虛擬實(shí)驗(yàn)在初中物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

黃新志

[摘要]隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物理課堂中運(yùn)用信息技術(shù)解決教學(xué)問(wèn)題已經(jīng)習(xí)以為常。對(duì)初中物理而言，把虛擬實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)相結(jié)合，有助于破解現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的一些難題，有助于學(xué)生觀察物理現(xiàn)象、理解物理規(guī)律、提高實(shí)踐能力。

[關(guān)鍵詞]虛擬實(shí)驗(yàn);初中物理;應(yīng)用

[中圖分類(lèi)號(hào)] G633.7

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

[文章編號(hào)] 1674-6058（2020）14-0044-02

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展應(yīng)用的結(jié)果，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)為物理課堂提供了新的教學(xué)環(huán)境。因此，把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到初中物理實(shí)驗(yàn)中，可以使教學(xué)過(guò)程靈活有趣，讓學(xué)生產(chǎn)生興趣;通過(guò)學(xué)生自由組裝和使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的優(yōu)化和共享;通過(guò)還原、定格實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，將動(dòng)態(tài)、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單化;通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，提高實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)效率。

對(duì)學(xué)生而言，虛擬實(shí)驗(yàn)打破了時(shí)空限制，學(xué)生可以在課堂，也可以在家里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和探究能力。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)是物理教育教學(xué)的一項(xiàng)重要補(bǔ)充。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用案例

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們可選的仿真虛擬教學(xué)軟件很多，筆者先后使用過(guò)金華科仿真物理實(shí)驗(yàn)室、No Book虛擬物理實(shí)驗(yàn)（NB虛擬實(shí)驗(yàn)室）等。本文將通過(guò)No Book虛擬物理實(shí)驗(yàn)的部分應(yīng)用實(shí)例，介紹虛擬實(shí)驗(yàn)在提高教學(xué)效率方面的應(yīng)用。

1.斜面上的實(shí)驗(yàn)對(duì)比

在初中物理教學(xué)中，我們?cè)眯泵孀鲞^(guò)多次探究實(shí)驗(yàn)，“探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”“探究影響物體動(dòng)能大小的因素”“探究斜面的機(jī)械效率”等。借助虛擬實(shí)驗(yàn)完成斜面實(shí)驗(yàn)既方便又清晰，能很好地將實(shí)驗(yàn)效果展示出來(lái)。

無(wú)摩擦理想化實(shí)驗(yàn)：在“探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”實(shí)驗(yàn)中，參照教材實(shí)驗(yàn)，在NB虛擬物理實(shí)驗(yàn)室中可對(duì)斜面實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，在工具欄中找到斜面、小車(chē)等工具，設(shè)置摩擦參數(shù)，并使摩擦因數(shù)越來(lái)越小，標(biāo)記并記錄三次小車(chē)在水平面上移動(dòng)的距離，從而推斷如果不受摩擦力，物體將一直運(yùn)動(dòng)下去。牛頓第一定律的實(shí)驗(yàn)是從伽利略實(shí)驗(yàn)改進(jìn)而來(lái)，很多資料介紹了伽利略實(shí)驗(yàn)，課堂上也可以借助NB虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)演示伽利略實(shí)驗(yàn)，并且為接觸面無(wú)摩擦的理想化實(shí)驗(yàn)，軟件中的斜面右半側(cè)能自由拖動(dòng)角度，讓小球滾下來(lái)時(shí)，都能回到原來(lái)高度，因?yàn)闊o(wú)摩擦，當(dāng)右側(cè)很長(zhǎng)時(shí)，仍然能達(dá)到原來(lái)高度，很好地驗(yàn)證了伽利略實(shí)驗(yàn)。

自動(dòng)受力分析：由于初中生認(rèn)知特點(diǎn)的限制，對(duì)靜止與運(yùn)動(dòng)中的物體的受力情況，學(xué)生總是難以把握，例如，“靜止在斜面上的物體受哪些力”“摩擦力與拉力有什么關(guān)系”等。在仿真軟件中有一項(xiàng)力的標(biāo)注功能，顯示簡(jiǎn)單的受力情況，包括拉力、摩擦力等，把物體放在斜面上，設(shè)置好參數(shù)后，讓它保持靜止，就可以顯示出受力情況了，可視化的學(xué)習(xí)為物理教學(xué)帶來(lái)極大的方便。

2.動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

在“探究機(jī)械能轉(zhuǎn)化”的實(shí)驗(yàn)中，選擇單擺實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，在課堂上，單擺實(shí)驗(yàn)很容易就能演示，但是存在不足：擺球無(wú)法定在最高點(diǎn)、最低點(diǎn)，因此，很難對(duì)擺球進(jìn)行能量分析，一般處理方法就是做成Flash動(dòng)畫(huà)或PPT進(jìn)行分析，失去了其逼真效果。借助虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，則能解決這一短板。在NB物理實(shí)驗(yàn)室中就有此功能，選擇單擺工具后，在參數(shù)中設(shè)置為無(wú)阻力，在擺球擺動(dòng)的過(guò)程中，選擇任何一個(gè)點(diǎn)都可以暫停進(jìn)行能量分析，輕松演示能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

