虛擬模擬技術在物理實驗教學的應用論文

　　以資訊科技為工具，使課程內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生的互動方式實現全新的變革，最佳化教學過程中的各個要素和環節，這是數字化教學與課程融合的要求。將資訊科技有效融入物理教學過程來營造一種新型的教學環境，可實現既能發揮教師主導作用又能充分體現學生主體地位的“自主、探究、合作”教與學，讓學生的主動性、積極性、創造性較充分地發揮出來，使創新精神和實踐能力的培養真正落到實處。筆者在探索數字化教學與物理課程融合過程中，發現了許多非常適合新時期物理實驗教學的軟體應用。本文主要以NB物理實驗為例，闡述教學軟體與物理實驗教學融合的策略。

　　一、虛擬實驗與物理課程融合的緣由

　　NB物理實驗全稱“NOBOOK虛擬模擬實驗”（基於HTML5技術），支援多終端跨平臺訪問——電子白板、桌上型電腦、一體機、平板電腦等終端均可使用，適應Windows、IOS、Android等平臺。不僅支援教師任意組裝實驗、不受實驗步驟的限制，而且所有實驗操作均可呈現準確的實驗資料以及逼真的實驗現象。NB物理實驗分為NB電學實驗、電磁學實驗、力學實驗、光學實驗、熱學實驗和聲學實驗6個獨立的APP。教師在課堂教學中可以開啟相應的APP，透過投屏展示實驗的操作過程，可較為直觀地看到實驗的一些現象。在學生終端上可安裝這些軟體，可以讓學生根據自己的需要，自主設計實驗方案、自主選擇實驗器材、自主搭配和組裝實驗儀器，並記錄實驗資料。該應用軟體可幫助學生髮現實驗設計中的問題，以便在真實的實驗環境下，減少實驗過程中對儀器的損壞。學生在家裡，也可隨時透過軟體進行相關的實驗操作，並做資料分析。NB物理實驗與物理課程融合的優勢及條件如下：（1）NB物理實驗是一種全新的網路技術與多媒體技術一體化的虛擬實驗系統，它載有適用多系統的軟體與APP、多型別的虛擬實驗器材、多樣化的自主操控平臺及多終端互動的教學平臺，在真實實驗的基礎上可實現資訊科技與物理實驗教學的融合，在延續傳統的同時彌補了其不足；（2）NB物理實驗利用虛擬儀器做實驗，使用者可以自行設定各種引數，以獲得理想的效果；（3）虛擬儀器的應用突破了現有實驗條件的'限制，排除了各種干擾因素對實驗的影響（它與數字化實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，無線網路全覆蓋，有些學校還擁有移動智慧手機終端裝置，這些都為NB物理實驗進入課堂提供了條件。

　　二、基於數字化實驗系統的物理實驗融合應用

　　NB物理實驗等數字化實驗系統為我們提供了一個新的實驗探究平臺。應用此平臺能讓學生從資料讀取、公式運算和影象描繪等煩瑣的勞動中解脫出來，讓學生有充足的時間和精力對物理現象進行多角度的感知和多視角的探究。同時，我們要認識到數字化實驗系統與物理課程的有效融合需要先進的教育思想介入，它的合理應用本身就要求同步變革傳統教育觀念、教育思想與教育模式，代之以尊重人的主動性、首創性、反思性、合作性的全新的教育觀念、教育思想與教育模式。筆者認為，NB物理實驗優越性的充分發揮應基於新的實驗教學理念。物理課堂是物理教學的主陣地，任何教學方式的改進都應該首先能夠服務於課堂教學，數字化教學與物理課程的融合也不例外。高中階段所有實驗按內容可分為由教師演示的演示實驗、由學生驗證或測量資料的操作性實驗和以探究潛在物理規律的探究性實驗三類。

