虛擬實驗在初中物理實驗教學中的應用分析

【摘" 要】 實驗作為學生學習過程中的關鍵環(huán)節(jié)，其設計應契合學生的認知發(fā)展特點，對幫助學生構建物理概念、掌握物理規(guī)律以及促進思維發(fā)展具有顯著作用。然而，當前初中物理實驗教學面臨實驗資源不足和傳統(tǒng)應試教育理念束縛的雙重挑戰(zhàn)，導致教學效果未達預期，對學校的整體教育質(zhì)量造成了一定程度的影響。隨著我國教育改革的持續(xù)深入，信息化趨勢日益顯著，成為推動教育現(xiàn)代化不可或缺的力量。在此背景下，探索利用虛擬實驗技術融合新興教學手段，成為提升教學效能的新路徑。文章詳細探討了NOBOOK虛擬實驗平臺如何在初中物理教學中的實踐應用，并對其教學效果進行了綜合評估與總結，旨在為提升初中物理實驗教學水平提供參考與借鑒。

【關鍵詞】 虛擬實驗;初中物理實驗;NOBOOK;虛擬實驗平臺

一、NOBOOK虛擬實驗平臺概述

NOBOOK虛擬實驗平臺是一款由某有限公司精心打造的學習輔助軟件，用戶通過滑動鼠標即可輕松操作計算機界面，在高度仿真的虛擬環(huán)境中進行實驗操作，自由選取所需裝置。該平臺兼容HTML5標準，因此能夠靈活部署于電子白板、桌面電腦、平板電腦等多種計算機設備上，滿足不同場景下的學習需求。

對教育工作者和學生而言，NOBOOK虛擬實驗平臺無疑是一個極佳的學習伴侶。它巧妙融合多媒體資源，緊密結合學科特點，為教師和學生提供了豐富多樣的實驗資源。通過虛擬建模技術，該平臺實現(xiàn)了教學資源的有效共享，讓知識的傳遞更加便捷高效。目前，NOBOOK虛擬實驗平臺已涵蓋電磁學、力學、光學、聲學、熱力學、家用電路、力與運動等多個學科領域，并緊密貼合初中教材內(nèi)容。

二、NOBOOK虛擬實驗平臺的優(yōu)勢

首先，在NOBOOK虛擬實驗平臺上進行的實驗，展現(xiàn)出了高度的真實感。舉例而言，當模擬開水燒開的場景時，平臺能模擬出水沸騰時特有的聲響，有效引導學生注意到實驗的變化;平臺還能直觀展示碘升華過程中產(chǎn)生的紫色氣體。此平臺通過虛擬實驗的方式，使學生能夠探索到眾多在物理世界中難以直接觀察的物理現(xiàn)象，包括電流的動態(tài)、磁感線的走向、分子與原子的微觀結構等，這些均能在虛擬環(huán)境中得到驗證。這一特性不僅增強了教學的互動性，還極大地激發(fā)了學生的學習興趣，使學習過程變得更加生動有趣。

其次，NOBOOK虛擬實驗平臺支持通過簡單快捷的智能終端設備進行反復實驗操作，極大地提升了實驗的便捷性。該平臺不僅集成了種類繁多的虛擬實驗儀器，還精心設計了8個專為學生學習而設的實驗模塊，旨在全方位鍛煉學生的動手實踐能力，并激發(fā)他們的創(chuàng)新思維與探索精神。

再次，NOBOOK虛擬實驗平臺能夠顯著縮短學生的實踐操作時間，有效減輕他們在實驗前期準備及資料搜集方面的負擔。借助該平臺，學生可以更加高效地利用額外的學習時段，深化對實驗內(nèi)容的理解，從而進一步提升整體學習效果。

