虛擬仿真技術(shù)助力高中物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)

李毓 崔北元 黃振俠

［摘 要］傳統(tǒng)的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在資源、設(shè)備、安全等方面存在一些欠缺。采用虛擬仿真技術(shù)可基本解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題，實(shí)現(xiàn)高中物理實(shí)驗(yàn)可視化教學(xué)，為高中物理教學(xué)提供一種新的途徑，幫助學(xué)生理解科學(xué)原理，培養(yǎng)學(xué)生的解決問題能力和創(chuàng)新能力。

［關(guān)鍵詞］虛擬仿真技術(shù)；高中物理實(shí)驗(yàn)；可視化；NB實(shí)驗(yàn)

［中圖分類號(hào)］? ?G633.7? ? ? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ?A? ? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ?1674-6058（2023）24-0046-03

實(shí)驗(yàn)是物理的基礎(chǔ)，也可以說是物理學(xué)科的靈魂所在。因此，學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)原理的理解程度、實(shí)驗(yàn)操作設(shè)計(jì)的熟練程度、數(shù)據(jù)分析能力的強(qiáng)弱，是直接影響學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展、理性思維養(yǎng)成和創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)的重要因素［1］。

一、傳統(tǒng)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著多種挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，任課教師首先要準(zhǔn)備好所需的實(shí)驗(yàn)器材，并且盡可能多次進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)來應(yīng)對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的各種問題，這將耗費(fèi)教師大量的時(shí)間和精力。在一些物理教師人員不充足的學(xué)校，加之教師的課時(shí)量大，導(dǎo)致部分教師沒有時(shí)間和精力再安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，需要有足夠的實(shí)驗(yàn)器材。由于經(jīng)濟(jì)條件有限，部分地區(qū)學(xué)校無法湊足實(shí)驗(yàn)器材，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法進(jìn)行。而就算是實(shí)驗(yàn)器材能夠備足，實(shí)驗(yàn)室也需要配備專門人員來保障實(shí)驗(yàn)過程的安全，即既要盡量防止實(shí)驗(yàn)儀器的損壞，又要避免安全事故的發(fā)生。另外，有很多高中物理實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下很難得到比較明顯或者理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要在理想狀態(tài)下才能實(shí)現(xiàn)，比如伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)、牛頓管實(shí)驗(yàn)、微小形變的演示等。而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的這些不足，可用虛擬實(shí)驗(yàn)來彌補(bǔ)。NB物理實(shí)驗(yàn)是一種利用計(jì)算機(jī)的科學(xué)算法和大數(shù)據(jù)為技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的新型實(shí)驗(yàn)方式，它已成為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的一項(xiàng)非常重要的應(yīng)用成果。NB物理實(shí)驗(yàn)采用的虛擬仿真技術(shù)能夠?yàn)楦咧形锢韺?shí)驗(yàn)的可視化教學(xué)帶來強(qiáng)有力的助力，也將成為教育信息化服務(wù)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段。

二、NB物理實(shí)驗(yàn)介紹

NB物理實(shí)驗(yàn)（見圖1）是一款專門為中學(xué)物理教學(xué)打造的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室軟件，覆蓋了初、高中各版本物理主流教材中的力學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等領(lǐng)域的所有典型實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)。該軟件包含“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)”和“DIY實(shí)驗(yàn)”兩個(gè)主要模塊。

“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)”主要由實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)論四個(gè)部分組成。用戶可以根據(jù)軟件提供的實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和探究，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理。

“DIY實(shí)驗(yàn)”是NB物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)特色功能，“DIY實(shí)驗(yàn)”包含初、高中物理所有實(shí)驗(yàn)器材，是由電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等多種物理“引擎”開發(fā)而成。用戶能夠按照自己的實(shí)驗(yàn)需要自行設(shè)計(jì)，從實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)器材的選擇、實(shí)驗(yàn)儀器的搭配和組裝、實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新，甚至是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的論證都可以在NB物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)［2］。

相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式，NB物理實(shí)驗(yàn)可以幫助教師和學(xué)生解決一些實(shí)驗(yàn)問題，如彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)器材不足、確保實(shí)驗(yàn)安全、呈現(xiàn)只有理想條件下才能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)等。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用使得高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加可視化，更加生動(dòng)形象，使學(xué)生能夠深刻地理解物理知識(shí)，提高科學(xué)素養(yǎng)，發(fā)展理性思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，正在被越來越多的學(xué)校推廣應(yīng)用。

