信息技術(shù)環(huán)境下虛實(shí)結(jié)合的中職物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的構(gòu)建

房海濱

摘 要：中職物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生物理觀念、科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度等方面有著非常重要的作用，但受限于教學(xué)時(shí)間和教學(xué)條件，傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)難以滿足教學(xué)需要。本文闡述了如何基于教學(xué)實(shí)踐，構(gòu)建以傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)為先導(dǎo)、以數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)為突破、以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為補(bǔ)充的虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的具體途徑，以期創(chuàng)設(shè)高效課堂，進(jìn)而提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)? ? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)? ? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

物理是中職學(xué)校很多工科類專業(yè)的必修課，是專業(yè)學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維和科學(xué)態(tài)度，這些核心素養(yǎng)會(huì)直接影響專業(yè)課程的教學(xué)，因此物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中有著不可或缺的作用。但由于傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為復(fù)雜，測(cè)量及數(shù)據(jù)處理效率低，占用教學(xué)時(shí)間長(zhǎng)，所以很多中職學(xué)校物理教師不愿開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而是以理論教學(xué)和機(jī)械化訓(xùn)練取而代之。這樣做不僅使物理教學(xué)失去了根基，而且也容易導(dǎo)致培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生高分低能。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)完全可以破解這一教學(xué)難題，通過(guò)借助高靈敏度傳感器及計(jì)算機(jī)處理軟件、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件等可以還給學(xué)生一個(gè)既精彩生動(dòng)又高效的物理課堂。

一、傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的困境

（一）傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理存在缺陷

由于受到早期技術(shù)手段的限制，一些傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)原理上存在缺陷，比如“探究加速度與力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下。

步驟一：用天平測(cè)量小車的質(zhì)量。步驟二：將小車放置在長(zhǎng)木板上，紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器后固定在小車尾部;墊起長(zhǎng)木板的一端，輕推小車，觀察打點(diǎn)計(jì)時(shí)器上各點(diǎn)間距離，調(diào)整木板墊起的高度，使小車勻速下滑，紙帶上打出的點(diǎn)間距相等。步驟三：將細(xì)線固定在小車的前端并跨過(guò)長(zhǎng)木板頂端的定滑輪，在細(xì)線末端懸掛砝碼，將小車?yán)灵L(zhǎng)木板的末端，打開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，釋放小車，使砝碼牽引小車運(yùn)動(dòng)。步驟四：改變牽引小車的砝碼數(shù)量，重復(fù)步驟三，完成4～5組測(cè)量。步驟五：分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出a-F圖像。

該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)有兩個(gè)缺陷：一是通過(guò)傾斜長(zhǎng)木板讓小車在無(wú)拉力時(shí)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，用小車重力的下滑分力抵消其受到的長(zhǎng)木板的摩擦力。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，小車除了要受到長(zhǎng)木板的摩擦外，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)紙帶的摩擦也是不能忽略的，而且隨著運(yùn)動(dòng)速度的變化，相同距離上打點(diǎn)的次數(shù)不同，紙帶所受的摩擦力會(huì)有所變化。二是該實(shí)驗(yàn)將砝碼的重力作為小車做勻加速運(yùn)動(dòng)的合外力，通過(guò)改變砝碼數(shù)測(cè)出合外力變化對(duì)加速度的影響。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，砝碼和小車同時(shí)做勻加速運(yùn)動(dòng)，砝碼對(duì)小車的拉力小于砝碼的重力，用砝碼的重力大小作為小車的合外力會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。

（二）傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的測(cè)量技術(shù)落后

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代測(cè)量手段日新月異，而傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中常采用的彈簧秤、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、指針式電流表、電壓表、萬(wàn)用表等不僅測(cè)量精度低、測(cè)量效率低，而且只能對(duì)持續(xù)穩(wěn)定的物理量進(jìn)行測(cè)量，如果被測(cè)量的為瞬時(shí)值或變化值，則測(cè)量會(huì)出現(xiàn)困難，實(shí)驗(yàn)受到較大局限。

