虛實結合，讓課堂更多彩

陳暉

摘? ?要：實驗作為高中物理學習的重要內容，對于物理知識的認知起著不可替代的作用，隨著信息技術的發展及國家對信息化教學方式的重視，很多信息化教學輔助工具應運而生。分析了虛擬實驗室的應用方式及特點，其有效解決了實際教學中實驗設備不足、實驗效果不明顯、實驗難度大等問題，極大豐富了實驗教學的手段。

關鍵字：虛擬實驗室；高中物理；實驗教學；信息技術

《普通高中物理課程標準》在“教學建議”中指出“在高中物理課程中，應注重科學探究，尤其應注重物理實驗，這在培養學生的探究能力和科學態度等方面具有重要地位”。物理本身就是一門以實驗為基礎的學科，高中物理課程包括了力學、電學、光學、熱學、原子物理等知識，每一塊知識的教學中都離不開實驗教學。學生獲得知識最快最便捷，同時印象最深的，就是通過實驗探究而獲得的。不過，在實際教學中不難發現，物理的實驗教學不一定能很好地實現，主要原因有以下幾點：

（1）受實驗器材制約：有些學校實驗器材短缺，無法滿足教師及學生的使用；有些高精密儀器成本高、易損壞，保養不當就無法完成預期實驗。

（2）受實驗現象制約：部分物理實驗在實際操作過程中實驗現象不明顯，實驗過程太快，結果不便于觀察，部分實驗實驗過程變化太慢，難以在有限的課堂實驗中開展。

（3）受安全等因素制約：有些實驗具有一定的危險性，教師在教學中無法有效把控，同時有些實驗對于環境及操作者要求太高，誤差太大，也不利于實施。

因此，高中物理的實驗教學中迫切需要應用各類方式來彌補以上制約因素帶來的不利影響，而利用信息化工具來輔助支持教學的實施，可以有效改善實驗教學的效果，方便實驗的開展[ 1 ]。虛擬實驗室有效地將信息技術與實驗教學進行融合，通過計算機進行實驗操作，再通過立體可視化、微觀可放大的觀察方式，有效地解決了上述問題[ 2 ]。同時，由于它操作的便捷化，可以有效彌補部分地區因疫情影響帶來的線上教學中實驗教學的缺失。

1? 虛擬實驗室介紹

中央電教館的虛擬實驗室是一款基于計算機系統中采用虛擬現實等技術實現虛擬實驗環境，在操作平臺中可以完成類似于現實環境的實驗項目，操作平臺提供特定的操作項目和操作場景，即實驗場所。它涵蓋了從小學到高中，包括物理、化學、生物、科學等學科的實驗內容，提供實拍實驗視頻、3D演示視頻、3D交互課件、VR仿真交互課件等實驗素材，教師可以針對自身的教學設計，有效地選擇實驗素材，合理設計實驗環境，得以豐富教學手段，提升教學的效果。中央電教館的虛擬實驗室在教學中有以下四大優勢：

（1）一致性：虛擬實驗并不是憑空捏造或者想象得到的，而是基于現實實驗的器材和效果，利用技術手段呈現出來，與真實實驗中的實物及結論一致。

（2）交互性：學生通過用鼠標或VR器材，點擊實驗平臺上的器材進行實驗操作，同時還可以在操作后觀察對應的實驗現象，并在平臺上處理實驗數據，更好地實現人機交互。

（3）開放性：師生在使用虛擬實驗過程中，不受時間、空間和地點的限制，虛擬實驗能夠提供給師生最大的操作自由度和使用空間。

（4）虛擬性：虛擬實驗是真實實驗的虛擬化過程，不僅能夠呈現出現實實驗的效果，也可以模擬出現實實驗達不到的理想化效果。

可以說虛擬實驗建立的是一個師生個性化需求的平臺，它更注重實驗過程而非結果。合理地運用虛擬實驗室支撐教學，是信息化助推教育改革，信息技術與課程教學有效整合的成果，而實驗教學與多媒體信息技術有機融合，同樣也是教育信息化2.0新要求。

2? 虛擬實驗室的實驗特點

虛擬實驗室中提供的課程素材主要包括兩種：真實實驗拍攝及計算機模擬化實驗。與傳統實驗相比，虛擬實驗室在部分實驗呈現中有著得天獨厚的優勢，例如很多的實驗現象是轉瞬即逝，甚至是肉眼無法直接觀察的，教學中需花費大力氣來實現結果講解或者實驗過程分析，這類抽象的知識，學生無法理解，大大影響了教學成效。而虛擬實驗室通過微觀可視化功能，很好地彌補了這類缺失。虛擬實驗室的實驗特點主要表現在：

（1）安全性。虛擬實驗室能夠替代一部分危險系數大的實驗操作，通過計算機生動直觀地將實驗現象呈現出來。例如一些電學實驗，學生沒有很好地考慮電表量程選擇，導致電表損壞，而在虛擬實驗室中，學生可以大膽嘗試，從而得到教育的機會。

