物理學是一門集工具性、綜合性和實用性于一體的學科.高中物理涵蓋了眾多知識點，其中許多與日常生活緊密相關(guān)1.在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，國家倡導信息化教學，多媒體技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越普遍.這些數(shù)智技術(shù)通過圖像、動畫、視頻和迷你軟件等多種媒介，賦能高中物理教學，將抽象和復(fù)雜的概念直觀化、生動化，從而激發(fā)學生的學習熱情，提升教學成效[3].《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對實驗教學提出了更高要求，課程內(nèi)容標準強調(diào)讓學生親身體驗實驗過程，觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，以增強學習興趣，激發(fā)質(zhì)疑精神，并在解決問題的過程中，將物理規(guī)律和概念內(nèi)化為自己的知識，提升物理學科核心素養(yǎng).基于此，本文將探討NOBOOK可視化虛擬軟件在高中物理實驗教學中的應(yīng)用效果.

1高中物理實驗教學和可視化軟件概述

1. 1 高中物理實驗教學

實驗教學是一種以實踐操作為核心的教學方式，它鼓勵學生親自參與實驗設(shè)計、操作器材、觀察現(xiàn)象，以及分析結(jié)果，從而將抽象的物理概念轉(zhuǎn)化為直觀的體驗.與傳統(tǒng)的教師講授、學生聽講的教學模式不同，實驗教學強調(diào)的是動手實踐和主動學習的過程[1].

例如以牛頓第三定律為例，通過實驗教學法，學生可以使用彈簧測力計親自體驗相互拉扯，真實地感受到作用力與反作用力之間的對稱關(guān)系.這種具象化的體驗相較于單純的記憶公式和結(jié)論，更能幫助學生深刻理解力的本質(zhì).

物理實驗課程是連接理論知識與操作實踐的“橋梁”.高中物理涉及電磁學、力學等抽象概念，單純依靠公式推導容易讓學生陷入紙上談兵的困境.例如楞次定律中“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化”的理論，光靠死記硬背，不僅拗口還難以理解，但如果讓學生親自動手操作磁鐵在線圈中插人和拔出，觀察電流計指針的偏轉(zhuǎn)方向，瞬間就能建立直觀認知.《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確指出，當下的教育要培養(yǎng)學生的動手能力、解決實際問題能力和知識的自主探索能力，所以相對來講，實驗課程比常規(guī)理論課程更加符合當前的教學目標4].

1.2 可視化軟件NOBOOK簡介

NOBOOK虛擬實驗室是一款高度仿真的虛擬實驗環(huán)境的創(chuàng)新實驗教學工具，其目的是為用戶提供一個便捷、直觀的實驗操作平臺.該工具融合了多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實（VR）及虛擬仿真技術(shù)，成功地在計算機環(huán)境中重現(xiàn)了傳統(tǒng)實驗的精髓.這款軟件允許用戶根據(jù)個人實驗需求，自由挑選并組裝實驗器材，搭建實驗場景，動態(tài)模擬真實的物理現(xiàn)象.其操作邏輯與真實實驗完全一致，并且所有的實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象完全模擬真實場景，具有高度的準確性和真實性[5].

NOBOOK虛擬實驗室規(guī)劃了四大板塊，分別針對物理、生物、化學及科學領(lǐng)域，即NB物理實驗、NB生物實驗、NB化學實驗和NB科學實驗，全面覆蓋各學科實驗教學需求.用戶只需訪問官方網(wǎng)站，下載相應(yīng)學科的軟件版本并完成賬號注冊登錄，即可開啟實驗.該軟件支持多設(shè)備同步登錄功能，無論是平板電腦、一體機還是智能手機，都能無縫銜接，極大地提升了使用的靈活性和便捷性.用戶登錄后的物理虛擬實驗室軟件主頁如圖1所示，主頁界面主要由四個部分組成：精品資源、我的實驗、新建實驗.

