虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗教學(xué)的應用論文
以信息技術(shù)為工具，使課程內容的呈現方式、學(xué)生的學(xué)習方式、教師的教學(xué)方式和師生的互動(dòng)方式實(shí)現全新的變革，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程中的各個(gè)要素和環(huán)節，這是數字化教學(xué)與課程融合的要求。將信息技術(shù)有效融入物理教學(xué)過(guò)程來(lái)營(yíng)造一種新型的教學(xué)環(huán)境，可實(shí)現既能發(fā)揮教師主導作用又能充分體現學(xué)生主體地位的“自主、探究、合作”教與學(xué)，讓學(xué)生的主動(dòng)性、積極性、創(chuàng )造性較充分地發(fā)揮出來(lái)，使創(chuàng )新精神和實(shí)踐能力的培養真正落到實(shí)處。筆者在探索數字化教學(xué)與物理課程融合過(guò)程中，發(fā)現了許多非常適合新時(shí)期物理實(shí)驗教學(xué)的軟件應用。本文主要以NB物理實(shí)驗為例，闡述教學(xué)軟件與物理實(shí)驗教學(xué)融合的策略。
一、虛擬實(shí)驗與物理課程融合的緣由
NB物理實(shí)驗全稱(chēng)“NOBOOK虛擬仿真實(shí)驗”（基于HTML5技術(shù)），支持多終端跨平臺訪(fǎng)問(wèn)——電子白板、臺式機、一體機、平板電腦等終端均可使用，適應Windows、IOS、Android等平臺。不僅支持教師任意組裝實(shí)驗、不受實(shí)驗步驟的限制，而且所有實(shí)驗操作均可呈現準確的實(shí)驗數據以及逼真的實(shí)驗現象。NB物理實(shí)驗分為NB電學(xué)實(shí)驗、電磁學(xué)實(shí)驗、力學(xué)實(shí)驗、光學(xué)實(shí)驗、熱學(xué)實(shí)驗和聲學(xué)實(shí)驗6個(gè)獨立的APP。教師在課堂教學(xué)中可以打開(kāi)相應的APP，通過(guò)投屏展示實(shí)驗的操作過(guò)程，可較為直觀(guān)地看到實(shí)驗的一些現象。在學(xué)生終端上可安裝這些軟件，可以讓學(xué)生根據自己的需要，自主設計實(shí)驗方案、自主選擇實(shí)驗器材、自主搭配和組裝實(shí)驗儀器，并記錄實(shí)驗數據。該應用軟件可幫助學(xué)生發(fā)現實(shí)驗設計中的問(wèn)題，以便在真實(shí)的實(shí)驗環(huán)境下，減少實(shí)驗過(guò)程中對儀器的損壞。學(xué)生在家里，也可隨時(shí)通過(guò)軟件進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗操作，并做數據分析。NB物理實(shí)驗與物理課程融合的優(yōu)勢及條件如下：（1）NB物理實(shí)驗是一種全新的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與多媒體技術(shù)一體化的虛擬實(shí)驗系統，它載有適用多系統的軟件與APP、多類(lèi)型的虛擬實(shí)驗器材、多樣化的自主操控平臺及多終端互動(dòng)的教學(xué)平臺，在真實(shí)實(shí)驗的基礎上可實(shí)現信息技術(shù)與物理實(shí)驗教學(xué)的融合，在延續傳統的同時(shí)彌補了其不足；（2）NB物理實(shí)驗利用虛擬儀器做實(shí)驗，用戶(hù)可以自行設置各種參數，以獲得理想的效果；（3）虛擬儀器的應用突破了現有實(shí)驗條件的'限制，排除了各種干擾因素對實(shí)驗的影響（它與數字化實(shí)驗系統的融合值得深入研究）；（4）我國許多地區的教室多為多媒體教室，大都能配備大尺寸多媒體一體機，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )全覆蓋，有些學(xué)校還擁有移動(dòng)智能手機終端設備，這些都為NB物理實(shí)驗進(jìn)入課堂提供了條件。