（2）經濟型。虛擬實驗室可以有效降低一些實驗成本高昂的實驗材料費用，實現“昂貴實驗”也能人手一組，提高這類實驗教學的質量。

（3）互動性。虛擬實驗室通過聲音、動畫等設置，有效地提醒學生實驗中出錯的地方，方便學生改正，提高學生的容錯率。

（4）效率性。在有效的課堂教學時間內，虛擬實驗室能大大縮短實驗時間，方便教師更多地開展實驗教學以及實驗拓展，提高課堂效率。例如在測電源電動勢及內阻這一實驗教學中，運用同一個3D交互課件，就可以在一節課內實現多種方式的測量，這在實物操作中是不大可能實現的。同時對于一些復雜數據的處理，也能極大地提高效率。

（5）仿真性。通過模擬真實實驗中不易觀察的現象或者抽象化的物理量，呈現出具體化、可觀察、可停留的三位立體化模型，如磁場、電場、光線、電流方向、運動軌跡等。同樣可以將一些“不可及”現象呈現出來，例如真空環境等。

（6）直觀性。除了可以將實驗現象、實驗過程進行直觀化、形象化的展示，一些微觀實驗也可以通過展示儲存的動態實驗現象來直觀化。甚至有些密閉儀器的內部構造，也可以進行可視化的呈現。

3? 虛擬實驗室應用案例例舉

“科學的本質是探究，科學的前提是觀察”，每一種嶄新的教學手段都會帶來教學方式的新探索。

3.1? 利用可視化功能

以“帶電粒子在勻強磁場中的運動”教學為例，本節課的教學目標是：（1）通過實驗觀察，了解洛倫茲力，并能夠掌握洛倫茲力的方向的判斷（即“左手定則”）和計算洛倫茲力的大??；（2）對實驗現象的定性和定量分析并進行科學推理，找出規律形成結論，利用矢量分析方法，判斷速度與磁場不垂直時的運動特點；（3）通過實驗現象，分析成因，提高思維能力，推導安培力與洛倫茲力特點，提高科學探究能力；（4）通過對本節的學習，充分了解科技的巨大威力，體會科技的創新歷程，對生活中的物理現象產生興趣，增加對科學的喜愛。教學重點方向：理解洛倫茲力的大小、方向和產生條件。教學難點：實驗觀察并推導洛倫茲力的大小。

首先在教學過程中，由于儀器數量的限制，無法保障每一小組一臺儀器。故筆者在實驗探究過程中，采用現實操作與虛擬操作結合，講授與操作融合的方式，讓學生能夠親自探究出洛倫茲力的影響因素。教師采用實體儀器，在操作過程中對儀器各部分進行詳細講解，并配合動手操作，學生先觀察實體儀器的實驗現象。然后將需要探究的學習內容以學習單的形式分配給各小組。各學習小組在虛擬實驗室操作平臺上進行探究，再進行總結、回答。學生在自主探究后不難發現，“加速極電壓”越大，粒子運動形成的圓周軌跡越大；“勵磁電流”越大，粒子運動形成的圓周軌跡越小。通過分析可知，加速電壓越大，粒子的速度越大；勵磁電流越大，磁感強度越大，從而知道粒子在磁場中的受力與速度、磁感強度有關，從而突出教學重點。同時，通過安培力推導洛倫茲力的過程后，需要強調“左手定則”的使用，利用實驗儀器來驗證“左手定則”更加容易加深學生的印象，強化教學難點的理解。這個實驗儀器中，勻強磁場的獲取采用通電線圈產生，磁場的方向并沒有標注。在這一分析過程中磁場能否具象化，直接影響學生的的分析。部分學生對磁場空間想象力不足，就容易造成這一分析過程的困惑，同時由于三維立體分析的存在，對學生能力要求較高。采用虛擬實驗室的具化功能，可以有效地解決這一問題（如圖1所示）。

3.2? 利用一致性優勢

前文說過，虛擬實驗源于真實實驗和教材，虛擬實驗中所呈現出來的實驗器材和能夠進行的實驗操作，與真實實驗中的實物一致。以“測量電源電動勢及內電阻”為例，本節課的授課目標是：（1）理解測量電路中實驗器材的合理選擇與電路設計，掌握數據處理中圖像法的直觀性與準確性，知道閉合電路歐姆定律是用能量的觀點認識自然現象；（2）通過分析電路、求解未知量的過程，認識分析、判斷的研究方法;通過圖像法處理實驗數據，體會數理結合的研究方法；（3）通過實驗電路設計、實驗器材選取、實驗數據的采集與處理、誤差分析與控制，達到本次實驗的目的，同時對比兩種數據處理方法的利弊；（4）通過實驗操作和實驗器材分析，培養學生實事求是的態度，了解電源在生產、生活中的廣泛應用。作為平時考試的熱點實驗，授課過程中，在儀器選擇上需要特別注意。由于虛擬實驗室的安全特點，筆者在授課過程中特意不強調電壓表、電流表的量程選擇，就讓學生在虛擬實驗室中進行實驗，果然有一部分學生就會因為沒注意量程的選擇而“燒壞”電表，接收到系統的聲音提示。這時，筆者再安排學生進行探究、發言，從而達到強調量程選擇的目的。

