物理線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與思考

任冠航

（蘇州市高新區(qū)實(shí)驗(yàn)初級(jí)中學(xué)，江蘇 蘇州 215161）

混合模式下的物理線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要指利用多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)手段，為學(xué)生創(chuàng)造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的虛擬環(huán)境，讓學(xué)生可以在多媒體設(shè)備上獲取直觀的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。采用線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件缺失的有效轉(zhuǎn)變，可以避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的安全及污染等問題，同時(shí)強(qiáng)化人機(jī)之間的交互操作，呈現(xiàn)清晰、直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)概述

線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更加注重學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，需要有意識(shí)地尋找線上操作與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的對(duì)照步驟，明確每個(gè)虛擬操作所對(duì)應(yīng)的物理知識(shí)。虛擬實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)強(qiáng)化教師的引導(dǎo)，注重課堂交互性，引領(lǐng)學(xué)生結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度探究。虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足適應(yīng)性原則，貼近學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)及課堂教學(xué)需求，拓展學(xué)生認(rèn)知空間。

（一）主體性，引導(dǎo)積極參與

主體性是課堂教學(xué)的首要原則，要求學(xué)生作為教學(xué)的主體對(duì)象，在課堂學(xué)習(xí)中實(shí)現(xiàn)自我知識(shí)建構(gòu)。因此，教師應(yīng)尊重學(xué)生的主體地位，在利用虛擬實(shí)驗(yàn)資源設(shè)計(jì)混合式課堂時(shí)充分考慮學(xué)生的主體地位，高效利用虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性，提高他們對(duì)物理學(xué)習(xí)的積極性。

通過生活問題的導(dǎo)入，創(chuàng)設(shè)問題情境可以有效提升學(xué)生參與課堂學(xué)習(xí)的積極性。比如，在學(xué)習(xí)“浮力”這一小節(jié)時(shí)，教師可以提出問題：“怎樣才能讓沉于水下的雞蛋漂浮起來？”通過該問題創(chuàng)設(shè)問題情境，學(xué)生的探究熱情得到充分激發(fā)，從而會(huì)積極參與到虛擬實(shí)驗(yàn)中。在學(xué)習(xí)浮力的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后，學(xué)生認(rèn)識(shí)到物體的浮沉與其所受合力密切相關(guān)，當(dāng)浮力大于重力時(shí)才能達(dá)到漂浮狀態(tài)，因此想讓沉于水底的雞蛋漂浮則應(yīng)想辦法增加其所受浮力。進(jìn)而聯(lián)想到浮力的大小不僅與排開液體的體積有關(guān)，還受到液體密度的影響，提高液體的密度就可以加大雞蛋的浮力。所以學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中將食鹽加入燒杯中，可以觀察到液體密度讀數(shù)不斷上升，雞蛋也逐漸上升。根據(jù)主體性原則設(shè)計(jì)線上實(shí)驗(yàn)課堂，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，使其在自主探究中感受物理規(guī)律。因此，教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生的課堂積極性，貫徹主體性教學(xué)原則，設(shè)計(jì)線上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂，促進(jìn)學(xué)生在虛擬操作中強(qiáng)化物理知識(shí)體驗(yàn)。

（二）交互性，實(shí)現(xiàn)深度探究

在線上虛擬實(shí)驗(yàn)課堂中，學(xué)生容易沉浸在虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程中，缺少課堂上的互動(dòng)會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)浮于表面。因此，教師應(yīng)有意識(shí)地強(qiáng)化虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的交互環(huán)節(jié)，在虛擬操作中加強(qiáng)人機(jī)交互，為學(xué)生提供正確的指引，促進(jìn)學(xué)生深入思考。

