摘 要：文章以電學(xué)實(shí)驗(yàn)為研究切入點(diǎn)，分析現(xiàn)階段電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，圍繞虛擬技術(shù)在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用展開探究，旨在促進(jìn)電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的革新，不斷提升電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性.

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；電學(xué)；核心素養(yǎng)；虛擬技術(shù)

中圖分類號：G632

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0333（2024）33-0092-03

收稿日期：2024-08-25

作者簡介：張會霞（1979.2—），女，甘肅省徽縣人，本科，高級教師，從事高中物理教學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：甘肅省隴南市教育科學(xué)研究2023年度一般課題“應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)對中考物理實(shí)驗(yàn)操作能力提升的探究”（課題立項(xiàng)號：LN[2023]308）.

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，電學(xué)實(shí)驗(yàn)是重難點(diǎn)，由于電流本身看不見、摸不著，只能借助小燈泡、電表等儀器顯示出來.另外，電存在一定的危險(xiǎn)性，多數(shù)教師不得不利用“講”實(shí)驗(yàn)的方式開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，致使電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果低下，阻礙了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展^[1].面對這一現(xiàn)狀，教師可充分依托互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)平臺，借助虛擬技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生在虛擬技術(shù)的輔助下，高效地完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí).

1 虛擬實(shí)驗(yàn)在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵

虛擬實(shí)驗(yàn)是在信息技術(shù)、虛擬技術(shù)、人工智能技術(shù)建立的教學(xué)環(huán)境中展開的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動.在虛擬實(shí)驗(yàn)中，師生可在鍵盤、鼠標(biāo)、VR眼鏡的輔助下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并由此獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果.和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)的效果和安全性都具備顯著的優(yōu)勢，并呈現(xiàn)出四個(gè)顯著的特點(diǎn)：（1）臨場性.和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中所獲得體驗(yàn)與其相一致.同時(shí)，在虛擬實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加逼真，可激發(fā)學(xué)生的參與積極性.（2）開放性.和常規(guī)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、地點(diǎn)、材料等限制，給學(xué)生提供了更大的自主權(quán)，且學(xué)生還可以結(jié)合自己的需求反復(fù)操作，從整體上提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果.（3）形象性.在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺中，教師可利用信息技術(shù)開發(fā)出更全的實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)材料，以更好地滿足不同類型、不同等級物理實(shí)驗(yàn)需求，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中，收獲到學(xué)習(xí)的快樂.（4）安全性.部分物理實(shí)驗(yàn)常常具備一定的危險(xiǎn)性，尤其是用到水銀、電、火的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生稍有不慎就有可能受傷.而在虛擬平臺上，則可將學(xué)生受傷的概率降低為零，最大限度保障學(xué)生的安全.

1.2 虛擬實(shí)驗(yàn)在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用優(yōu)勢

鑒于此，基于虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，將其和電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合到一起，已成為教師的首選.具體來說，虛擬實(shí)驗(yàn)在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

首先，有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.就電學(xué)實(shí)驗(yàn)來說，存在大量看不見、摸不著的抽象概念，如電子的移動、電流的流向等.同時(shí)，在探究電流和電路的實(shí)驗(yàn)中，一旦出現(xiàn)短路現(xiàn)象，就會產(chǎn)生一定的危險(xiǎn).面對這一現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，基本上都是通過口頭講解的模式進(jìn)行教學(xué)，致使實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果不佳.鑒于此，在虛擬實(shí)驗(yàn)條件下，可依托視頻等方式，將抽象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可視化，將危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安全呈現(xiàn)出來，以此，真正提升實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果^[2].

其次，有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.傳統(tǒng)的電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，呈現(xiàn)出極強(qiáng)的師本性，基本上都是遵循“傳遞-接受”式的模式開展教學(xué).在這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，雖然發(fā)揮了教師助力學(xué)生形成系統(tǒng)化的知識體系的作用，但對于學(xué)生來說，不利于其動手操作能力和高階思維的培養(yǎng)，也難以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣.鑒于此，在虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)下，可將物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)有序、形象化地呈現(xiàn)出來，并將其真切地反應(yīng)到學(xué)生的腦海中.如此一來，可最大限度激發(fā)學(xué)生的電學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣.

