虛擬技術(shù)點(diǎn)亮物理實(shí)驗(yàn)課堂

邱曉峰 林冰冰

摘?要：光學(xué)實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期以來(lái)是高中物理教學(xué)中不受重視的一部分，其原因在于高考對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)考察的弱化和實(shí)驗(yàn)操作的困難較大.本文用若干教學(xué)實(shí)例介紹了在高中物理光學(xué)教學(xué)中如何將NB虛擬實(shí)驗(yàn)室與教學(xué)有效融合，以達(dá)到更高效地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、探究能力，優(yōu)化光學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的目的，讓物理學(xué)科的學(xué)科核心素養(yǎng)有效落地.

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室;光學(xué)實(shí)驗(yàn);信息技術(shù);核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）21-0049?中圖分類號(hào)：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

作者簡(jiǎn)介：邱曉峰（1981-），男，福建南平人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：信息技術(shù)應(yīng)用與中學(xué)物理教學(xué)方法;

林冰冰（1987-），女，福建福清人，碩士，講師，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國(guó)都高度重視信息技術(shù)與教學(xué)的融合，前不久國(guó)家發(fā)布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中明確要求“將教育信息化作為教育系統(tǒng)性變革的內(nèi)生變量，支撐引領(lǐng)教育現(xiàn)代化發(fā)展，推動(dòng)教育理念更新、模式變革、體系重構(gòu)、使我國(guó)教育信息化發(fā)展水平走在世界前列”[1].在教育信息化從1.0升級(jí)到2.0的過(guò)程中“深度融合”“內(nèi)生變量”將成為教師需要認(rèn)真思考的問(wèn)題.

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為新興信息技術(shù)的一種，如何有效地將其融合進(jìn)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的物理學(xué)科教學(xué)中，一直以來(lái)都是信息技術(shù)和課程整合研究的熱點(diǎn)問(wèn)題以及發(fā)展的趨勢(shì).我們?cè)谥袑W(xué)物理課堂中設(shè)置分組實(shí)驗(yàn)，不僅僅是為了驗(yàn)證理論知識(shí)，更是為了加強(qiáng)學(xué)生在動(dòng)手操作過(guò)程中培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作能力、分析數(shù)據(jù)能力、應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力、以及小組協(xié)作能力等，讓學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中理解知識(shí)，在任務(wù)創(chuàng)新中進(jìn)階思維.而實(shí)驗(yàn)環(huán)境一旦虛擬化后，物理實(shí)驗(yàn)的精髓是否還存在？這也是廣大教師擔(dān)憂的問(wèn)題.其實(shí)我們并沒(méi)有讓虛擬實(shí)驗(yàn)完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)，而是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主的基礎(chǔ)上，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)大大改善傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的制約.北京師范大學(xué)何克抗教授說(shuō)：“所謂信息技術(shù)與課程整合，就是將信息技術(shù)有效地融合在各學(xué)科的教學(xué)來(lái)營(yíng)造一種信息化教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一種既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分體現(xiàn)學(xué)生主體地位的以‘自主、探究、合作為特征的教學(xué)方式，從而把學(xué)生的主動(dòng)性、積極性、創(chuàng)造性較充分地發(fā)揮出來(lái)”[2].本文列舉了筆者在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中的若干個(gè)案例，以此來(lái)闡述如何有效地把虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合.

1?補(bǔ)充分組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?輔助實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

物理學(xué)科在教學(xué)過(guò)程中能讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的，教師應(yīng)該盡力創(chuàng)設(shè)條件讓學(xué)生去親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程.在分組實(shí)驗(yàn)中存在著理論規(guī)律學(xué)生已經(jīng)掌握了的部分實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中改變實(shí)驗(yàn)條件需要耗費(fèi)大量實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，多數(shù)學(xué)生只能完成一種實(shí)驗(yàn)條件，無(wú)法完成多組，這時(shí)候虛擬實(shí)驗(yàn)室的輔助功能就可以凸顯出來(lái)了.教師可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際操作完成一組實(shí)驗(yàn)后，改變實(shí)驗(yàn)條件的部分則是通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成.例如透鏡成像實(shí)驗(yàn)，在此實(shí)驗(yàn)中需要多次調(diào)節(jié)光屏才能找到蠟燭成像的位置，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求很高，若周圍亮度較強(qiáng)，會(huì)造成蠟燭的像亮度變化不明顯，不易準(zhǔn)確找到成像位置.這時(shí)我們利用NB虛擬物理實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建出如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置.學(xué)生可以在電腦上很方便地更換光源（有蠟燭，字母F等），調(diào)節(jié)整個(gè)光具組等高共軸，調(diào)節(jié)光源、透鏡、光屏的位置，在電腦屏幕上觀察不同位置時(shí)成像的情況，并且很快地記錄下各個(gè)光具座所在的位置.所有的實(shí)驗(yàn)步驟易操作，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象便于觀察，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄便利，數(shù)據(jù)的分析也可以利用計(jì)算機(jī)完成，大幅度提升了本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效率.這樣學(xué)生在已有操作經(jīng)歷的基礎(chǔ)上，可以把更多的精力花在對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)和對(duì)理論知識(shí)的理解上.