通過游戲化交互和探究式學習，有效提升物理學習效率，適用于常規(guī)課堂、實驗復(fù)習及居家學習，助力物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

2NOBOOK在高中物理實驗教學中的應(yīng)用實踐

2.1 一般資料

在2024年10月至2025年6月期間，選取高一年級中兩個物理平均實驗成績相當?shù)陌嗉壸鳛樵囼瀸ο?，分別為高一7班和高一10班.高一7班作為對照組，班級人數(shù)55人，高一10班作為觀察組，班級人數(shù)56人.然后在高一10班的物理實驗教學中應(yīng)用NOBOOK軟件，有效測評時間為六個月.在入組前，對兩個班級相關(guān)的成績進行了測評.兩個班級在入組前的相關(guān)成績測評如表1所示.

表1

兩個班級的教師均為同一物理教研組的成員，且教學經(jīng)驗豐富，確保試驗的公正性.在實驗開始前，未向任何學生透露實驗內(nèi)容，以避免學生主觀意識調(diào)整影響實驗結(jié)果.

2.2 方法

對照組，高一7班采用傳統(tǒng)的物理實驗教學方法，教學內(nèi)容主要依靠板書、教師口頭講解及演示實驗.對于可現(xiàn)實操作的實驗，如用打點計時器測量加速度等，在條件允許的情況下安排學生統(tǒng)一在實驗室進行實際操作.對于難以大規(guī)模復(fù)刻的實驗，教師則在課堂上講解實驗原理、步驟及注意事項，學生通過動手操作，老師進行現(xiàn)場演示，并通過書面記錄和實驗報告的形式總結(jié)實驗過程和結(jié)果.

觀察組，高一10班在物理實驗教學過程中引入了NOBOOK軟件，具體實施過程如下. ① 實驗前期準備：NOBOOK軟件提供了一些預(yù)設(shè)實驗場景，教師根據(jù)課程內(nèi)容選擇合適的實驗?zāi)K，提前準備好軟件上的實驗設(shè)備和實驗數(shù)據(jù). ② 實驗中期操作：教師先示范，然后讓學生使用NOBOOK進行虛擬實驗操作，通過觸摸屏來完成虛擬實驗操作，操作過程中系統(tǒng)可實時反饋實驗步驟的準確性和結(jié)果，學生可以在軟件中進行數(shù)據(jù)記錄和分析.另外學生不僅能操作實驗設(shè)備，還能實時調(diào)整實驗參數(shù)，并根據(jù)軟件的提示完成實驗任務(wù). ③ 數(shù)據(jù)分析與討論：NOBOOK軟件能夠自動收集實驗數(shù)據(jù)，生成圖表與報告，學生可以直觀地分析實驗結(jié)果，并在課堂上與同學和教師進行討論，優(yōu)化實驗過程.

例如在\"牛頓第一定律”的教學中，教師通過NOBOOK軟件展示了理想斜面實驗，引導學生思考力與運動的關(guān)系.教師首先通過實驗演示物體受力時的運動情況，介紹了亞里士多德和伽利略的觀點.在實驗中，教師讓小球從斜面滾下，并提出問題：“如果沒有摩擦力，小球能否回到原來的高度？”學生通過推理得出結(jié)論：若無摩擦，小球可以回到原來高度.接著，教師逐漸減小斜面傾角，引導學生思考小球的運動趨勢，最終得出結(jié)論：當斜面變?yōu)樗綍r，小球?qū)⒗^續(xù)運動，無法回到原來的高度，如圖2、圖3所示.通過這一過程，學生體會到力并非維持物體運動的原因，驗證了伽利略的理論.這一實驗幫助學生更清晰地理解牛頓第一定律的核心觀點.同樣以此方式開展的有平拋運動實驗、圓周運動實驗以及機械能守恒等相關(guān)理想條件下的實驗等.

圖2

圖3

2.3 觀察指標

（1）實驗設(shè)計能力：基于《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中“科學探究”目標設(shè)計評估，采用開放性實驗設(shè)計題（如“設(shè)計測量重力加速度的實驗方案\"），從提出問題、變量控制、方案可行性三方面進行評分.教師依據(jù)統(tǒng)一評分標準（如是否明確實驗原理、步驟邏輯性）進行打分，滿分100分.