最后，有助于節(jié)約實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源.電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對實(shí)驗(yàn)資源提出了更高的要求.但是在虛擬實(shí)驗(yàn)條件下，學(xué)生只需要通過一臺電腦即可完成.同時(shí)，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上，學(xué)生可結(jié)合自己的需求，隨時(shí)隨地進(jìn)行，對學(xué)生來說更加方便.因此，從這兩個(gè)角度上來說，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺可以有效節(jié)省了學(xué)校的教育資源^[3].

2 虛擬實(shí)驗(yàn)在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用

2.1 利用虛擬技術(shù)優(yōu)化演示實(shí)驗(yàn)

在物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，演示實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要的組成.在實(shí)際演示實(shí)驗(yàn)中，常常面臨著可視度低，或者演示實(shí)驗(yàn)效果不明顯等現(xiàn)象.此外，在演示實(shí)驗(yàn)中，還會受到實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)儀器以及座位距離等因素的影響，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中面臨著不易觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果等問題，很大程度上制約了學(xué)生電學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果.面對這一現(xiàn)象，教師在優(yōu)化演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可利用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，借助視頻形式，將提前錄制好的實(shí)驗(yàn)直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前.同時(shí)，在虛擬實(shí)驗(yàn)中，教師還可通過慢放、將細(xì)節(jié)放大等方式，讓學(xué)生更好地進(jìn)行觀察，進(jìn)而提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果.例如，在“伏安法測未知電阻”的物理實(shí)驗(yàn)中，在常規(guī)的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生在觀察中常?？床磺寤瑒幼冏杵魇侨绾芜B接的，當(dāng)接入電路之后，學(xué)生也無法看清表盤的轉(zhuǎn)動、讀數(shù)等.在這種情況下，學(xué)生很難積極參與到實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，以致演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大打折扣.針對這一現(xiàn)狀，教師可利用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程投影到多媒體屏幕上，使學(xué)生在直觀的觀察中，清晰感知實(shí)驗(yàn)操作的各個(gè)步驟，了解實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)以及注意事項(xiàng)等.同時(shí)，在虛擬實(shí)驗(yàn)的幫助下，學(xué)生還可以跟著教師的操作進(jìn)行思考、質(zhì)疑，真正提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果^[4].

2.2 基于虛擬技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過程

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是能夠被學(xué)生所觀察到的，但是物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后蘊(yùn)含的物理知識、物理規(guī)律卻比較抽象，致使學(xué)生在理解上面臨較大難度，尤其是電學(xué)實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀察到.在這種情況下，學(xué)生在對物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)背后蘊(yùn)含知識進(jìn)行探究時(shí)，基本上都是根據(jù)教材中的文字展開想象，極大地增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，降低了學(xué)生的電學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果.針對這一現(xiàn)狀，教師可采用虛擬實(shí)驗(yàn)的模式，依托錄像、動畫模擬等方式，使原本抽象的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)更加直觀、形象，幫助學(xué)生搭建起實(shí)驗(yàn)認(rèn)知的橋梁.例如，在“電容器充放電”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，受實(shí)驗(yàn)條件的限制，教師無法使用電流傳感器將充放電的狀態(tài)呈現(xiàn)在學(xué)生面前.如此，學(xué)生只有通過課本上的示意圖對這一過程進(jìn)行理解，致使學(xué)生在理解中存在較大的難度.鑒于此，教師在優(yōu)化電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可借助虛擬仿真平臺，依托動態(tài)化的方式，將電容器在充放電兩種狀態(tài)下的電子流動過程直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生在直觀、形象的感知下，對其背后蘊(yùn)含的知識形成了深刻的理解，真正提升了學(xué)生電學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果.