2?豐富實(shí)驗(yàn)探究素材?優(yōu)化課堂探究過(guò)程

有些光學(xué)實(shí)驗(yàn)是在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件下難以完成的，究其原因如實(shí)驗(yàn)器材的緊缺、中學(xué)實(shí)驗(yàn)器材精確度不高等，但此實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解物理規(guī)律、深化理論知識(shí)應(yīng)用能力的提升又有很大幫助的，這時(shí)候我們就可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室來(lái)完成這類實(shí)驗(yàn).但如果單純地依靠計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，用鼠標(biāo)在屏幕上完成實(shí)驗(yàn)，課堂上很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就會(huì)丟失，這就是互動(dòng)，包括師生互動(dòng)和生生之間的互動(dòng).如何在利用虛擬實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)際難以操作的實(shí)驗(yàn)中，依然能夠讓學(xué)生在互動(dòng)中學(xué)習(xí)，這就需要教師從建構(gòu)主義、多元認(rèn)知理論等方面去思考，更加精心地設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié).

例如高中光學(xué)中有這樣一類問(wèn)題：

如圖2所示，ox軸沿水平方向，oy軸沿豎直向上方向.在x>0，y>0的區(qū)域內(nèi)存在某種分布范圍足夠廣的介質(zhì)，其折射率隨著y的變化而變化.一束細(xì)光束入射到介質(zhì)表面，并沿著如圖2所示從a到b的一條弧形路徑傳播.下列判斷正確的是

A.此介質(zhì)的折射率隨著y的增大而減小

B.海洋蜃樓發(fā)生時(shí)空氣折射率隨高度的變化與此類似

C.沙漠蜃樓發(fā)生時(shí)空氣折射率隨高度的變化與此類似

D.這束細(xì)光束在繼續(xù)傳播的過(guò)程中會(huì)發(fā)生全反射

本題型涉及到光通過(guò)連續(xù)不均勻介質(zhì)的問(wèn)題，是屬于折射定律中難度較大的應(yīng)用.教師若按照傳統(tǒng)教學(xué)方法去講解，通過(guò)折射定律的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，因涉及到高等數(shù)學(xué)的知識(shí)，使得很大一部分同學(xué)并沒(méi)有完全理解本題的內(nèi)在實(shí)質(zhì)，只是簡(jiǎn)單地記答案，題目只要稍作變形就無(wú)法解決.那么應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室教師可以先讓學(xué)生猜測(cè)一下：如果一束光通過(guò)隨高度增大而折射率逐漸減小的介質(zhì)，光的傳播路徑會(huì)出現(xiàn)什么情況，原因是什么？

讓學(xué)生自己先畫出猜想的結(jié)果，并嘗試解釋它.然后教師再用NB虛擬實(shí)驗(yàn)室去模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，因?yàn)閷W(xué)生有事先猜想，對(duì)實(shí)驗(yàn)有參與感，所以學(xué)生對(duì)結(jié)果的揭曉是很重視的.此時(shí)教師又可以讓做出正確結(jié)果的同學(xué)來(lái)說(shuō)一說(shuō)用折射定律如何解釋這種現(xiàn)象，加強(qiáng)學(xué)生和學(xué)生之間的互動(dòng)，由學(xué)生告訴學(xué)生答案的效果要比教師告訴學(xué)生答案的效果好得多.最后，教師可以繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生：“那么，我們生活中有什么實(shí)例是剛才這種現(xiàn)象的應(yīng)用？”學(xué)生只要稍加思考和聯(lián)系生活就可以馬上發(fā)現(xiàn)這就是海市蜃樓的物理模型.