三、NB物理實(shí)驗(yàn)助力高中物理實(shí)驗(yàn)的可視化教學(xué)

（一）NB物理實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)器材不足

NB物理實(shí)驗(yàn)涵蓋了初、高中物理所有實(shí)驗(yàn)器材，可供物理教師根據(jù)課程內(nèi)容有針對(duì)性地選擇實(shí)驗(yàn)器材開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中器材不足的問題。無論是在家中還是在學(xué)校，教師都可以通過軟件進(jìn)行備課，隨時(shí)調(diào)取所需實(shí)驗(yàn)器材，節(jié)約備課時(shí)間，提高備課效率。例如，在教學(xué)電磁學(xué)內(nèi)容時(shí)，教師可以從NB物理實(shí)驗(yàn)的電磁學(xué)器材（見圖2）中實(shí)時(shí)調(diào)取庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)裝置、手搖發(fā)電機(jī)、變壓器等，讓學(xué)生直觀地感受實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。又如，在向心力實(shí)驗(yàn)中，向心力演示器并不是所有地區(qū)、學(xué)校都有，但通過NB物理實(shí)驗(yàn)，教師可以向?qū)W生直觀地介紹向心力演示器（見圖3）。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所用的器材和設(shè)備價(jià)格昂貴，且數(shù)量和種類有限。使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行教學(xué)，不僅成本低，而且軟件中的實(shí)驗(yàn)器材可以無限重復(fù)使用。此外，學(xué)生可以親自嘗試實(shí)驗(yàn)，加深理解。

（二）NB物理實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)可視化

NB物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛏鷦?dòng)、逼真、立體地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程，使抽象的實(shí)驗(yàn)變得具象。教師可根據(jù)教學(xué)需求，有效應(yīng)用NB物理實(shí)驗(yàn)，提高教學(xué)效果。而一些復(fù)雜、危險(xiǎn)或在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無法完成的實(shí)驗(yàn)，都可以在NB物理實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。通過NB物理實(shí)驗(yàn)，教師再也不必因傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的欠缺問題而讓學(xué)生錯(cuò)失體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)樂趣的機(jī)會(huì)。

例如，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中由于空氣阻力因素的影響，彈簧振子無法完美呈現(xiàn)，但是在NB物理實(shí)驗(yàn)中卻可以精準(zhǔn)模擬（見圖4）。又如，由于周圍環(huán)境的影響，在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行電荷守恒規(guī)律研究的定量分析十分困難。而通過NB物理實(shí)驗(yàn)則能輕松實(shí)現(xiàn)電荷守恒規(guī)律的演示。此外，當(dāng)研究力的作用效果時(shí)，通過NB物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證壓力對(duì)桌面、玻璃瓶等物體所造成的微小形變（見圖5），可以幫助學(xué)生突破認(rèn)知盲區(qū)，深化學(xué)生對(duì)力的作用效果的認(rèn)識(shí)。

（三）NB物理實(shí)驗(yàn)解決實(shí)驗(yàn)安全問題

從傳統(tǒng)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境來看，在高中物理實(shí)驗(yàn)室中有可能會(huì)出現(xiàn)的安全問題有以下幾個(gè)方面。第一，觸電風(fēng)險(xiǎn)。很多高中物理實(shí)驗(yàn)涉及電的使用。如電磁學(xué)、力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)（打點(diǎn)計(jì)時(shí)器）方面的實(shí)驗(yàn)。第二，擊打傷害。高中物理實(shí)驗(yàn)中會(huì)涉及許多力學(xué)知識(shí)，其中物體飛濺會(huì)帶來?yè)舸騻?。比如力學(xué)實(shí)驗(yàn)中一些配重物發(fā)生碰撞，運(yùn)動(dòng)軌跡變化而引起安全事故。第三，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。在一些高中物理實(shí)驗(yàn)中，尤其是在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，會(huì)有測(cè)電阻的實(shí)驗(yàn)。如果沒有操作好，可能會(huì)因?yàn)閷?dǎo)線過熱而引發(fā)火災(zāi)。NB物理實(shí)驗(yàn)中的虛擬環(huán)境，完全不會(huì)出現(xiàn)這類問題，學(xué)生可以大膽嘗試，無須小心翼翼。教師的準(zhǔn)備工作也大大減少，從而有更多的時(shí)間和精力鉆研教材、研究教法，保證教學(xué)的順利開展。