2.3 基于虛擬技術(shù)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)探究

新課程背景下，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，已經(jīng)成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重中之重.但是在電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常常受實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)場地的限制，給學(xué)生實(shí)際動手操作的機(jī)會非常少.在這種情況下，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力更是無從談起.鑒于此，教師在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可采用虛擬實(shí)驗(yàn)的模式，讓學(xué)生在虛擬場景中，獨(dú)立設(shè)計(jì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)方案，改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)等，在實(shí)驗(yàn)探究中促進(jìn)其實(shí)驗(yàn)探究能力的發(fā)展.例如，在“探究電流與電壓和電阻的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，教師借助了NOBOOK這一虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，指導(dǎo)學(xué)生通過控制變量的方法展開探究，即電阻一定時(shí)，對電流和電壓的關(guān)系進(jìn)行探究；電壓一定時(shí)，對電流和電阻的關(guān)系進(jìn)行探究.之后，學(xué)生在虛擬平臺上，結(jié)合控制變量研究方法，獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并通過改變電源電壓參數(shù)、調(diào)節(jié)滑動變阻器等方式，最終完成實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí).可以說，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的輔助下，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究活動中，逐漸實(shí)現(xiàn)了科學(xué)探究素養(yǎng)的提升.

2.4 利用虛擬技術(shù)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動中，教師不僅要帶領(lǐng)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)過程展開探究，還應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開分析.即對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并透過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)理解各個(gè)物理量之間的關(guān)系，最終促使學(xué)生對物理知識、物理規(guī)律形成全面深刻的理解.鑒于此，教師在優(yōu)化電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可充分借助虛擬實(shí)驗(yàn)這一方式，依托數(shù)據(jù)處理軟件，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的計(jì)算、分析等.如此，學(xué)生在規(guī)范化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，對物理量關(guān)系形成了深刻的認(rèn)知，進(jìn)而加深了對物理知識、物理規(guī)律和物理概念的深度理解，真正達(dá)到了物理實(shí)驗(yàn)探究的效果^[5].

3 虛擬實(shí)驗(yàn)在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中注意事項(xiàng)

鑒于虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，已經(jīng)成為一種必然趨勢.但是教師在設(shè)計(jì)虛擬電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

第一，能實(shí)不虛.教師在開展虛擬電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，必須明確如果能夠進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，就不需要采用虛擬電學(xué)實(shí)驗(yàn).這主要是因?yàn)樵谡鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)活動中，更能獲得理想的學(xué)習(xí)效果.唯有在缺乏實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性大、實(shí)驗(yàn)需要理想條件等特殊情況時(shí)，才可借助虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式；反之，針對一些簡單易操作、實(shí)驗(yàn)成本低、實(shí)驗(yàn)直觀性比較好、不存在危險(xiǎn)性的電學(xué)實(shí)驗(yàn)來說，最好采用真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模式，讓學(xué)生在親身操作的過程中，形成科學(xué)的態(tài)度和精神.

第二，虛實(shí)相結(jié)合.在物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，針對效果不夠明顯、實(shí)驗(yàn)條件苛刻、具備危險(xiǎn)性等電學(xué)實(shí)驗(yàn)，教師在組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，可采用虛實(shí)相結(jié)合的原則，將虛擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，先借助真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，并借助虛擬實(shí)驗(yàn)的方式突破實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，最終引領(lǐng)學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中，完成電學(xué)實(shí)驗(yàn)的高效學(xué)習(xí).

第三，學(xué)生主體性.在物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師在開展虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)“講授-接受”式的教學(xué)模式，基于學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，精心選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動，使學(xué)生積極主動參與到虛擬實(shí)驗(yàn)中.另外，為了保障虛擬電學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，教師在完成虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，還應(yīng)組織學(xué)生展開交流與討論，指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)中的問題展開反思與總結(jié).

4 結(jié)束語

綜上所述，教育信息化背景下，基于虛擬技術(shù)優(yōu)化物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，已經(jīng)成為當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重中之重.經(jīng)課堂教學(xué)實(shí)踐證明，促進(jìn)虛擬技術(shù)和電學(xué)實(shí)驗(yàn)的有效整合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的弊端，并激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果.因此，物理教師應(yīng)立足虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵，遵循一定的原則，將其科學(xué)合理地應(yīng)用到電學(xué)演示實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中完成電學(xué)實(shí)驗(yàn)的高效學(xué)習(xí)，并從中獲得核心素養(yǎng)的提升與發(fā)展.

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：李 璟]