教師還可以在課堂上及時(shí)改變實(shí)驗(yàn)條件，出現(xiàn)如圖4所示的光路，讓學(xué)生應(yīng)用折射定律再次解釋，反復(fù)鞏固所學(xué)過(guò)的理論知識(shí).如此在教學(xué)實(shí)踐中有機(jī)結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)，在利用技術(shù)的基礎(chǔ)上再通過(guò)教師適時(shí)的引導(dǎo)，讓學(xué)生自主進(jìn)行知識(shí)重構(gòu)，不僅能夠增強(qiáng)課堂上的互動(dòng)效果，并在此過(guò)程中完成物理核心素養(yǎng)中科學(xué)思維的培養(yǎng)落地，這包括有對(duì)世界的好奇心與求知欲，能主動(dòng)與他人合作，尊重他人，能基于證據(jù)和邏輯發(fā)表自己的見(jiàn)解.

3?再現(xiàn)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)?提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)

高中物理在介紹光的本性這部分內(nèi)容中，由于高考對(duì)此部分的要求并不高，所以教師常忽視這部分的教學(xué)，學(xué)生并沒(méi)有真正理解什么是光的干涉和衍射，甚至有部分學(xué)生并不認(rèn)識(shí)衍射圖案和干涉圖案.鑒于現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制，大多數(shù)中學(xué)并沒(méi)有辦法讓學(xué)生親手操作光的衍射和干涉實(shí)驗(yàn).雖然高考對(duì)這部分的考察很少，但對(duì)光的本性的研究是物理學(xué)發(fā)展中很重要的一個(gè)里程碑，對(duì)光的本性有正確的認(rèn)識(shí)會(huì)對(duì)中學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)有很好的提升作用.我們利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)就可以很方便地展示泊松亮斑、圓屏衍射、雙縫干涉等物理學(xué)上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)（如圖5）.學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解就不僅僅停留在課本上的插圖，而是有了自己的親身經(jīng)歷，對(duì)學(xué)生理解相關(guān)部分的理論知識(shí)和完善學(xué)生學(xué)科知識(shí)體系等都起到了很好的輔助作用.

4?拓展實(shí)驗(yàn)探究?培養(yǎng)實(shí)踐意識(shí)

在教學(xué)中，如果能激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力就能夠得到極大的提高.自主學(xué)習(xí)的形成讓學(xué)生真正成為教學(xué)的主體，讓學(xué)生自發(fā)地參與到教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中來(lái)，許多問(wèn)題由學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中自行產(chǎn)生，然后自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證想法的真?zhèn)?，如果都做真?shí)的實(shí)驗(yàn)，耗時(shí)費(fèi)力，有時(shí)候反而會(huì)挫傷學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情.而虛擬實(shí)驗(yàn)室就能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題，軟件中把各個(gè)光學(xué)元件模塊化，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求去調(diào)用自己所需的光學(xué)元件進(jìn)行組裝，滿足學(xué)生各種天馬行空的猜想，實(shí)驗(yàn)失敗也不用擔(dān)心會(huì)損壞儀器，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果產(chǎn)生新的想法也可以很方便地改變實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易觀察，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方便記錄.同時(shí)課后虛擬平臺(tái)還記錄下學(xué)生的實(shí)驗(yàn)軌跡、學(xué)生的學(xué)習(xí)行為等過(guò)程性數(shù)據(jù)，這對(duì)幫助教師了解學(xué)生學(xué)情，優(yōu)化教學(xué)策略，幫助學(xué)生定位自我認(rèn)知水平等都有很大的幫助.

5?結(jié)束語(yǔ)

2018年教育部發(fā)布的普通高中學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)中明確地提出了學(xué)科核心素養(yǎng)，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)之一就包括科學(xué)探究，而從教育的角度來(lái)說(shuō)，物理實(shí)驗(yàn)教育對(duì)學(xué)生更好地理解自然科學(xué)知識(shí)、提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)求知意識(shí)等方面都具有舉足輕重的作用.在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，由于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和方式方法都得到極大的擴(kuò)展[3].教師在教學(xué)中應(yīng)該注重將傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)更有效地結(jié)合起來(lái)，這樣將使學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)不受地域和時(shí)間的制約，更好地培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

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（收稿日期：2019-09-07）