（2）實驗操作規(guī)范性：參照教材實驗操作規(guī)范，通過現(xiàn)場實驗觀察記錄評分.教師根據(jù)學生器材組裝、操作步驟（如氣墊導軌調(diào)平、計時器使用）的準確性進行評分（滿分100分，錯誤步驟扣分，滿分表示零失誤）.

（3）科學思維水平：以科學思維素養(yǎng)內(nèi)涵中的模型構(gòu)建、推理論證等為依據(jù)，對學生進行科學思維測評，采用開放性綜合應(yīng)用題，如“可以如何分析平拋運動中的能量轉(zhuǎn)化？”等題目.評分側(cè)重于學生回答的邏輯嚴密性，比如理論設(shè)計、推導的合理性及結(jié)論是否具有創(chuàng)新性等（比如是否提出了誤差的優(yōu)化方案），總分100分.

表2

（4）學習態(tài)度評分：由負責此次試驗的班主任通過兩個班的教學監(jiān)控，對兩個班級學生的課堂參與度、實驗主動性及在后續(xù)的測評中對學生的合作意識、質(zhì)疑精神等進行主觀評分，同時結(jié)合教師自身上課時的課堂感受由教師進行評分，兩者綜合考量，滿分為100分，取班主任評分和教師評分的平均分.

3結(jié)果分析

經(jīng)過六個月的教學后，采用了NOBOOK軟件的高一10班學生，在第二次測評中，物理實驗設(shè)計、操作能力及相關(guān)的科學核心素養(yǎng)等評分有了明顯的提升，但沿用傳統(tǒng)實驗教學方法的高一7班學生相關(guān)能力水平變化不大，詳細數(shù)據(jù)如表2所示.

4討論

本次研究探討了NOBOOK可視化智能軟件在高中物理實驗教學中的應(yīng)用效果，結(jié)果顯示引入NOBOOK虛擬實驗室的高一10班在物理實驗設(shè)計、操作能力、科學思維水平及學習態(tài)度方面有了顯著提高.作為傳統(tǒng)教學方式的對照組，高一7班的學生這些能力幾乎沒有變化，表明可視化智能軟件在實驗教學中有著獨特優(yōu)勢與實際應(yīng)用價值.

從實驗設(shè)計能力來看，觀察組學生的實驗設(shè)計能力得分顯著高于對照組.表明在NOBOOK軟件輔助教學下，能有效提升學生的實驗設(shè)計能力.NOBOOK軟件提供的虛擬實驗環(huán)境能讓學生靈活調(diào)整實驗條件，如設(shè)備配置、實驗參數(shù)及實驗類型等.同時也具備讓學生按自己的思路去嘗試各類不同方案的條件，所以能讓學生更深入地掌握實驗的核心原理，而且能夠在不斷地嘗試中去優(yōu)化實驗方案.在傳統(tǒng)實驗教學中，學生受限于實驗器材和實驗環(huán)境，難以進行深度的實驗設(shè)計和思考，只能按照課本的步驟去照搬實驗，而NOBOOK軟件能模擬不同的實驗條件，為學生提供了更加寬廣的思考空間，極大地激發(fā)了學生的創(chuàng)造力和自主探究能力.

圖4

另外，高一10班學生的實驗操作規(guī)范性的提升也十分明顯.傳統(tǒng)實驗教學中，許多課堂將實驗簡化為“按圖索驥”的驗證性活動，教師直接提供實驗器材清單、操作步驟甚至數(shù)據(jù)表格，學生只需按部就班地完成規(guī)定步驟即可，但學生在操作中可能出現(xiàn)不規(guī)范的行為、錯誤理解等難以在課堂上暴露，教師也難以發(fā)現(xiàn)，學生得不到及時糾正和反饋，導致學生的實驗操作規(guī)范性難以提升.而NOBOOK軟件有著實時反饋機制，能夠有效糾正學生操作中的失誤，幫助學生在虛擬環(huán)境中反復(fù)練習，直到能夠規(guī)范化地操作每一個實驗步驟，具體如圖4所示.在這種方式下，學生不僅能更好地掌握基本的實驗操作技能，更能培養(yǎng)嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度和良好的操作習慣.尤其是在一些復(fù)雜或危險的實驗中，虛擬實驗的優(yōu)勢尤為突出，學生可以在無風險的環(huán)境中盡情實踐.