最后，在實際教學場景中，部分實驗因涉及高溫器械、有毒或腐蝕性藥劑等，存在較高的安全風險，顯然不適合作為學生的家庭作業(yè)內(nèi)容。有些實驗對條件要求極為苛刻，且易受外界因素干擾，從而增加了實驗操作的難度。針對這些挑戰(zhàn)，NOBOOK虛擬實驗平臺展現(xiàn)出了其獨特優(yōu)勢，它能夠有效克服真實環(huán)境中多種客觀條件的限制，使學生能夠在更加安全、可控的環(huán)境中，以更直觀、高效的方式獲取實驗結果，從而提升學習體驗和成效。

三、初中物理實驗教學中存在的問題

長期以來，在各類考試體系中，物理實驗往往僅通過測驗形式進行，缺乏對學生實踐操作能力的直接考核。當前，我國初中教育普遍存在著“重理論輕實踐”的教學傾向，對實踐操作能力的培養(yǎng)重視不足。尤其在鄉(xiāng)村學校，實驗室資源的匱乏和條件簡陋成為普遍現(xiàn)象，部分實驗室關閉不用，設施陳舊且功能受限，導致學生難以直觀觀測實驗現(xiàn)象，進而影響了實驗教學的效果。

總體來看，當前的實驗教學面臨諸多挑戰(zhàn)。而NOBOOK虛擬實驗平臺的引入，則為解決這些問題提供了有效途徑。該平臺能夠高度模擬真實實驗過程，彌補常規(guī)實驗設備的不足，特別是針對那些不易直接觀察的現(xiàn)象，提供可視化描述，極大增強了實驗的演示效果。此外，虛擬實驗平臺還能有效激發(fā)學生的學習興趣和熱情，促進學生主動參與學習，提升課堂教學質(zhì)量。

因此，將NOBOOK虛擬實驗平臺與日常學習過程有機結合，是對傳統(tǒng)實驗教學模式的有效補充。通過優(yōu)化實驗設計，該平臺為學生的學習開辟了新路徑，提供了更加豐富和高效的學習體驗。

四、NOBOOK虛擬實驗平臺在物理教學中的應用范圍

（一）測量性實驗及其應用

測量性實驗主要分為兩大類：直接測量實驗與間接測量實驗。其中，直接使用如尺子等工具進行的測量屬于直接實驗;需通過一系列計算或推導得出結果的，如測量滑輪組的機械效率等，則歸為間接實驗。

以八年級教材中“測量滑輪組的機械效率”為例，該實驗內(nèi)容通常包含以下幾個關鍵部分：1. 理論講解與實驗原理介紹。首先，通過多媒體課件展示定滑輪、動滑輪、鉤碼等實驗裝置，詳細闡述這些裝置的基本物理原理及實驗所需遵循的規(guī)律。同時，明確說明測量對象的物理法則，并給出計算滑輪組機械效率的公式或表達式。2. 教學與操作實踐結合。在此階段，教師利用虛擬實驗裝置進行示范教學，展示科研實驗的基本流程和方法。隨后，學生獨立操作虛擬實驗裝置，進行觀察、記錄數(shù)據(jù)并嘗試理解實驗過程。3. 實踐操作與技能提升。在教師的指導下，學生親自動手進行虛擬實驗，通過實際操作來體會和掌握實驗的基本原理與方法。實驗過程中，師生可靈活調(diào)整實驗條件，如改變鉤碼的數(shù)量等，以探究不同條件下滑輪組機械效率的變化規(guī)律。

（二）驗證性實驗及其應用

針對“驗證聲音是由物體振動產(chǎn)生的”這一實驗，教師可利用NOBOOK虛擬實驗平臺設計一套系統(tǒng)化的學習流程，具體包括四個步驟：1. 原理講解。教師首先闡述實驗的核心原理及相關的物理規(guī)律，確保學生能夠深入理解聲波與物體振動之間的基本關系。2. 實驗假說構建。基于已學的物理規(guī)律，引導學生運用邏輯推理，對即將進行的實驗現(xiàn)象進行預測，形成實驗假說。3. 實地實驗操作。利用真實的實驗裝置，學生親手操作，通過直觀的觀察和測量，驗證物理規(guī)律的正確性。4. 虛擬實驗探究。在NOBOOK物理虛擬實驗平臺中，師生可以進一步拓展實驗研究的深度和廣度。平臺提供了多視角觀察實驗現(xiàn)象和模型的機會，使得在實際環(huán)境中難以實現(xiàn)的實驗條件得以模擬。通過選用不同振動頻率的音叉、敲擊不同厚度的鼓面、調(diào)整秤桿長度或改變氣壓推動天平等多種變量，學生可以全面而深入地探究實驗現(xiàn)象與物理規(guī)律之間的聯(lián)系，從而培養(yǎng)觀察力、分析力和創(chuàng)新思維。