在虛擬實(shí)驗(yàn)中插入問題引導(dǎo)是常見的交互性設(shè)計(jì)方法。比如，在學(xué)習(xí)“探索更小的微?！边@一小節(jié)時(shí)，需要學(xué)生能夠深度理解物質(zhì)的組成微粒，并掌握其結(jié)構(gòu)形式，開展線上微粒探索實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供的宏觀物質(zhì)包括鉛筆芯、金剛石、液體水等，實(shí)驗(yàn)操作包括選中物質(zhì)并放大觀察兩個(gè)環(huán)節(jié)。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)置相應(yīng)的交互問題，如在學(xué)生點(diǎn)擊水并進(jìn)行放大后，首先會(huì)觀察到水分子的組成，包括一個(gè)氧原子及兩個(gè)氫原子，進(jìn)一步放大后彈出提示問題：“在該結(jié)構(gòu)中顯示的幾種分子分別屬于哪種微觀粒子？”在觀察鉛筆芯的微觀結(jié)構(gòu)時(shí)彈出提示問題：“鉛筆芯的主要組成成分是哪種物質(zhì)？其微觀結(jié)構(gòu)與水分子有何不同？”

在上述實(shí)驗(yàn)過程中，教師通過問題的形式與學(xué)生展開有效互動(dòng)，強(qiáng)化了課堂中的交互環(huán)節(jié)，為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)提供了探究方向。在問題指引下，學(xué)生深入分析虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)呈現(xiàn)的交互現(xiàn)象，理解其蘊(yùn)含的物理變化原理。

（三）適用性，拓展認(rèn)知空間

適用性是混合模式下開展線上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特殊性質(zhì)。由于線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，教師應(yīng)注重線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容選取，將其作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，拓展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以開展的教學(xué)資源，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知空間的拓展。

比如，在學(xué)習(xí)“聲音是什么”這一小節(jié)時(shí)，需要學(xué)生理解聲音產(chǎn)生的原因及聲音傳播的條件，已知真空不能傳聲，但是課堂中很難通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一特性。因此，通過虛擬實(shí)驗(yàn)的方式引導(dǎo)學(xué)生探究聲音傳播的條件。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供真空罩、鬧鐘及抽氣機(jī)設(shè)備。首先設(shè)置鬧鐘，然后用真空罩將鬧鐘罩住，利用抽氣機(jī)將真空罩內(nèi)部的空氣抽出，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中觀察讀數(shù)直到真空罩內(nèi)的空氣完全排出，之后等待鬧鐘時(shí)間到后觀察是否有聲音傳出。在完全排出氣體及不排出氣體兩種條件下的實(shí)驗(yàn)對(duì)比中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)真空罩內(nèi)完全沒有空氣后聲音不能傳播。

二、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的類型

混合模式下的線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的開展方式可以分為虛實(shí)結(jié)合、虛擬演示及模擬操作等三種主要類型，它們與課堂操作及物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象演示相輔相成，充分發(fā)揮線上平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，開闊學(xué)生的物理視野并強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)感受。

臨床在不斷的研究實(shí)踐中指出，對(duì)于早期急性心肌梗死患者的治療，關(guān)鍵在于在較短的時(shí)間內(nèi)，快速恢復(fù)患者受阻血管的血液供應(yīng)，積極改善患者的心室功能和心肌功能[6]。目前臨床上常用的再灌注治療手段主要有經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈腔內(nèi)成形術(shù)和靜脈溶栓兩種，這兩種再灌注治療方式在早期急性心肌梗死患者的治療中均表現(xiàn)出了較大的臨床優(yōu)勢(shì)，但是由于經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈腔內(nèi)成形術(shù)在治療過程中不僅對(duì)醫(yī)療條件有較高的要求，同時(shí)還需考慮到患者的身體是否能夠耐受，因此該治療方式并不適用于大范圍進(jìn)行推廣應(yīng)用[7-8]。

（一）虛實(shí)結(jié)合，相輔相成

虛實(shí)結(jié)合類實(shí)驗(yàn)是指將線上、線上平臺(tái)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程相結(jié)合，教師首先在線上平臺(tái)發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，引領(lǐng)學(xué)生討論并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程，之后在實(shí)驗(yàn)室中基于自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)流程開展自主實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中獲取最直觀的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。