通過(guò)NB虛擬物理實(shí)驗(yàn)完成的“探究凸透鏡成像規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)，獲得準(zhǔn)確的成像數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更方便。學(xué)生把凸透鏡固定在光具座上，測(cè)量好焦距，使?fàn)T焰放置在二倍焦距以外，移動(dòng)光屏，在屏上尋找亮光斑，記錄下物距和焦距，改變物距再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后總結(jié)出規(guī)律。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，移動(dòng)物距后，就不需要?jiǎng)邮忠苿?dòng)光屏尋找最亮最清晰的像了，直接顯示出位置或像距，再使?fàn)T焰向有移動(dòng)時(shí)，物、像的移動(dòng)軌跡能很好地顯示出來(lái)，這樣便于學(xué)生將各段成像規(guī)律總結(jié)出來(lái)。

3.自動(dòng)生成圖像

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需要記錄、分析并生成圖像，以便找出其中的規(guī)律。例如在歐姆定律教學(xué)中，探究電流與電壓、電流與電阻的關(guān)系實(shí)驗(yàn)。在仿真物理軟件中，當(dāng)然能輕松完成這一實(shí)驗(yàn)，而且還能借助NB虛擬實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)生成圖像。例如，在歐姆定律的實(shí)驗(yàn)中，從右側(cè)工具欄中選擇電源、開(kāi)關(guān)、電表、滑動(dòng)變阻器等器材，進(jìn)行連接，這樣也能考查學(xué)生的電路連接技能，教師借助軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇圖表圖像，然后讓學(xué)生仿照步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，每產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)，表格旁邊選擇圖像后，就自動(dòng)描出電流與電壓或電阻關(guān)系的點(diǎn)，再依據(jù)這些點(diǎn)繪成圖像，就能得出規(guī)律。

此外，在探究凸透鏡成像規(guī)律，探究不同物質(zhì)吸熱升溫的現(xiàn)象（比熱容），探究物質(zhì)質(zhì)量與體積的關(guān)系和觀察水的沸騰等需要數(shù)據(jù)收集的實(shí)驗(yàn)中，圖像描述功能都能發(fā)揮很好的作用。

4.助力高效復(fù)習(xí)

實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)時(shí)，利用好虛擬實(shí)驗(yàn)，把相應(yīng)的器材帶到課堂，便于學(xué)生復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)更真實(shí)、更節(jié)省時(shí)間。

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生最難理解的要數(shù)電路故障了。斷路、短路后會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？虛擬實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程變得更安全。如在電路中，若電源短路，則電源、電流表都有可能會(huì)被燒壞，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不能做的，但是在虛擬實(shí)驗(yàn)中可以驗(yàn)證，并且改正后一鍵就可以修復(fù)。

有些實(shí)驗(yàn)，具有相似的實(shí)驗(yàn)裝置和相近的實(shí)驗(yàn)操作，例如，“比較不同物質(zhì)的吸熱能力”和“比較不同燃料的熱值”實(shí)驗(yàn)中，均使用了加熱裝置、使用了控制變量法;而“探究影響電流大小的因素”和“測(cè)量定值電阻的阻值”實(shí)驗(yàn)中，使用了相同的電路，等等，都可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)的不足

虛擬實(shí)驗(yàn)雖有很多優(yōu)點(diǎn)，卻不能完全替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)。有幾個(gè)原因，在仿真模擬的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)失真的情況;長(zhǎng)期使用會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生倦怠;不利于探究更深的物理規(guī)律;理想化實(shí)驗(yàn)會(huì)讓實(shí)驗(yàn)者的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、嗅覺(jué)等感官產(chǎn)生真實(shí)的感知，也會(huì)錯(cuò)過(guò)新發(fā)現(xiàn)，少了實(shí)驗(yàn)反思及其他樂(lè)趣。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，筆者認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)過(guò)程中不可缺少的“調(diào)味品”，可以在條件允許的情況下，將虛擬實(shí)驗(yàn)與分組實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，讓知識(shí)更直觀、更生動(dòng)，但不能“喧賓奪主”。讓學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、參與實(shí)驗(yàn)、觀察實(shí)驗(yàn)、感受實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中享受樂(lè)趣、感受物理世界的神奇與深邃。

[參考文獻(xiàn)][1]魏娟.基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)物理探究式教學(xué)方法研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2015.

[2]張士榮.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2016（3）：148-149.

（責(zé)任編輯 易志毅）