（三）探究性實驗及其應用

以“探究焦耳定律”為例，探究性實驗通常遵循以下五個步驟展開：1. 問題提出。通過課堂教學活動，引導學生認識到電流與熱量之間存在的潛在關系，從而明確探究的目標與問題。2. 假設形成。鼓勵學生基于已學知識或直覺，提出關于實驗現(xiàn)象的初步假設，作為后續(xù)探究的起點。3. 實驗設計。在教師的指導下，學生自主參與實驗設計過程，通過團隊協(xié)作與交流，確定實驗方案，包括所需的實驗器材、操作步驟及數(shù)據(jù)記錄方法等。4. 實驗執(zhí)行與數(shù)據(jù)收集。在此階段，學生需設計并執(zhí)行兩個關鍵實驗：“控制電流相同，改變電阻大小”以及“控制電阻相同，改變電流大小”，以觀察并記錄不同條件下的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。通過模擬實驗環(huán)境，學生能夠有效控制實驗變量，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。5. 成果分析與評估。實驗結束后，在教師的引導下，學生對收集到的實驗數(shù)據(jù)進行歸納、整理和分析，通過邏輯推理和科學論證，驗證或修正之前的假設。同時，對實驗過程進行客觀、全面的評估，探討實驗中的誤差來源及改進措施。

（四）學習性實驗及其應用

以“研究條形磁鐵的磁場”為例，該探究性學習過程可以細化為以下四個步驟：1. 理論基礎構建。教師首先系統(tǒng)講解“磁鐵”“磁感線”等核心概念，為學生后續(xù)參與實驗活動奠定堅實的理論基礎。2. 虛擬實驗演示。在虛擬實驗環(huán)境中，教師詳細演示實驗的具體操作步驟，包括如何放置磁鐵、如何觀察磁場分布等，為學生自主實驗提供直觀示范。3. 自主實驗與觀察?；谇笆龅睦碚搶W習和演示指導，學生利用虛擬實驗平臺自主進行實驗，通過親手操作，觀察并記錄實驗過程中條形磁鐵產(chǎn)生的磁場現(xiàn)象，從而加深對磁感線形態(tài)與性質(zhì)的理解。4. 真實實驗補充與對比。在條件允許的情況下，學生還可在真實的教學環(huán)境中進行實體實驗。這一環(huán)節(jié)不僅讓學生有機會親身體驗實驗操作的樂趣，還能通過更換磁鐵位置、增減磁鐵數(shù)量等操作，更直觀地感受磁場的變化。

五、NOBOOK虛擬實驗平臺在初中物理實驗教學中的應用案例分析

（一）教學內(nèi)容分析

以凸透鏡成像規(guī)律為案例進行分析。研究凸透鏡的可視化規(guī)律，是初中物理教學中的一個重要實驗。具體教學內(nèi)容包含：讓學生觀察照相機、放映機等事物的特點和模式，并思考那些與凸透鏡相關的因素。如影像要素與物件間的距離有何關聯(lián)？提出問題，引起學生學習的興趣，激起他們的求知欲。

（二）學情分析

先讓學生對光線的折射與反射有一個系統(tǒng)性認識，明確凸面與凹面的功用，掌握分辨虛實影像的能力。關于凸透鏡的用途以及具體模型，學生并不清楚，研習可使學生能較系統(tǒng)地了解凸透鏡的法則。這樣，就可以把物理學的知識和方法聯(lián)系起來，理解其適用的規(guī)律，并與人們的實際生活產(chǎn)生一定聯(lián)系。