（四）利用NB物理實(shí)驗(yàn)自主探究

在NB物理實(shí)驗(yàn)這個(gè)智能化、完全開放式的實(shí)驗(yàn)環(huán)境里，學(xué)生能自由創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)、自主探究物理規(guī)律，能從觀察到的許多物理現(xiàn)象中產(chǎn)生一個(gè)個(gè)問題，從而激發(fā)強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)欲望，積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)。NB物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼偈箤W(xué)生勇于探索、創(chuàng)造并激發(fā)其追求真理的精神，長(zhǎng)此以往，學(xué)生就可以領(lǐng)悟出自己的一套思維方法。在NB物理實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠突破教師教學(xué)進(jìn)度的限制，甚至突破現(xiàn)有教材的限制，玩轉(zhuǎn)物理。

此外，學(xué)生在NB物理實(shí)驗(yàn)里搭建的實(shí)驗(yàn)還可以導(dǎo)出，脫離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行，便于隨時(shí)隨地觀看、留存，從而成為寶貴的多媒體教學(xué)素材。

四、傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

NB物理實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙蕴摂M仿真技術(shù)的形式在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用，它能夠把理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，幫助教師依據(jù)科學(xué)探索及研究過程逐步開展教學(xué)，對(duì)于學(xué)生視野的開闊、實(shí)驗(yàn)興趣的提高起到很大的促進(jìn)作用。但即使NB物理實(shí)驗(yàn)具備這樣的優(yōu)勢(shì)，因傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和其操作是完全不同的，不一樣的操作感覺會(huì)讓學(xué)生在腦海中形成不一樣的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知，對(duì)此教師不要一味地在教學(xué)中圖省事而直接用NB物理實(shí)驗(yàn)來完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中，教師應(yīng)充分考慮實(shí)驗(yàn)方式的選擇，將兩者形成相互補(bǔ)充、相輔相成的局面作為重要參考依據(jù)［3］。例如，在課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)及課后鞏固時(shí)，教師可以安排學(xué)生使用NB物理實(shí)驗(yàn)，這樣能夠避免一些因操作不當(dāng)而造成安全事故的問題。有些測(cè)量類的實(shí)驗(yàn)，比如游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、多用電表的使用，則可安排真實(shí)實(shí)驗(yàn)。一些在真實(shí)環(huán)境下無法完成的實(shí)驗(yàn)，比如簡(jiǎn)諧振動(dòng)的演示、伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)等，可使用NB物理實(shí)驗(yàn)來完成?？傊?，NB物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)建立在真實(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，而NB物理實(shí)驗(yàn)也應(yīng)成為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充和主要便捷途徑。在教學(xué)中只有兩者相輔相成、互相補(bǔ)充，才能獲得更好的教學(xué)效果。

NB物理實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代信息技術(shù)環(huán)境下衍生發(fā)展的一種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的產(chǎn)物，作為一種新的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，它可以幫助教師解決很多日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以解決甚至無法解決的問題［4］。如果能夠合理地利用NB物理實(shí)驗(yàn)，將會(huì)對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化、高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率及質(zhì)量的提高產(chǎn)生積極深遠(yuǎn)的影響，但絕不能“為用而用”，要根據(jù)具體的物理實(shí)驗(yàn)類型、實(shí)驗(yàn)功能、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和要求，從實(shí)際出發(fā)找NB物理實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的切入點(diǎn)，把握好“適時(shí)”“適度”。如何才能把NB物理實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)完美地融合到一起？如何才能在運(yùn)用好系統(tǒng)思想和方法的情況下，研究并能設(shè)計(jì)具體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的具體步驟、環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)兩者的有機(jī)融合？這些將會(huì)成為未來物理教育教學(xué)技術(shù)研究的又一個(gè)具有重要意義的課題。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 張永輝.基于NB虛擬實(shí)驗(yàn)的初中物理有效教學(xué)探討［J］.西藏教育，2019（1）：21-23.

［2］? 舒莉莉. 交互仿真支持高中力學(xué)概念理解的探究式教學(xué)模式構(gòu)建與應(yīng)用［D］.濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2022.

［3］? 馮長(zhǎng)江，陳月魁. 論仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的地位和作用［J］.北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20（增刊1）：14-16.

［4］? 馬琦.利用NB虛擬實(shí)驗(yàn)助推物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（8）：5-8.