統(tǒng)課堂教學(xué)，讓題目中的物理過程更清晰直觀地出現(xiàn)在學(xué)生眼前，不僅可以提升課堂效率，促進(jìn)學(xué)生對物理概念和物理規(guī)律的深化和鞏固，還能利用虛擬實驗進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

在分析問題時學(xué)生常常會遇到的知識運用與自身經(jīng)驗相沖突的情況，會因此而產(chǎn)生疑惑。例如，一道題目中一個金屬塊懸掛著浸入裝著水的燒杯中，求燒杯底部所受液體壓強(qiáng)的變化量。此時需要知道液體液面上升的高度，但初中生對物體浸入液體中液面會上升的情況沒有清晰的認(rèn)識，更加難以理解上升部分液體的體積會等于浸入物體的體積。因此，光靠示意圖進(jìn)行口頭講解是不大夠的，利用NOBOOK等虛擬實驗平臺，讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下不斷地完善自己的實驗方案，主動發(fā)現(xiàn)金屬塊在浸入水中的同時水面在上升，通過實驗數(shù)據(jù)驗證上升部分液體的體積等于浸入物體的體積。如此，學(xué)生對本道題的印象更深刻，在理解相關(guān)物理規(guī)律的同時創(chuàng)造性思維也得到了發(fā)展。

學(xué)生從了解知識到知識的靈活運用需要一段時間，很多時候?qū)W生聽課時對相關(guān)的物理知識理解了，但是卻無法遷移到題目和實際場景中。以勻加速運動為例，學(xué)生在初中只學(xué)習(xí)了勻速直線運動，對勻加速運動的過程需要慢慢消化，因此，物理教師在講解關(guān)于勻加速運動題目時要注意，對于已經(jīng)明白運動過程的學(xué)生來說可以直接套用公式，但對于剛進(jìn)入高中的學(xué)生來說，不理解運動過程而直接套用公式是不能學(xué)會物理的。教師可以通過NOBOOK等虛擬實驗平臺模擬運動的整個過程，平臺能動態(tài)地顯示出整個過程的v-t圖像，使學(xué)生更容易理解整個運動過程，從而達(dá)到對題目知其然也知其所以然。

2.7?在高三物理復(fù)習(xí)課中虛擬實驗平臺的應(yīng)用

高三的復(fù)習(xí)課時間緊、任務(wù)重，物理教師為了提高課堂效率，往往對實驗部分只是通過口頭敘述和例題講解進(jìn)行復(fù)習(xí)，這對于在學(xué)習(xí)新課時掌握得不完善的一部分學(xué)生來說較難消化，有囫圇吞棗的感覺。這些學(xué)生往往只記住了題目的答案而不知其探究過程，由此造成復(fù)習(xí)的低效甚至無效。因此，哪怕是高三的復(fù)習(xí)課，也需要重視實驗探究的過程，讓學(xué)生從體驗中鞏固和深化所學(xué)知識和方法。融合虛擬實驗進(jìn)行教學(xué)不失為一種新的復(fù)習(xí)教學(xué)思路。

以物理必修三中“電池電動勢和內(nèi)阻的測量”實驗為例進(jìn)行融合虛擬實驗的復(fù)習(xí)教學(xué)。在上課前物理教師首先布置任務(wù)，讓學(xué)生先利用NOBOOK等虛擬實驗平臺對本次的實驗原理等進(jìn)行自主復(fù)習(xí)，包括閉合電路歐姆定律、實驗操作步驟、實驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理、誤差分析等。同時發(fā)放精心設(shè)計的前測卷，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)回收后分析學(xué)生的知識掌握情況。在課中教師從事先劃分好的學(xué)習(xí)小組中挑選一組來講述復(fù)習(xí)成果，此時上臺的學(xué)生可以通過虛擬實驗平臺的實驗演示和數(shù)據(jù)圖像來進(jìn)行分享，臺下的學(xué)生進(jìn)行思考、補(bǔ)充和總結(jié)，大大提升了復(fù)習(xí)效率。然后教師再用例題進(jìn)行檢測反饋，待學(xué)生基本掌握相關(guān)知識后，教師可以對實驗進(jìn)行拓展，讓學(xué)生再次進(jìn)入虛擬實驗平臺，分別探究除待測電源和開關(guān)、導(dǎo)線以外，只有一個電壓表和一個電阻箱、一個電流表和一個電阻箱或一個電壓表和一個滑動變阻器的情況下可以測出電源的電動勢和內(nèi)阻嗎？如果能，則要進(jìn)行模擬連接和畫出電路圖，并以學(xué)習(xí)小組的形式討論電路設(shè)計方案、數(shù)據(jù)處理和誤差分析等，使學(xué)生進(jìn)一步對所學(xué)知識進(jìn)行內(nèi)化和遷移。

另外，物理教師在對物理概念和物理規(guī)律的復(fù)習(xí)教學(xué)中往往也是口頭闡述加例題分析的組合，十分枯燥乏味，教師應(yīng)該酌情引入如虛擬實驗等教學(xué)手段提升教學(xué)效果。

3?結(jié)語

虛擬實驗打破了時空的限制，使學(xué)生能夠隨時隨地地進(jìn)行感興趣的實驗探究，它能使課堂省時、高效地完成教學(xué)任務(wù)，能幫助物理教師開展個性化的實驗，提高了學(xué)生在物理實驗中的參與度，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。它具有操作簡單、實驗效果直觀明顯、不受環(huán)境以及實驗儀器的影響、防止安全隱患等優(yōu)于真實實驗的地方，彌補(bǔ)和改善了傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)模式。但虛擬實驗只能用于物理實驗的補(bǔ)充，不能完全代替真實實驗。它不能提供給學(xué)生真實的操作體驗，在操作簡便的同時也意味著限制了學(xué)生動手操作能力的發(fā)展，同時，過于理想化的實驗過程使學(xué)生無法經(jīng)歷真實實驗中實驗故障、操作誤差等問題，學(xué)生缺少對實驗的反思，不利于學(xué)生批判性思維的發(fā)展。所以，物理教師需要將虛擬實驗與真實實驗相互融合，取長補(bǔ)短，才能實現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化。時代在進(jìn)步，科技在發(fā)展，虛擬實驗技術(shù)不斷完善，如何更好地借助NOBOOK等虛擬實驗平臺為教育服務(wù)，需要我們每一位教育工作者的努力開拓和探索。

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