（三）教學目標

首先，透過這門課程，使學生認識到有關凸透鏡成像的要素及規(guī)律，同時讓學生對這門課程有一個初步的認識。其次，在虛擬實驗教學中，學生能夠親身經(jīng)歷科研過程，掌握科研實驗的基本方法。因此，在物理教學中，應充分重視對物理知識的理解，把物理知識和實際生活緊密聯(lián)系起來，激發(fā)學生的學習興趣。

（四）教學應用

對凸透鏡成像方式的研究，是一個探索性實驗。為進一步提升教學效果，學生可于課余實踐，利用NOBOOK虛擬實驗平臺，選取合適的影像資料，并于教材中自行檢視。在預習期內(nèi)，可以利用NOBOOK虛擬實驗平臺預先做實驗，學習實驗目標、原則、設備等。

（五）實驗教學

教師利用凸透鏡作為教具，引導學生觀察物體，學生觀察到物體被豎直放大，并隨著凸透鏡與目標物之間距離的調(diào)整，物體的成像發(fā)生顯著變化。特別是當兩個凸透鏡間距變化時，學生發(fā)現(xiàn)物體影像放大與縮小的反轉現(xiàn)象，進而引發(fā)對影響物體成像特性因素的思考。

為了深入探究，教師借助NOBOOK平臺展示凸透鏡實驗裝置，詳細說明了實驗中的注意事項，特別強調(diào)了凸透鏡光學中心與屏幕中心需保持在同一水平線上的重要性。同時，教師解釋了光線通過凸透鏡時發(fā)生的折射現(xiàn)象，這一折射由焦點位置決定。通過調(diào)整蠟燭與凸透鏡、屏幕之間的距離，學生能夠觀察到物體長度、焦點位置等因素與成像效果之間的復雜關系，并記錄下物距、像距等關鍵數(shù)據(jù)。

實驗過程中，學生通過改變物體間的間距，成功獲得了倒立且放大的蠟燭圖像，進一步加深了對凸透鏡成像規(guī)律的理解。實驗結束后，學生在NOBOOK平臺上調(diào)整凸透鏡的焦點進行多次重復實驗，收集了大量數(shù)據(jù)。為了便于分析，他們將目標長度與焦點距離的關系歸納為ult;f、flt;ult;2f、u=2f、ugt;2f四種情況，并總結了相應的成像規(guī)律。這些規(guī)律不僅限于實驗室，教師引導學生將所學知識應用于日常生活，如理解放大鏡、照相機等凸透鏡應用的原理。此外，NOBOOK平臺還為學生提供了課后復習、實驗設計以及探索不同課題意向的便利，通過觀看實驗錄像預習實驗流程，減少實際操作中的錯誤，降低實驗器材損耗，同時培養(yǎng)了學生的自主思考和創(chuàng)新能力。

調(diào)整物體間距離以不同方式展示圖形，不僅激發(fā)了學生的好奇心和學習興趣，還促進了小組實驗中的合作與交流。這種教學模式強調(diào)嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度、良好的實驗習慣以及動手能力的培養(yǎng)，同時鼓勵學生將實驗規(guī)律與實際生活相聯(lián)系，推動物理學科在日常生活中的應用與發(fā)展。此外，教師應注重實驗資料的歸納與整理，鼓勵學生通過反復實驗和反思，深化對物理現(xiàn)象和規(guī)律的理解。

參考文獻：

[1] 李鑫艷，司德平. NB虛擬實驗在初中物理習題課中的應用[J]. 實驗教學與儀器，2024，41（02）：100-101.

[2] 吳福壽. 借助虛擬實驗優(yōu)化初中物理教學[J]. 中學課程輔導，2023（35）：117-119.

[3] 劉曉強. 結合虛擬實驗優(yōu)化初中物理教學[J]. 中學課程輔導，2023（25）：48-50.