摘 要：教師在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，能突破時(shí)空限制，有效提升教學(xué)效果。闡述了虛擬仿真技術(shù)的概念與特點(diǎn)，分析了虛擬仿真技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)，主要從新課導(dǎo)入、知識(shí)點(diǎn)講解、實(shí)驗(yàn)演示三個(gè)方面探討了虛擬仿真技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略，旨在為初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的教學(xué)思路與方法。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；初中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

作者簡(jiǎn)介：邵正雷（1985—），男，江蘇省如皋市搬經(jīng)鎮(zhèn)常青初級(jí)中學(xué)。

在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，虛擬仿真技術(shù)已成為教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與實(shí)踐能力的重要途徑，因此教師要積極創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，不斷提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。本研究以虛擬仿真技術(shù)為切入點(diǎn)，探討其在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用，希望能突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，有效提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

一、虛擬仿真技術(shù)的介紹

（一）虛擬仿真技術(shù)的概念

虛擬仿真技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)仿真模擬現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)踐流程、現(xiàn)象演變和過(guò)程發(fā)展，能讓人們直觀理解事物的本質(zhì)及發(fā)展規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科領(lǐng)域，是人類(lèi)探索自然規(guī)律的一個(gè)重要手段。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，在車(chē)輛碰撞測(cè)試、化工和電力行業(yè)的操作實(shí)驗(yàn)、教育教學(xué)等方面都有其身影。相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段，虛擬仿真技術(shù)具有成本低、安全性高和靈活性高等優(yōu)勢(shì)，能夠通過(guò)調(diào)整參數(shù)，迅速模擬多種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，進(jìn)而有效提升實(shí)驗(yàn)研究工作的效率。虛擬仿真技術(shù)不僅在科學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)重要地位，還在教育、醫(yī)療、軍事、娛樂(lè)等多個(gè)領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，是推動(dòng)科技進(jìn)步的有力工具［1］。

（二）虛擬仿真技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)涉及傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，具有沉浸體驗(yàn)、交互性與創(chuàng)意想象三大特點(diǎn)。從沉浸體驗(yàn)的角度來(lái)說(shuō)，虛擬仿真技術(shù)能讓使用者仿佛進(jìn)入一個(gè)真實(shí)的世界，并沉浸其中。從交互性的角度來(lái)說(shuō)，虛擬仿真技術(shù)能讓使用者在虛擬環(huán)境中與計(jì)算機(jī)進(jìn)行一系列互動(dòng)，利用如語(yǔ)言識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別等自然交互手段，靈活操控虛擬研究對(duì)象，完成對(duì)虛擬環(huán)境的深度探索。從創(chuàng)意想象的角度來(lái)說(shuō)，虛擬仿真技術(shù)能輔助使用者在虛擬環(huán)境中完成邏輯推理與判斷預(yù)測(cè)等高級(jí)思維活動(dòng)。

二、虛擬仿真技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)

（一）能創(chuàng)設(shè)更直觀的實(shí)驗(yàn)情境

在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)能創(chuàng)設(shè)更直觀的實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生獲得更好的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。根據(jù)初中生的物理學(xué)習(xí)情況及新的物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，教師應(yīng)運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，營(yíng)造趣味盎然、生動(dòng)活潑的學(xué)習(xí)氛圍。教師將虛擬仿真技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能更直觀地為學(xué)生呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如，在教學(xué)與光線(xiàn)反射有關(guān)的小實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可引入虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生更好地理解光線(xiàn)反射的特點(diǎn)和概念，活躍課堂氣氛，吸引學(xué)生的注意力。另外，教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，還能優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的模式，改變以往“教師講，學(xué)生聽(tīng)”的教學(xué)方式，讓學(xué)生主動(dòng)探究知識(shí)，幫助學(xué)生搭建更完善的物理知識(shí)體系。目前，我國(guó)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在脫離情境的問(wèn)題，教師較少結(jié)合情境開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，能有效呈現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓學(xué)生在具體的物理實(shí)驗(yàn)情境中學(xué)習(xí)物理知識(shí)，體會(huì)實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維，讓學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)更加高效。

（二）有助于學(xué)生鞏固實(shí)驗(yàn)知識(shí)

高效的物理實(shí)驗(yàn)課程能夠讓學(xué)生親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在實(shí)踐中理解物理原理，掌握實(shí)驗(yàn)的操作步驟與方法，提升實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力。在這樣的物理實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生不再是進(jìn)行機(jī)械的模仿，而是進(jìn)行有序的創(chuàng)新。在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，受時(shí)間與實(shí)驗(yàn)器材數(shù)量不足等因素的影響，部分學(xué)生可能無(wú)法在課上理解實(shí)驗(yàn)原理，而在課下，他們也沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)踐機(jī)會(huì)，難以鞏固所學(xué)知識(shí)。而教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，不僅能夠讓學(xué)生直觀理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解自己的不足之處，還能讓學(xué)生在課后重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，這樣能鞏固學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生的多元思考能力及其對(duì)物理實(shí)驗(yàn)探究的興趣［2］。