二、基于數字化實(shí)驗系統的物理實(shí)驗融合應用
NB物理實(shí)驗等數字化實(shí)驗系統為我們提供了一個(gè)新的實(shí)驗探究平臺。應用此平臺能讓學(xué)生從數據讀取、公式運算和圖像描繪等煩瑣的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，讓學(xué)生有充足的時(shí)間和精力對物理現象進(jìn)行多角度的感知和多視角的探究。同時(shí)，我們要認識到數字化實(shí)驗系統與物理課程的有效融合需要先進(jìn)的教育思想介入，它的合理應用本身就要求同步變革傳統教育觀(guān)念、教育思想與教育模式，代之以尊重人的主動(dòng)性、首創(chuàng )性、反思性、合作性的全新的教育觀(guān)念、教育思想與教育模式。筆者認為，NB物理實(shí)驗優(yōu)越性的充分發(fā)揮應基于新的實(shí)驗教學(xué)理念。物理課堂是物理教學(xué)的主陣地，任何教學(xué)方式的改進(jìn)都應該首先能夠服務(wù)于課堂教學(xué)，數字化教學(xué)與物理課程的融合也不例外。高中階段所有實(shí)驗按內容可分為由教師演示的演示實(shí)驗、由學(xué)生驗證或測量數據的操作性實(shí)驗和以探究潛在物理規律的探究性實(shí)驗三類(lèi)。
�。ㄒ唬㎞B物理實(shí)驗對演示實(shí)驗的融合
在物理實(shí)驗中最常見(jiàn)、最普通的實(shí)驗就是演示實(shí)驗。物理教師在講解概念的時(shí)候，因班級人數較多，空間相對較大等客觀(guān)因素，導致很多學(xué)生對物理現象觀(guān)察不清晰，影響學(xué)習。虛擬實(shí)驗則能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。以光學(xué)實(shí)驗為例，由于白天教室實(shí)驗用光線(xiàn)可辨識度低，光學(xué)演示實(shí)驗往往達不到預期效果。虛擬實(shí)驗中實(shí)驗光路圖都能被實(shí)時(shí)展現在一體機屏幕上，實(shí)驗效果直觀(guān)。這樣，大大地提高了學(xué)生對光學(xué)規律的理解能力。例如，利用NB光學(xué)實(shí)驗進(jìn)行光學(xué)折射定律與全反射規律的演示操作時(shí)，教師可添加裝水的玻璃水槽用于觀(guān)察同一光束在不同材料中的偏折情況，讓學(xué)生清晰地觀(guān)察到折射角度不同，從而使他們加深對光的折射現象的理解。
�。ǘ㎞B物理實(shí)驗對操作實(shí)驗的融合
操作實(shí)驗是為了培養學(xué)生的動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，一般在操作實(shí)驗中不主張用虛擬實(shí)驗代替真實(shí)實(shí)驗。在高中物理教學(xué)中，很多電學(xué)實(shí)驗都是操作實(shí)驗。電學(xué)實(shí)驗儀器數量較多且容易因錯誤操作造成損壞。所以在教學(xué)中要讓學(xué)生借助虛擬實(shí)驗觀(guān)察實(shí)驗過(guò)程，掌握正確的操作方法，避免在實(shí)驗中出現過(guò)失。在實(shí)驗中要把真實(shí)實(shí)驗與虛擬實(shí)驗結合，這樣既解決了真實(shí)實(shí)驗的困難，又彌補了虛擬實(shí)驗的不足。另外，電學(xué)實(shí)驗中儀器眾多，只能允許學(xué)生在實(shí)驗室進(jìn)行短暫的電路連接等練習，造成學(xué)生的操作能力得不到有效提高。在真實(shí)實(shí)驗的基礎上，學(xué)生可通過(guò)NB物理實(shí)驗不斷練習，同樣可以加深對該實(shí)驗的理解。