同時，作為本次實驗主流的“伏安法”測量，為了解決“合理選用滑動變阻器”這一教學目的，得到“滑動變阻器最大阻值在電源內阻5倍以內，調節滑動變阻器時，電壓表、電流表示數變化明顯”這一結論，采用虛擬實驗室進行授課，可以大大提高課堂利用率。若采用實物儀器測量，需預先測量出電源的內電阻，然后準備幾個不同阻值的滑動變阻器讓學生輪換嘗試。而采用虛擬實驗室，只需鼠標右擊電源，設定電源內阻，接著鼠標右擊滑動變阻器，就可以設定滑動變阻器的阻值，設定完成后，移動變阻器滑片，就可以觀察電壓表、電流表示數變化情況了。通過操作不難發現，當滑動變阻器遠大于電源內阻時，調節滑動變阻器無法得到較好的U-I圖像分布點，電壓、電流變化明顯的點集中在滑動變阻器最后的一小截，前面的移動很難觀察到電壓表、電流表示數的變化。而當滑動變阻器與電源內阻差不多的時候，就不存在這一現象了，能夠觀察到變化較為明顯的示數值，然后再利用TI圖形計算器進行圖形擬合及數學推導，突破上述教學目的（該圖形計算器因與本文主題無關，故不在本文中展開論述）。

3.3? 利用開放性優勢

仍然以“測量電源電動勢及內電阻”教學為例，本節課的課程拓展要點在于：通過學習傳統的“伏安法”測量及數據處理，進一步鞏固閉合電路歐姆定律知識，學習圖像處理數據的科學思想，并合理利用“伏阻法”“安阻法”來實現電路測量知識的拓展。在有效的課堂時間內，學生一般只能完成“伏安法”測量電動勢及內電阻這一教材內要求的測量方式，而對于本實驗的延伸“伏阻法”“安阻法”的測量及其數據處理，作為考試內容的熱點，若再安排一課時進行實驗授課，會占用其他內容的授課進度；若不安排實驗操作，又恐學生理解不透。筆者在教學設計中，將以上兩種方法作為課后探究內容，并采用虛擬實驗室進行課后實驗。學生只需在家中就可以自主探究，不受空間、時間的限制，有效輔助了課堂教學。

另外，像這類的拓展實驗，也可以作為校本研究性學習小組的學習模式，利用虛擬實驗室拓展學生思維，豐富學生的實驗感觀，增加學習物理的興趣。

4? 虛擬實驗室應用反思

通過上述案例應用不難發現，虛擬實驗室相較于傳統實驗教學確實有著諸多的優點，如：操作簡單、方便備課及實驗準備、實驗現象明顯、可重復操作、避免安全隱患等等，能夠有效地實現以下目的：創設物理教學情境， 提高學生學習效率；提高實驗的可觀測性， 增加實驗的靈活性；提高課堂的交互性和積極性[ 3 ]。但是，虛擬實驗室畢竟是一個成果化的實驗系統，它的實驗是預設在內的，對于一些新想法及新問題的發現，其實還是一種無形的束縛。學生在使用中無法探索未知的知識。同時，現實實驗是對學生視覺、觸覺、聽覺、嗅覺的綜合調動，而使用虛擬實驗室，必然會導致一部分感知的缺失，削弱了學生部分能力的調動。同樣，虛擬實驗室無法快速提高學生對真實實驗儀器設備操作的水平，不利于學生在真實情境下觀察現象、發現問題的能力培養。所以，教師在教學中要針對具體的教學內容，合理選用實驗、“虛實結合”，以實現教學效果的最大化。

科技的發展必然會帶動現代化教育方式的改變，信息化教學技術的應用帶來更多教學方法的選擇。在這股浪潮中，更要堅守教書育人的本心，靜下心思考如何合理利用各類技術提高教學的質量，更好的為教學服務。

參考文獻：

［1］ 蔣濤.信息技術與高中物理教學的深度融合策略[J].中小學電教（教學），2021（5）：23-24.

［2］ 雷江蛟，朱婷琦.虛擬仿真實驗室在高中化學課堂中的應用[J].基礎教育研究，2021（19）：69-71.

［3］ 嚴煒，楊曉梅.虛擬實驗室在中學物理教學中的應用[J].物理教學探討，2019，37（7）：70-72.