　　（一）NB物理實驗對演示實驗的融合

　　在物理實驗中最常見、最普通的實驗就是演示實驗。物理教師在講解概念的時候，因班級人數較多，空間相對較大等客觀因素，導致很多學生對物理現象觀察不清晰，影響學習。虛擬實驗則能很好地解決這個問題。以光學實驗為例，由於白天教室實驗用光線可辨識度低，光學演示實驗往往達不到預期效果。虛擬實驗中實驗光路圖都能被實時展現在一體機螢幕上，實驗效果直觀。這樣，大大地提高了學生對光學規律的理解能力。例如，利用NB光學實驗進行光學折射定律與全反射規律的演示操作時，教師可新增裝水的玻璃水槽用於觀察同一光束在不同材料中的偏折情況，讓學生清晰地觀察到折射角度不同，從而使他們加深對光的折射現象的理解。

　　（二）NB物理實驗對操作實驗的融合

　　操作實驗是為了培養學生的動手能力和理論聯絡實際的能力，一般在操作實驗中不主張用虛擬實驗代替真實實驗。在高中物理教學中，很多電學實驗都是操作實驗。電學實驗儀器數量較多且容易因錯誤操作造成損壞。所以在教學中要讓學生藉助虛擬實驗觀察實驗過程，掌握正確的操作方法，避免在實驗中出現過失。在實驗中要把真實實驗與虛擬實驗結合，這樣既解決了真實實驗的困難，又彌補了虛擬實驗的不足。另外，電學實驗中儀器眾多，只能允許學生在實驗室進行短暫的電路連線等練習，造成學生的操作能力得不到有效提高。在真實實驗的基礎上，學生可透過NB物理實驗不斷練習，同樣可以加深對該實驗的理解。教師佈置虛擬實驗題目，讓學生利用NB物理實驗APP進行模擬實驗，並將實驗過程形成的NB檔案傳送給教師。教師透過電腦接收執行學生實驗，檢查掌握程度。具體操作如下。①選擇需要的實驗儀器，合理佈局。②根據電路圖，進行導線的連線練習，連線好後閉合開關。如果電路連線正確，平臺中會顯示電流方向（這樣可加深學生對電路的理解）。③滑動滑動變阻器滑片改變阻值，讀取資料，並點選“記錄”，調出表格做記錄。完成資料記錄後，在表格下點選顯示影象，在影象上點選滑鼠右鍵選擇連線，形成伏安特性曲線。

　　（三）NB物理實驗對探究實驗的融合

　　探究實驗的目的就是培養學生透過現象看本質的能力和發現問題的意識，所以實驗情境是很重要的。但在真實試驗中，許多事物的現象會受外界因素影響，導致實驗誤差過大而影響實驗效果，這就需要藉助虛擬實驗。虛擬實驗在某種意義上也能起到學習引導作用，讓學生更加容易發現物理規律，從而激發學習的興趣。由於虛擬實驗器材的新增不受現實條件限制，學生可根據實驗需要同時進行多項實驗，大大提升了探究的效率。以“探究影響導體電阻大小的因素”實驗為例，該實驗需要學生從控制變數的方法入手，探究導體的取材、導線長度、導線橫截面積等對電阻的影響。對一般實驗室來說，實驗儀器有限，教師只能安排分組探究，這勢必導致有些學生只能旁觀。筆者的解決方案：學生在移動端利用NB電學實驗進行虛擬探究，完成儀器的選擇並連線電路，繼續實驗。為了提高探究效率，可再配上相同實驗套件，同時進行控制變數實驗。

　　三、總結與反思

　　NB物理實驗作為一種新型實驗工具，可以從多個角度與物理實驗教學融合拓展。結合具體實驗引導學生多角度、全方位地認識物理規律不僅有助於學生掌握實驗儀器的使用規律和物理學的研究方法，還能形成線上線下的教學互動，逐漸形成新的教學思想方法，促使其推而廣之，將上述思想方法應用於其他學科的學習以及日常的生產、生活之中。在教學活動中，為了達到預期目的，教學主體總是要採用一定的手段作用於物件。教學手段是教學活動不可缺少的組成部分。數字化實驗技術為物理教學提供了先進的實驗練習手段，但它本身並不代表先進的教學思想。先進的教育技術手段與先進的教學思想有機融合才能實現技術與課程的充分融合。因此，教師在教學活動中不能單純注重教學手段，還要重視教學思想，重視教學過程和學生學習過程。基於NB物理實驗的物理實驗的融合拓展體現著先進的教學思想變革，同時還有待更多的一線教師從更多的角度去研究。