（三）可突破空間與時(shí)間限制

借助虛擬仿真技術(shù)，教師可突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間與時(shí)間的限制，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。一方面，借助虛擬仿真技術(shù)，教師能夠帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展一些在平時(shí)的物理課堂中無(wú)法進(jìn)行的難度較大的實(shí)驗(yàn)，如探究原子的結(jié)構(gòu)、探究星體的運(yùn)動(dòng)軌跡等實(shí)驗(yàn)；另一方面，教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，能夠縮減實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間，節(jié)約時(shí)間成本，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

三、虛擬仿真技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用的策略

（一）新課導(dǎo)入中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)

在新課導(dǎo)入階段，教師運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，能帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入一個(gè)既廣闊又迷人的物理知識(shí)世界，激發(fā)學(xué)生的知識(shí)探究興趣，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)概念和原理的理解。例如，在家庭電路相關(guān)知識(shí)的教學(xué)中，教師便可在新課導(dǎo)入階段引入虛擬仿真技術(shù)。雖然初中生對(duì)“電”這一概念并不陌生，但他們對(duì)電的理解并不深入，讓他們直接觀察或者操作真實(shí)的家庭電路較為危險(xiǎn)。而僅憑教師的口頭描述和引導(dǎo)，學(xué)生又容易陷入認(rèn)知誤區(qū)。對(duì)此，教師可引入虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仔細(xì)觀察家庭電路并進(jìn)行相應(yīng)的操作，模擬開(kāi)展各種家庭電路實(shí)驗(yàn)，如分析電流過(guò)大的原因、探究漏電保護(hù)器的功能等［3］，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)的理解。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，學(xué)生能隨意調(diào)整各種實(shí)驗(yàn)儀器的參數(shù)，不需要擔(dān)心儀器損壞或安全問(wèn)題。比如，學(xué)生可利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探究電路相關(guān)知識(shí)，觀察電路接入高功率電器時(shí)保險(xiǎn)絲熔斷的現(xiàn)象。通過(guò)這一虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠深入分析電路無(wú)法承受過(guò)大電流的原因。在學(xué)生探究的過(guò)程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生積極尋找保險(xiǎn)絲熔斷問(wèn)題的解決方法。有學(xué)生可能會(huì)提出更換能承受更大電流的保險(xiǎn)絲，并重新閉合總開(kāi)關(guān)。對(duì)此，教師可以讓學(xué)生自己在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中嘗試，最終找到最佳的解決方案。

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師在新課導(dǎo)入階段引入虛擬仿真技術(shù)，不僅能解決教學(xué)資源匱乏的問(wèn)題，還能有效避免學(xué)生在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到危險(xiǎn)，為學(xué)生營(yíng)造更安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。同時(shí)，這樣的教學(xué)還能激發(fā)學(xué)生的知識(shí)探究興趣，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，提升學(xué)生觀察、分析和解決生活中物理問(wèn)題的能力，培養(yǎng)他們的獨(dú)立思考能力。

（二）知識(shí)點(diǎn)講解中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)

物理學(xué)科的知識(shí)具有較強(qiáng)的抽象性，對(duì)于初中生而言，理解起來(lái)具有一定的難度，因此初中物理教學(xué)的難度較大。教師合理地將虛擬仿真技術(shù)引入初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可創(chuàng)設(shè)真實(shí)且直觀的教學(xué)情境，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。在講解物理知識(shí)，尤其是重難點(diǎn)知識(shí)時(shí)，教師可以借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)直觀的教學(xué)情境，生動(dòng)形象地呈現(xiàn)原本晦澀難懂的概念和原理，從而加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解。在模擬實(shí)驗(yàn)情境中，學(xué)生能反復(fù)琢磨相關(guān)知識(shí)，觀察相關(guān)現(xiàn)象，這不僅能節(jié)約實(shí)驗(yàn)材料和教學(xué)時(shí)間，減輕學(xué)生重復(fù)進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的負(fù)擔(dān)，還能提高實(shí)驗(yàn)效率，吸引學(xué)生的注意力，促使學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行知識(shí)探究。

