NOBOOK虛擬軟件在高中物理習(xí)題課中的應(yīng)用

“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的放縮圓和旋轉(zhuǎn)圓”問題對(duì)于初次接觸該問題的學(xué)生來說學(xué)習(xí)難度較大。這類問題涉及對(duì)帶電粒子在磁場中受力和運(yùn)動(dòng)的分析，需要學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題，且對(duì)學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力提出了較高的要求。虛擬場景的實(shí)時(shí)互動(dòng)性能促使學(xué)生積極參與課堂學(xué)習(xí)，激發(fā)他們學(xué)習(xí)物理的熱情，而虛擬軟件在高中物理習(xí)題課教學(xué)中的應(yīng)用能給學(xué)生帶來更豐富、更具實(shí)踐性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)?；诖耍P者以“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的放縮圓和旋轉(zhuǎn)圓”問題為例，利用NOBOOK虛擬軟件將傳統(tǒng)的物理習(xí)題呈現(xiàn)在虛擬的場景中，以期讓學(xué)生通過虛擬軟件更直觀地理解問題，并加深對(duì)物理原理的理解。

一、虛擬軟件在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

目前，虛擬軟件在教育領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在物理教學(xué)方面。而針對(duì)高中物理習(xí)題的虛擬軟件，國內(nèi)外都有相應(yīng)的研究和開發(fā)。

在國內(nèi)，許多高校和研究機(jī)構(gòu)都在研究高中物理習(xí)題虛擬軟件。研究人員通過三維建模、物理引擎等技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)、交互式模擬和習(xí)題練習(xí)等功能。一些虛擬軟件還可以根據(jù)學(xué)生的答題情況提供實(shí)時(shí)反饋和個(gè)性化輔導(dǎo)。這些軟件能夠幫助學(xué)生更好地理解物理概念，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析的能力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

國外的相關(guān)研究非?；钴S，很多發(fā)達(dá)國家的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行相關(guān)研究。例如，有的國家開發(fā)了相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件，學(xué)生不僅可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和建模等操作。此外，一些教育科技公司推出了適用于高中物理學(xué)習(xí)的虛擬軟件，以游戲化的方式呈現(xiàn)科學(xué)知識(shí)。

二、NOBOOK虛擬軟件概述

（一）軟件介紹

NOBOOK虛擬軟件是一種在高中物理習(xí)題課教學(xué)中應(yīng)用的創(chuàng)新工具。該軟件以提供虛擬實(shí)驗(yàn)和模擬教學(xué)為主要功能，通過模擬物理實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀察，從而加深對(duì)物理知識(shí)的理解和記憶。該軟件具有直觀、生動(dòng)的界面設(shè)計(jì)，可以模擬各種物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如力學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)等。

該軟件包含“軟件介紹”板塊，其詳細(xì)介紹了軟件的功能和使用方法，包括如何打開軟件、選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)K、操作實(shí)驗(yàn)器材和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。通過使用“軟件介紹”板塊的功能，學(xué)生可以快速了解并掌握軟件的基本操作，為后續(xù)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。NOBOOK虛擬軟件的引入將為高中物理習(xí)題課的教學(xué)帶來新的突破，為學(xué)生提供更多實(shí)踐機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

（二）特點(diǎn)和功能

首先，NOBOOK虛擬軟件通過模擬真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)場景，讓學(xué)生能夠通過虛擬操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的安全性和靈活性。其次，NOBOOK虛擬軟件提供了大量的物理實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的習(xí)題進(jìn)行練習(xí)，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的針對(duì)性和趣味性。最后，NOBOOK虛擬軟件具備自動(dòng)批改和評(píng)估功能，能夠?qū)崟r(shí)反饋學(xué)生的答題情況，幫助他們及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果?？傊?，NOBOOK虛擬軟件的鮮明特點(diǎn)和豐富功能使它成為高中物理習(xí)題課教學(xué)中不可或缺的工具。