另外，培養(yǎng)學生科學思維是物理教學中的一個重要目標，傳統(tǒng)教學更多依賴教師口頭講解和學生自行記憶，而NOBOOK虛擬實驗的引入則使得學生能夠在實際操作中進行推理、驗證并形成科學的思維方式.從本次實驗結(jié)果來看，高一10班的學生科學思維水平的提升也有明顯進步.在NOBOOK虛擬實驗中，學生不僅需要完成實驗任務(wù)，還需要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行分析，理解實驗背后的物理原理.這種與實驗數(shù)據(jù)緊密結(jié)合的學習方式能促使學生加深對科學概念的理解，培養(yǎng)學生運用邏輯思維和科學方法解決問題的能力.例如，在牛頓第一定律的理想斜面實驗中，學生通過不斷調(diào)整摩擦力和斜面傾角，直觀地理解了力的作用與物體運動之間的關(guān)系，進而認識到伽利略的觀點，力并非維持物體運動的原因.學生通過這樣的實踐，不僅鞏固了知識，更增強了解決實際問題的能力.

最后，從學習態(tài)度的提升情況來看，NOBOOK軟件的互動性和實時反饋大大提高了學生參與實驗的積極性和主動性.與傳統(tǒng)課堂教學中被動聽講不同，NOBOOK軟件通過虛擬實驗的方式激發(fā)了學生的好奇心和探索欲望，促使學生積極思考實驗過程中的每一個細節(jié).在試驗過程中，學生可以自由調(diào)整實驗參數(shù)，觀察不同條件下實驗結(jié)果的變化，這種高度的自主性不僅能增加學生對知識的掌握度，還可培養(yǎng)學生的科學探究精神.相較于傳統(tǒng)實驗教學中較為單一的學習方式，NOBOOK軟件的引入使得學生能夠更加主動地參與實驗中，表現(xiàn)出更高的學習積極性和合作意識.

5結(jié)語

總的來說，NOBOOK虛擬實驗室在高中物理實驗教學中的應(yīng)用展現(xiàn)了極大的教學優(yōu)勢.通過將傳統(tǒng)實驗教學與現(xiàn)代科技相結(jié)合，NOBOOK軟件打破了傳統(tǒng)教學模式的局限，提供了一種更為靈活、直觀的教學方式.不僅增強了學生的動手操作能力，更促進了學生科學思維的培養(yǎng)和學習態(tài)度的轉(zhuǎn)變.在未來的物理教學中，通過合理的設(shè)計和應(yīng)用，NOBOOK等數(shù)智賦能高中物理教學的軟件能夠為學生提供更為豐富的學習體驗，并為教師提供核心素養(yǎng)導向的有效教學支持，推動物理教學改革的進一步發(fā)展.

【本文系2024年度廣東省中小學教師培訓中心專項科研課題“核心素養(yǎng)導向的中學物理數(shù)智賦能實驗教學評價及應(yīng)用研究\"（課題編號：GDSP一2024一E009）的階段性研究成果.】

參考文獻：

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[3」劉芷余，秦宇飛，柴萬東.虛擬仿真軟件在中學物理實驗教學中的應(yīng)用—以高中物理實驗“伏安法測電阻”為例[J].赤峰學院學報（自然科學版），2023，39（06）：60-63.

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[5]萬琴.NOBOOK虛擬實驗室輔助下的高中物理實驗教學的實踐研究[D].南昌：江西師范大學，2023.