虛實(shí)結(jié)合類實(shí)驗(yàn)通常用于可以在線下真實(shí)開展的實(shí)驗(yàn)，兩者相輔相成，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。比如，在學(xué)習(xí)“密度”這一小節(jié)時(shí)，首先教師在線上學(xué)習(xí)平臺(tái)提出問題：“同種物體的質(zhì)量和體積有什么關(guān)系？不同物體的質(zhì)量又有怎樣的關(guān)系？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？”在問題指引下，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用量筒測量物體的體積，利用天平測量物體的質(zhì)量，得出數(shù)據(jù)后對(duì)其關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，教師引領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過程，通過量筒和天平分別測量不同大小的相同物體的體積和質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)正比例關(guān)系，之后對(duì)比不同物體發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)為比例系數(shù)不同，從而引出密度的概念。虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以充分發(fā)揮線上平臺(tái)的作用，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有初步的了解，進(jìn)而在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中對(duì)自己的想法進(jìn)行驗(yàn)證。

（二）虛擬演示，開闊視野

虛擬演示實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)在真實(shí)場景下難以完成或者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的實(shí)驗(yàn)，通過線上演示，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有直觀的印象，進(jìn)而在教師引導(dǎo)下對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展開分析，獲得相應(yīng)的物理結(jié)論，開闊學(xué)生的物理視野。

比如，在學(xué)習(xí)“磁體與磁場”這一小節(jié)時(shí)，磁場是一種肉眼不可見的物理概念，為了強(qiáng)化學(xué)生對(duì)這一概念的理解，利用虛擬演示方法在線上平臺(tái)給出不同磁鐵的磁場分布特性?；诰€上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)演示，可以將抽象的物理概念具象化，讓學(xué)生獲取對(duì)相關(guān)概念的直觀體驗(yàn)，從而達(dá)到開闊視野、提升物理綜合素養(yǎng)的教學(xué)目的。

（三）模擬操作，深化體驗(yàn)

模擬操作實(shí)驗(yàn)是基于現(xiàn)代信息化設(shè)備才能開展的一種模擬實(shí)驗(yàn)操作過程，它能兼具虛擬實(shí)驗(yàn)及真實(shí)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，讓學(xué)生在線上平臺(tái)通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖動(dòng)等操作模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，從而獲得更具可見性的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，深化對(duì)物理實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)知。

在模擬操作實(shí)驗(yàn)中，教師應(yīng)準(zhǔn)確地講解在線上平臺(tái)每一種操作對(duì)應(yīng)的物理含義。比如，在學(xué)習(xí)“聲音的特性”這一小節(jié)時(shí)，需要學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察總結(jié)得出聲音的特性。學(xué)生在線上平臺(tái)模擬操作過程中不僅直接聽到了不同種類的聲音，還了解了麥克風(fēng)及示波器的功能，通過頻率值大小與感受到的聲音，對(duì)其特性有了深刻的體驗(yàn)。

三、線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略

混合模式下開展線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)充分發(fā)揮兩種模式的教學(xué)特點(diǎn)，聚焦核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需求，靈活轉(zhuǎn)變教學(xué)策略，提升線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

（一）調(diào)動(dòng)視聽感官，形成學(xué)科觀念

學(xué)科觀念是指學(xué)生能夠?qū)ξ锢憩F(xiàn)象及概念建立正確的認(rèn)知觀念，形成具象化的物理模型，能夠準(zhǔn)確地辨別問題及生活現(xiàn)象中的物理元素。在初中階段，學(xué)科觀念的形成應(yīng)以感性經(jīng)驗(yàn)為主，學(xué)生通過視聽感官，獲取親身體驗(yàn)，促進(jìn)抽象觀念的形成。

比如，在學(xué)習(xí)“探究凸透鏡成像的規(guī)律”這一小節(jié)時(shí)，教師基于虛實(shí)結(jié)合的方法開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的視聽感官，獲取凸透鏡成像的直觀印象。教師在線上平臺(tái)上布置問題：“凸透鏡又叫作放大鏡，它除了放大之外，可以將物體的像縮小嗎？”教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究凸透鏡在不同條件下的成像效果，使學(xué)生聯(lián)想到凸透鏡對(duì)光線的匯聚效果。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者及參與者，視聽感官被充分調(diào)動(dòng)，獲取真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，從而基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析得出對(duì)應(yīng)的物理學(xué)規(guī)律，掌握物理概念，形成學(xué)科觀念。