在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師借助虛擬仿真技術(shù)能突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)難關(guān)。第一，虛擬仿真技術(shù)能準(zhǔn)確地模擬物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程及現(xiàn)象。對(duì)于那些在現(xiàn)實(shí)條件下學(xué)生難以直接開(kāi)展或存在一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，教師在教學(xué)時(shí)可借助虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生直觀感知物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，從而深化學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，幫助學(xué)生跨越物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的障礙。例如，在內(nèi)能相關(guān)知識(shí)的教學(xué)中，教師基本不會(huì)將汽油機(jī)帶入課堂，因此學(xué)生基本沒(méi)有機(jī)會(huì)親眼見(jiàn)到四沖程汽油機(jī)的工作狀態(tài)。而新的初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)又要求學(xué)生掌握其工作原理，為此，教師在教學(xué)此知識(shí)點(diǎn)時(shí)便可以引入虛擬仿真技術(shù)，直觀展示其工作過(guò)程［4］。第二，虛擬仿真技術(shù)能將抽象的物理理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體可感的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，提升學(xué)生的抽象思維能力。例如，在現(xiàn)實(shí)生活中，學(xué)生無(wú)法直觀感知微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為此，在講解此知識(shí)點(diǎn)時(shí)，教師可運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)直觀呈現(xiàn)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，幫助學(xué)生建立相應(yīng)的概念模型，讓他們更好地掌握這些知識(shí)。又如，在電磁相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要掌握磁感線(xiàn)的方向，但磁感線(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中是看不見(jiàn)、摸不著的。對(duì)此，教師在教學(xué)時(shí)可引入虛擬仿真技術(shù)，直觀展示磁感線(xiàn)的分布情況，讓學(xué)生直觀地了解磁感線(xiàn)的分布規(guī)律。

在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師借助虛擬仿真技術(shù)，不僅能使抽象的物理知識(shí)點(diǎn)變得具體可感，還能直觀展示難以直接觀察到的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象，為學(xué)生營(yíng)造濃厚的學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升他們的學(xué)習(xí)積極性，讓他們?cè)谙硎芪锢韺W(xué)習(xí)的過(guò)程中，有效掌握重難點(diǎn)知識(shí)。

（三）實(shí)驗(yàn)演示中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)

中國(guó)人口較多，在基礎(chǔ)教育方面還存在一些不足，部分農(nóng)村和經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，教學(xué)設(shè)施較為落后，缺乏必要的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備。因此，為了彌補(bǔ)教育資源的不足，突破教學(xué)條件不足的限制，教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能逐漸完善，囊括了初中至高中的各類(lèi)物理實(shí)驗(yàn)，具有多樣的教學(xué)資源。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能為師生提供一個(gè)設(shè)計(jì)個(gè)性化實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，允許師生根據(jù)自身的需求選擇實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開(kāi)展個(gè)性化實(shí)驗(yàn)。值得一提的是，虛擬仿真技術(shù)能夠幫助師生重現(xiàn)那些在實(shí)驗(yàn)室難以重復(fù)的物理過(guò)程，為教學(xué)方式的多元化提供有力的支撐。

以光學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究為例，盡管這些實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的吸引力，但由于教學(xué)設(shè)施和實(shí)驗(yàn)器材的缺乏，部分實(shí)驗(yàn)無(wú)法在課堂中順利開(kāi)展。而如果不能讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，就很難激發(fā)其物理學(xué)習(xí)興趣，無(wú)法有效提升其物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。比如，光的色散實(shí)驗(yàn)需要實(shí)驗(yàn)者使用三棱鏡或者衍射光柵折射光線(xiàn)，這對(duì)環(huán)境和光源有較高的要求。對(duì)此，教師可通過(guò)虛擬仿真技術(shù)模擬演示光的色散實(shí)驗(yàn)，這樣不僅能夠呈現(xiàn)完整的色散圖譜，還能讓學(xué)生清楚觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而點(diǎn)燃他們的探索熱情。在此基礎(chǔ)上，教師讓學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作，能有效促進(jìn)學(xué)生自主探索能力和思維能力的提升。再如，“小孔成像”實(shí)驗(yàn)比較適合在黑暗的環(huán)境中進(jìn)行，但是教師通常只能在白天的課堂中使用蠟燭開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，這會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。對(duì)此，教師可借助虛擬仿真技術(shù)，輕松模擬出黑暗環(huán)境，并增強(qiáng)蠟燭光亮，以此讓學(xué)生更清楚地看到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這種生動(dòng)的物理現(xiàn)象可以加深學(xué)生對(duì)小孔成像原理及結(jié)論的理解［5］。

教師將虛擬仿真技術(shù)引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能夠有效突破現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件的限制，還能優(yōu)化課堂教學(xué)模式，增強(qiáng)物理課堂的趣味性和互動(dòng)性。

結(jié)語(yǔ)

本研究深入分析了虛擬仿真技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)與運(yùn)用策略，旨在為一線(xiàn)教師提供有益的教學(xué)參考，幫助一線(xiàn)教師構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+教育”課堂，促進(jìn)信息技術(shù)與物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合。在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師通過(guò)運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與探究欲望，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新精神，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

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