三、NOBOOK虛擬軟件在高中物理習(xí)題課中的應(yīng)用意義

（一）提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率

虛擬軟件在高中物理習(xí)題課教學(xué)中的應(yīng)用是當(dāng)前教育領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，其能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。首先，虛擬軟件為學(xué)生提供了創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)環(huán)境。在模擬實(shí)驗(yàn)和解答物理習(xí)題的過程中，學(xué)生可以充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，提高解決問題的能力和發(fā)展科學(xué)思維。其次，虛擬軟件能夠加深學(xué)生對(duì)物理概念的理解和記憶。通過視覺化的展示和交互式的操作，學(xué)生可以更加直觀地理解抽象的物理概念，使學(xué)習(xí)過程更加生動(dòng)有趣。最后，虛擬軟件能夠提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，并能根據(jù)學(xué)生的實(shí)際水平和學(xué)習(xí)需求進(jìn)行個(gè)性化的調(diào)整，幫助學(xué)生更好地掌握物理知識(shí)。

（二）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力

NOBOOK虛擬軟件在高中物理習(xí)題課中的應(yīng)用能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。首先，通過使用虛擬軟件解答物理習(xí)題，學(xué)生能夠以更直觀、形象的方式理解物理概念和原理。虛擬軟件提供了多種場景和模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過自主探索的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，產(chǎn)生更強(qiáng)的學(xué)習(xí)動(dòng)力。其次，虛擬軟件具備實(shí)時(shí)反饋和評(píng)估功能，學(xué)生能夠即時(shí)了解自己的答題情況和錯(cuò)誤之處，并及時(shí)糾正錯(cuò)誤，加深對(duì)物理知識(shí)的理解。最后，虛擬軟件具有智能化特點(diǎn)，它可以根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和需要提供個(gè)性化指導(dǎo)，從而幫助學(xué)生更好地掌握物理習(xí)題的解答方法，形成邏輯思維?？傊@種創(chuàng)新的教學(xué)方式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

（三）提高學(xué)生解決問題的能力

NOBOOK虛擬軟件在高中物理習(xí)題課中的應(yīng)用能提高學(xué)生解決問題的能力。通過使用NOBOOK虛擬軟件，學(xué)生可以親身參與實(shí)驗(yàn)操作和問題求解過程，從而提高分析和解決問題的能力。首先，NOBOOK虛擬軟件提供了豐富的實(shí)驗(yàn)場景和模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生可以通過模擬實(shí)驗(yàn)觀察、測(cè)量和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更好地理解物理原理和科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。其次，NOBOOK虛擬軟件支持學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)需求和興趣在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)定問題，并利用軟件提供的工具和方法探索和解決問題。最后，NOBOOK虛擬軟件具備分析錯(cuò)誤和評(píng)估反饋功能，能幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)和分析問題解決過程中的錯(cuò)誤和不足，從而提高他們解決問題的能力。

四、NOBOOK虛擬軟件在高中物理習(xí)題課中的具體應(yīng)用案例

磁場問題是高中物理習(xí)題課中的一個(gè)重要內(nèi)容，尤其是帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)，更是高考的命題熱點(diǎn)。而帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的放縮圓和旋轉(zhuǎn)圓問題，由于難度較大，學(xué)生很難一次性掌握。究其原因在于這部分習(xí)題呈現(xiàn)出的是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化，對(duì)學(xué)生物理思維的要求極高。因此，在講授相關(guān)習(xí)題時(shí)，筆者通過使用NOBOOK虛擬軟件幫助學(xué)生更加直觀地理解磁場問題，以此提高學(xué)生的解題能力，培養(yǎng)學(xué)生的物理思維。

（一）問題描述

在同一平面內(nèi)，沿各個(gè)方向發(fā)射相同速率的帶電粒子為同種帶電粒子。這些帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場，做同方向旋轉(zhuǎn)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)（圖1），具有下列特點(diǎn)：一是各帶電粒子的圓軌跡半徑相等，運(yùn)動(dòng)周期相等；二是各帶電粒子圓軌跡的圓心分布在以粒子源為圓心，R為半徑的一個(gè)圓周上；三是帶電粒子在磁場中可能經(jīng)過的區(qū)域是以粒子源為圓心，2R為半徑的大圓。

（二）模擬步驟

下面，筆者通過NOBOOK虛擬軟件模擬上述問題，具體包括以下五個(gè)步驟。

步驟一：啟動(dòng)NOBOOK軟件，新建實(shí)驗(yàn)。具體操作如下：啟動(dòng)NOBOOK虛擬軟件，選擇“物理實(shí)驗(yàn)（高中）”，點(diǎn)擊右上角“新建實(shí)驗(yàn)”按鈕，單擊菜單欄中的“力與運(yùn)動(dòng)”選項(xiàng)，進(jìn)入軟件界面。