（二）對(duì)比具體數(shù)據(jù)，發(fā)展科學(xué)思維

對(duì)比推理不僅是重要的學(xué)科素養(yǎng)，還是一種科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法?？刂谱兞糠ň褪亲罨镜囊环N實(shí)驗(yàn)方法，用于對(duì)比分析在不同條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，教師在開展混合模式線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集整理，引領(lǐng)學(xué)生對(duì)比分析，發(fā)展其科學(xué)思維。

線下實(shí)驗(yàn)由于設(shè)備的局限性，在對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)難免會(huì)面臨阻礙，而線上虛擬實(shí)驗(yàn)可以靈活地設(shè)定器材參數(shù)，獲取更多的對(duì)比數(shù)據(jù)。比如，在學(xué)習(xí)“歐姆定律”這一小節(jié)時(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)令學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)歷歐姆定律的得出過程。在線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生提供滑動(dòng)變阻器、干電池若干、電壓表及電流表四種器材，之后按照控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在保持變阻器不動(dòng)的條件下增多電池節(jié)數(shù)，對(duì)比電源變大后讀數(shù)變化，接下來則保持電源不變，調(diào)整滑動(dòng)變阻器，觀察在不同電阻下的讀數(shù)。通過對(duì)比分析不同對(duì)照組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出R=U/I的結(jié)論。在上述實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生根據(jù)控制變量法，單獨(dú)修改某一種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，將其作為對(duì)照組實(shí)驗(yàn)與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在這一過程中，學(xué)生不僅掌握了控制變量法的實(shí)驗(yàn)原理，還了解了對(duì)比分析的科學(xué)推理能力，對(duì)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維有著積極的意義。

（三）融合社會(huì)環(huán)境，滲透責(zé)任意識(shí)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物理學(xué)科對(duì)自然環(huán)境及社會(huì)生活的影響也越發(fā)重要。滲透責(zé)任意識(shí)，讓學(xué)生形成正確的物理價(jià)值觀念，成為核心素養(yǎng)培育的重要需求。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)結(jié)合線上平臺(tái)，融合社會(huì)環(huán)境，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到物理學(xué)科的社會(huì)價(jià)值。

利用線上信息設(shè)備展示物理實(shí)際應(yīng)用場景，可以有效地培育學(xué)生的應(yīng)用能力。比如，在學(xué)習(xí)“滑輪”這一小節(jié)時(shí)，首先通過視頻展示定滑輪的應(yīng)用，如升旗手向下拉繩子，國旗向上移動(dòng)；動(dòng)滑輪的應(yīng)用，如貨物起重機(jī)應(yīng)用。在學(xué)生觀看視頻后，教師提出問題：在兩種場景下，滑輪分別起到了什么作用？之后引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)問題進(jìn)行驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩種滑輪具有不同的功能：第一種可以改變力的方向，第二種則可以省一半的力但是不能改變其原始方向。通過線上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行受力分析得出上述結(jié)論。再進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，將兩種滑輪組合使用則可以同時(shí)達(dá)到省力和改變方向的目的。由此可見，在線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中結(jié)合信息技術(shù)融入社會(huì)真實(shí)環(huán)境，可以讓學(xué)生充分地認(rèn)識(shí)到物理學(xué)科在實(shí)際生活中的應(yīng)用，體會(huì)到物理學(xué)科的巨大應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生物理意識(shí)的生成。

綜上所述，在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，教師應(yīng)充分利用信息技術(shù)賦予物理課堂新思路、新方法，結(jié)合信息化手段開展混合模式線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高物理課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)效率，強(qiáng)化學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的操作體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生物理綜合能力的發(fā)展與提升。