教師布置虛擬實(shí)驗題目，讓學(xué)生利用NB物理實(shí)驗APP進(jìn)行仿真實(shí)驗，并將實(shí)驗過(guò)程形成的NB文件發(fā)送給教師。教師通過(guò)電腦接收運行學(xué)生實(shí)驗，檢查掌握程度。具體操作如下。①選擇需要的實(shí)驗儀器，合理布局。②根據電路圖，進(jìn)行導線(xiàn)的連接練習，連接好后閉合開(kāi)關(guān)。如果電路連接正確，平臺中會(huì )顯示電流方向（這樣可加深學(xué)生對電路的理解）。③滑動(dòng)滑動(dòng)變阻器滑片改變阻值，讀取數據，并點(diǎn)擊“記錄”，調出表格做記錄。完成數據記錄后，在表格下點(diǎn)擊顯示圖像，在圖像上點(diǎn)擊鼠標右鍵選擇連線(xiàn)，形成伏安特性曲線(xiàn)。
�。ㄈ㎞B物理實(shí)驗對探究實(shí)驗的融合
探究實(shí)驗的目的就是培養學(xué)生透過(guò)現象看本質(zhì)的能力和發(fā)現問(wèn)題的意識，所以實(shí)驗情境是很重要的。但在真實(shí)試驗中，許多事物的現象會(huì )受外界因素影響，導致實(shí)驗誤差過(guò)大而影響實(shí)驗效果，這就需要借助虛擬實(shí)驗。虛擬實(shí)驗在某種意義上也能起到學(xué)習引導作用，讓學(xué)生更加容易發(fā)現物理規律，從而激發(fā)學(xué)習的興趣。由于虛擬實(shí)驗器材的添加不受現實(shí)條件限制，學(xué)生可根據實(shí)驗需要同時(shí)進(jìn)行多項實(shí)驗，大大提升了探究的效率。以“探究影響導體電阻大小的因素”實(shí)驗為例，該實(shí)驗需要學(xué)生從控制變量的方法入手，探究導體的取材、導線(xiàn)長(cháng)度、導線(xiàn)橫截面積等對電阻的影響。對一般實(shí)驗室來(lái)說(shuō)，實(shí)驗儀器有限，教師只能安排分組探究，這勢必導致有些學(xué)生只能旁觀(guān)。筆者的解決方案：學(xué)生在移動(dòng)端利用NB電學(xué)實(shí)驗進(jìn)行虛擬探究，完成儀器的選擇并連接電路，繼續實(shí)驗。為了提高探究效率，可再配上相同實(shí)驗套件，同時(shí)進(jìn)行控制變量實(shí)驗。
三、總結與反思
NB物理實(shí)驗作為一種新型實(shí)驗工具，可以從多個(gè)角度與物理實(shí)驗教學(xué)融合拓展。結合具體實(shí)驗引導學(xué)生多角度、全方位地認識物理規律不僅有助于學(xué)生掌握實(shí)驗儀器的使用規律和物理學(xué)的研究方法，還能形成線(xiàn)上線(xiàn)下的教學(xué)互動(dòng)，逐漸形成新的教學(xué)思想方法，促使其推而廣之，將上述思想方法應用于其他學(xué)科的學(xué)習以及日常的生產(chǎn)、生活之中。在教學(xué)活動(dòng)中，為了達到預期目的，教學(xué)主體總是要采用一定的手段作用于對象。教學(xué)手段是教學(xué)活動(dòng)不可缺少的組成部分。數字化實(shí)驗技術(shù)為物理教學(xué)提供了先進(jìn)的實(shí)驗練習手段，但它本身并不代表先進(jìn)的教學(xué)思想。先進(jìn)的教育技術(shù)手段與先進(jìn)的教學(xué)思想有機融合才能實(shí)現技術(shù)與課程的充分融合。因此，教師在教學(xué)活動(dòng)中不能單純注重教學(xué)手段，還要重視教學(xué)思想，重視教學(xué)過(guò)程和學(xué)生學(xué)習過(guò)程�；贜B物理實(shí)驗的物理實(shí)驗的融合拓展體現著(zhù)先進(jìn)的教學(xué)思想變革，同時(shí)還有待更多的一線(xiàn)教師從更多的角度去研究。
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