（三）傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受限

中職學(xué)校的傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)主要涉及力與運(yùn)動(dòng)、直流電路和幾何光學(xué)，而涉及電場(chǎng)、磁場(chǎng)、物理光學(xué)、熱學(xué)和原子物理的一些著名實(shí)驗(yàn)由于受條件限制無(wú)法進(jìn)行，學(xué)生只能通過(guò)觀看視頻去了解相關(guān)內(nèi)容，而無(wú)法主動(dòng)參與、探究，難以發(fā)揮學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

二、構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

（一）以傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)為先導(dǎo)

中職階段學(xué)生所學(xué)習(xí)的物理知識(shí)大多是建立在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，所以在教學(xué)初始階段重復(fù)前人的實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生建立物理模型、形成物理概念、掌握物理研究方法。比如，“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究”實(shí)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)方法雖然測(cè)量過(guò)程煩瑣、測(cè)量精確度不高，但學(xué)生可以通過(guò)打點(diǎn)的紙帶直觀地看到相同時(shí)間內(nèi)位移的變化，并通過(guò)自己動(dòng)手測(cè)量、計(jì)算找到勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，建立“加速度”這一物理概念。

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)方法在信息化高度發(fā)達(dá)的今天雖然看上去有點(diǎn)“笨”，但它更直觀、感性，更易于被初學(xué)者接受和理解。所以針對(duì)力學(xué)、電學(xué)中的基本概念、基本規(guī)律的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程不復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)誤差不大的情況下，可以選擇使用傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行教學(xué)。

（二）以數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)為突破

數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)主要以各類傳感器作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量工具，通過(guò)數(shù)字采集器可以將傳感器數(shù)據(jù)直接輸出到儀表中讀出，也可以輸出到計(jì)算機(jī)中通過(guò)軟件處理生成所需的圖表或圖像，供實(shí)驗(yàn)者研究。有些數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)原理上的缺陷，有些可以提高測(cè)量的精度和效率，有些可以將瞬態(tài)物理過(guò)程完整保存，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得可靠、簡(jiǎn)單、高效，解決了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的種種難題。

1.彌補(bǔ)設(shè)計(jì)原理的缺陷

還是以 “探究加速度與力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)為例。在數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)中，教師對(duì)測(cè)量手段進(jìn)行了創(chuàng)新。一是用速度傳感器取代了原來(lái)的紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，用來(lái)測(cè)量小車的運(yùn)動(dòng)速度;二是將拉力傳感器連接到小車前端測(cè)量小車受到的真實(shí)拉力。這樣，在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的摩擦力不存在了，小車在加速運(yùn)動(dòng)中受到的實(shí)際拉力大小也可以準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)，從而彌補(bǔ)了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)設(shè)計(jì)缺陷。

2.可實(shí)現(xiàn)變量的連續(xù)測(cè)量

在很多物理實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)量的物理量是變化的，傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)只能選擇一些不連續(xù)的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，不能對(duì)變化的全過(guò)程進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。如“測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”是一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，由閉合電路歐姆定律可知：E=I（R+r），即E=U+Ir。

可以通過(guò)改變外電路的電阻R得到不同的U和I值，做出U-I曲線，再根據(jù)曲線在縱橫軸上的截距計(jì)算出電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r。使用傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)方法只能調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器測(cè)量幾個(gè)固定值，通過(guò)描點(diǎn)作圖得到圖像。如果用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)方法，分別用電流傳感器和電壓傳感器取代電流表和電壓表進(jìn)行測(cè)量，則可以移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，連續(xù)測(cè)量出在此過(guò)程中電流和電壓的值，將測(cè)量信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件計(jì)算可以直接得到U-I曲線，增加了實(shí)驗(yàn)的可信度。

