高中物理虛擬實驗教學的必要性研究

蔣智恒

虛擬實驗是一種區(qū)別于現(xiàn)實的，以現(xiàn)實情境為基礎(chǔ)的信息化虛擬呈現(xiàn)方式．虛擬實驗主要借助信息技術(shù)和虛擬平臺進行，需要在專業(yè)的實驗軟件和硬件上開展．我國高中階段的物理學科涉及多種學習內(nèi)容，需要教師在課堂上為學生演示實驗，需要學生在實驗參與和探究中掌握物理知識，解決物理問題．但是受教學條件的限制和實驗環(huán)境的限制，大部分實驗無法直接完成．信息技術(shù)與教育的結(jié)合為學生提供了良好的學習體驗，為學生創(chuàng)設(shè)了便利的實驗環(huán)境，幫助學生全面而深刻地了解更多實驗，對信息技術(shù)的使用和操作更加得心應(yīng)手．教師在教學中要發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢，引導學生在物理知識學習中突破難點，提升能力．

１ 高中物理實驗教學存在的問題和困境

１．１ 實驗時間無法保證

在高中物理有限的課堂教學時間內(nèi)教師需要通過前期知識的講解引導學生掌握物理理論知識，了解物理實驗的器材、實驗條件和結(jié)果等內(nèi)容，經(jīng)常發(fā)生學生剛開始實驗或者實驗進行到一半就下課的情況．在復習課上，教師關(guān)注的也主要是理論知識的講解和習題的訓練，學生實驗的機會少之又少．

１．２ 實驗條件的缺失

進行物理實驗需要實驗場地、設(shè)備的支持，但是在實際教學中，物理實驗室的器材經(jīng)過長久的使用已經(jīng)出現(xiàn)了損壞現(xiàn)象．部分實驗需要的條件較為嚴苛，現(xiàn)有的實驗室不能滿足實驗需求，容易導致實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，一些高危實驗也無法在課堂上進行．有限的教學時間和實驗設(shè)備不能滿足所有學生實驗的需求，綜上種種原因?qū)е聦W生的實驗?zāi)芰Σ粡姡?/p>

２ 高中物理虛擬實驗教學的必要性

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，教育技術(shù)變革的進程也實現(xiàn)了快速推進，大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、虛擬現(xiàn)實等層出不窮的新技術(shù)為新的教學應(yīng)用模式提供了“新武器”，一定程度上彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足．

２．１ 打破時空的限制

虛擬實驗在高中物理教學中的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)課堂教學時間和空間的限制，傳統(tǒng)教學中只能進行一遍的實驗，現(xiàn)在可以無限次操作、播放和觀看，學生可以在課前、課中、課后，在教室、家里、圖書館等地隨時實踐、觀看，在反復實踐和觀看中熟悉實驗流程，分析實驗現(xiàn)象，掌握物理原理和知識，提升自主學習效率．

２．２ 進行個性化的實驗

虛擬實驗室包含許多實驗器材，學生可以在虛擬實驗室隨意選擇需要的實驗器材，完成實驗參數(shù)的設(shè)置，為實驗做好準備，在虛擬實驗室中完成實驗操作，獲得創(chuàng)造能力的提升．物理思維是高中物理學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，在虛擬實驗操作中，學生的科學思維能力、科學探究能力得到發(fā)展，對物理觀念的形成更加直觀有效、深刻持久，在創(chuàng)新實驗設(shè)計中能熟練掌握和應(yīng)用物理知識．

２．３ 安全高效、趣味可視化

高中物理中包含著一些微觀或危險性較大、對實驗條件和環(huán)境要求較高的實驗，虛擬實驗可以滿足這些微觀、高危實驗的所有必備條件．在虛擬實驗中，這些實驗也可以以更加簡單的方式呈現(xiàn)，捕捉轉(zhuǎn)瞬即逝的實驗現(xiàn)象，增添實驗的趣味性．在設(shè)置好的實驗參數(shù)輔助下，學生可以多次反復實驗，精確調(diào)控實驗參數(shù)，獲取實驗數(shù)據(jù)，降低實驗成本，縮短實驗時間．

２．４ 線上學習的實驗學習利器

對于物理這樣的實驗學科，線上教學時學生只能通過視頻認識實驗器材，熟悉實驗步驟，觀察實驗現(xiàn)象，缺少實踐，不利于學生相關(guān)物理觀念的形成．虛擬實驗以其強大的功能為線上實驗教學提供了一定幫助．

３ 高中物理虛擬實驗教學的應(yīng)用策略

３．１ 利用虛擬實驗激發(fā)學生的學習興趣

在高中物理新課講解過程中，教師要第一時間抓住學生的視線，通過教學設(shè)計、情境創(chuàng)設(shè)吸引學生，提升學生的學習積極性，提高教學效率．虛擬實驗在新課教學中的應(yīng)用將物理知識轉(zhuǎn)化為趣味性實驗過程，讓學生在直觀的實驗呈現(xiàn)中掌握物理規(guī)律，感受到物理知識學習的趣味性．教師在利用虛擬實驗呈現(xiàn)知識的過程中也要圍繞物理實驗設(shè)計問題，通過問題設(shè)計引入新知識，做好新知識講解的鋪墊和準備．