步驟二：創(chuàng)建模型。該步驟分為三個(gè)環(huán)節(jié)。一是創(chuàng)建磁場。先在右側(cè)“元件庫”中單擊“矩形磁場”，將其添加到主窗口內(nèi)，然后修改磁場方向和尺寸：用鼠標(biāo)左鍵雙擊該矩形磁場，在彈出的對(duì)話框中將其位置下、上、左、右分別設(shè)為-9.87、53.78、-50、40.79（圖2）。二是添加第一個(gè)粒子源。先在右側(cè)元件庫中單擊“變角度粒子源”將其添加至主窗口內(nèi)，再修改“變速度粒子源”的方向和坐標(biāo)：點(diǎn)擊左鍵選擇“變速度粒子源”，在彈出的菜單中單擊“設(shè)置”按鈕，單擊菜單欄中的“顯示”選項(xiàng)，將x坐標(biāo)改為0，將y坐標(biāo)改為0。三是復(fù)制生成另外3個(gè)粒子源。單擊第1個(gè)粒子源進(jìn)行復(fù)制，生成第二個(gè)粒子源，將其x坐標(biāo)和y坐標(biāo)都改為0，將其角度改為90°；按相同的操作復(fù)制生成第三個(gè)粒子源，將其x坐標(biāo)和y坐標(biāo)都改為0，將其角度改為180°；按相同的操作復(fù)制生成第四個(gè)粒子源，將其x坐標(biāo)和y坐標(biāo)都改為0，將其角度改為270°。此時(shí)模型如圖3所示。

步驟三：顯示軌跡曲線。具體操作如下：單擊每一個(gè)粒子源模型，然后在彈出的菜單中單擊“設(shè)置圖標(biāo)”，在后續(xù)彈出的菜單中打開“顯示”，將“顯示軌跡”按鈕打開，并將軌跡顯示時(shí)間設(shè)置為300。

步驟四：設(shè)置初始狀態(tài)及物理?xiàng)l件。該步驟分為以下四個(gè)環(huán)節(jié)。一是設(shè)置不考慮重力的作用：在右上角單擊“設(shè)置”圖標(biāo)，然后打開“場景作用力設(shè)置”選項(xiàng)頁，將“考慮重力”按鈕關(guān)閉。二是設(shè)置磁場強(qiáng)度：雙擊矩形磁場，將其“磁感應(yīng)強(qiáng)度”設(shè)置為1（默認(rèn)值）。三是設(shè)置粒子源帶電量：用鼠標(biāo)左鍵單擊每個(gè)粒子源，單擊編輯圖標(biāo)，在彈出的菜單中選擇打開“材質(zhì)/外觀”選項(xiàng)頁，設(shè)置“帶電量”為1。四是設(shè)置粒子源速度：在每個(gè)粒子源的“速度”選項(xiàng)頁里，將速度設(shè)置為20m/s，將角度范圍設(shè)置為0～90°，將粒子個(gè)數(shù)設(shè)置為3（圖4）。

步驟五：運(yùn)行仿真及仿真結(jié)果分析。具體操作如下：在左側(cè)工具條里單擊“運(yùn)行仿真”按鈕，4個(gè)粒子源所射出的12個(gè)粒子在磁場的作用下開始進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

由圖5可以看出，各帶電粒子的質(zhì)量、速度和電荷量均相等，在磁場力的作用下，所有粒子的圓軌跡半徑相等，運(yùn)動(dòng)周期也相等。

五、NOBOOK虛擬軟件在高中物理習(xí)題課教學(xué)中的應(yīng)用總結(jié)

通過仿真模擬，學(xué)生可以動(dòng)態(tài)地觀察整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)于放縮圓問題會(huì)在腦海中形成宏觀的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以通過調(diào)整磁場方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小、電荷量、粒子運(yùn)動(dòng)的速度、粒子的個(gè)數(shù)等方式，做進(jìn)一步探究。

實(shí)踐證明，NOBOOK虛擬軟件在高中物理習(xí)題課教學(xué)中的應(yīng)用能給學(xué)生帶來更豐富、更具實(shí)踐性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬軟件將在教育領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

（作者單位：陜西省靖邊縣第三中學(xué)）