3.測(cè)量并留存瞬態(tài)過(guò)程

有些物理現(xiàn)象是瞬態(tài)過(guò)程，傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)只能定性分析，難以定量測(cè)量。例如，在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的研究中，由于電磁感應(yīng)發(fā)生在穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化的瞬間，所以傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)只能通過(guò)靈敏電流計(jì)的偏轉(zhuǎn)來(lái)定性判斷是否有感應(yīng)電流，不能準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)量。如果改用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，使用套疊的兩個(gè)螺線管來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，小螺線管通過(guò)滑動(dòng)變阻器接電源，并串聯(lián)電流傳感器，大螺線管接電壓傳感器，則移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，電流和電壓傳感器就能敏銳地捕捉電流變化過(guò)程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并將這一瞬態(tài)變化過(guò)程測(cè)量數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)永久保存。學(xué)生通過(guò)改變滑動(dòng)片移動(dòng)的速度，就可以定量比較不同情況下的電流變化率和產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系，從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出電磁感應(yīng)定律。

4.提高實(shí)驗(yàn)效率

打造高效課堂一直是教學(xué)改革的方向。數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)借助傳感器和計(jì)算機(jī)軟件，能夠快速、準(zhǔn)確地獲取更多的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，得出所需圖或表，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。學(xué)生在通過(guò)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)建立起基本的物理概念和邏輯思維后，可以用數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)取代傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了寶貴的教學(xué)時(shí)間，提高了課堂教學(xué)效率。

（三）以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為補(bǔ)充

無(wú)論是傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)還是數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)，都是在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行的。由于受教學(xué)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，有些實(shí)驗(yàn)雖然對(duì)教學(xué)很有幫助，但沒(méi)有辦法實(shí)地開展或者在實(shí)際環(huán)境中實(shí)驗(yàn)效果不好。例如，電荷間的相互作用，需要利用庫(kù)侖扭秤來(lái)進(jìn)行測(cè)量，但在中職課堂上顯然不具備這個(gè)實(shí)驗(yàn)條件。又如，洛倫茲力、光的干涉與衍射、原子核的裂變與聚變等，在中職學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室也都無(wú)法完成。

對(duì)于以上通過(guò)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)或數(shù)字化物理實(shí)驗(yàn)難以收到理想效果但對(duì)于教學(xué)有幫助的實(shí)驗(yàn)，可以利用虛擬軟件來(lái)進(jìn)行。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅打破了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、環(huán)境條件等的限制，而且方法簡(jiǎn)單有效、實(shí)驗(yàn)效果明顯，在輔助教學(xué)方面能收到事半功倍的效果。下面列舉幾款常用的仿真實(shí)驗(yàn)軟件。

1.NB物理實(shí)驗(yàn)

這是北京樂(lè)步教育科技有限公司2016年上線的NOBOOK虛擬教學(xué)軟件中的一款，幾乎囊括了所有中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，電腦端和手機(jī)端均可在線使用或下載脫機(jī)使用，既方便教師進(jìn)行教學(xué)演示，也方便學(xué)生主動(dòng)探究。以光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生可以通過(guò)改變照射光的頻率、改變照射光的強(qiáng)度、改變被照射的金屬種類等手段進(jìn)行自主探究，觀察驗(yàn)電器偏轉(zhuǎn)角的變化，判斷逸出光電子的數(shù)量，得出光電效應(yīng)規(guī)律。

與此類似的還有輝合智能開發(fā)的物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、萌科VR教育開發(fā)的沉浸式VR智慧教室以及單機(jī)版的仿真物理實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)或軟件。

2.Proteus軟件

這是英國(guó)Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，具有27 000多個(gè)電路元件、多種激勵(lì)源、13種虛擬儀器和生動(dòng)的仿真顯示功能，能讓教師在電學(xué)的教學(xué)中游刃有余，還可以訓(xùn)練學(xué)生自主構(gòu)建電路的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立實(shí)踐的能力和創(chuàng)新思維。

三、小結(jié)

中職教育的目標(biāo)就是要培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)技能型人才，因此，中職學(xué)校要將課程設(shè)置與學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)充分融合。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采取傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)模式，可以讓學(xué)生盡早接觸傳感器、仿真軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等實(shí)際工作崗位中常用的技術(shù)手段，既能創(chuàng)設(shè)高效課堂，也有利于提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

程新陽(yáng).高中物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的對(duì)照研究[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)（教師通訊），2018（12）.

（作者單位：安徽交通中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校）