如在“牛頓第一定律”教學中，學生已經(jīng)知道牛頓第一定律的主要內(nèi)容，也了解到是在伽利略的理想實驗基礎(chǔ)上總結(jié)的．教師可以借助虛擬實驗軟件為學生演示小球沿著斜面下滑的全過程．在實驗中，教師可以通過斜面摩擦參數(shù)的設(shè)置減小小球運動中的空氣阻力和摩擦力，盡可能還原實驗過程．學生在實驗中觀察到小球在經(jīng)過斜坡之后保持勻速直線運動狀態(tài)，并產(chǎn)生疑問．這時教師順勢引入牛頓第一定律相關(guān)內(nèi)容，解答學生的疑惑，加深學生對力的認識．這樣在物理課堂上引入虛擬實驗，同以往的現(xiàn)場操作實驗相比顯得更為直觀與形象，把一些微觀的物理現(xiàn)象給呈現(xiàn)出來，變得具體，引發(fā)學生的好奇心與質(zhì)疑心理，激發(fā)他們參與新課的興趣，為學習牛頓第一運動定律做好鋪墊工作．

３．２ 利用虛擬實驗突破物理教學重難點

高中階段的物理知識研究的內(nèi)容比初中更加深入和復雜，相對抽象的物理概念和物理公式對學生造成較大壓力．教師在教學中可以借助虛擬實驗將抽象的知識具體化、形象化，讓學生在直觀的實驗中突破重難點知識，掌握物理知識的本質(zhì)，提升學生的學習深度，增強學生的學習自信心．

如在“萬有引力定律”教學中，萬有引力的知識在航空航天中的應(yīng)用十分廣泛，如航天器的變軌問題就是萬有引力的應(yīng)用和體現(xiàn)．由于航天器與學生的生活相距較遠，學生對航天器的變軌工作和參數(shù)變化的理解存在較大問題．教師在教學中通過模擬航天器的軌道運行引導學生觀察航天器在近地軌道、橢圓軌道、遠地軌道的運行過程中點火和關(guān)火的幾種情況，對虛擬實驗中呈現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，了解航天器的變軌知識．如此，在高中物理教學中，利用虛擬實驗可以把抽象的、不易接觸的物理知識呈現(xiàn)出來，輔助他們對理論知識的理解，使其順利突破疑難障礙．

３．３ 利用虛擬實驗分析實驗過程錯誤原因

在真實實驗實施過程中，教師和學生除了需要提前準備好實驗器材，調(diào)整實驗參數(shù)等，還需要花費大量的時間和精力完成實驗操作．如果實驗出現(xiàn)錯誤，學生就需要重新開始．虛擬實驗在教學中的應(yīng)用能夠幫助學生快速了解出現(xiàn)錯誤的地方和原因，縮短學生實驗的時間，提升實驗效率．在分析和解決實驗錯誤的過程中，學生的探究能力和實驗?zāi)芰Φ玫教嵘?/p>

如在“用多用電表測量電學量”教學中，涉及電流、電阻、電源、電壓等多個瑣碎知識點，需要學生在綜合應(yīng)用知識的過程中完成探究和測量．為了避免學生損壞實驗器材，教師可先引導學生利用虛擬實驗設(shè)計操作，并且在實驗過程中引導學生交流和探討，為學生留出獨立思考的空間．在交流和討論中，學生對實驗中出現(xiàn)的問題進行反思和總結(jié)，在與其他學生的交流中發(fā)現(xiàn)自己實驗中存在的問題，聽取同學的建議，虛心改正．在不斷的反思中，學生的實驗過程逐漸規(guī)范化、科學化，實驗數(shù)據(jù)也更加精確．虛擬實驗的使用不僅保證了學生的安全，也為學生開展真實實驗提供了準備，從而提升學生的實踐操作能力．

綜上所述，在高中物理教學中，虛擬實驗?zāi)軌蜇灤┰谡n前、課堂和課后整個過程，能根據(jù)高中物理課程的內(nèi)容和形式設(shè)計實驗，滿足教師和學生的多樣化需求，提升課堂實驗教學質(zhì)量．在虛擬實驗的演示中，學生能夠全方位觀看實驗，通過調(diào)整實驗數(shù)據(jù)等方式分析實驗、創(chuàng)新實驗、解決問題．在虛擬實驗的直觀和趣味性呈現(xiàn)中，學生的學習興趣得到提升，課堂氛圍也更加活躍．虛擬實驗的滲透是對傳統(tǒng)教學模式的補充和創(chuàng)新，是對學生知識構(gòu)建和核心素養(yǎng)提升的促進．教師在教學中要善于使用信息技術(shù)資源，豐富課堂教學形式，提升課堂教學質(zhì)量．

（本文系福建省福州市教育信息技術(shù)研究２０２１年度立項課題：“３３６”混合式教學模式在高中物理虛擬實驗教學中的實踐研究（課題編號：ＦＺＤＪ２０２１Ａ２０）成果之一．）

（完）