虛擬實驗在電學實驗中的應用

摘 要：文章以電學實驗為研究切入點，分析現(xiàn)階段電學實驗教學現(xiàn)狀，結合虛擬實驗內涵，圍繞虛擬技術在電學實驗中的具體應用展開探究，旨在促進電學實驗教學模式的革新，不斷提升電學實驗教學有效性.

關鍵詞：物理實驗；電學；核心素養(yǎng)；虛擬技術

中圖分類號：G632

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0333（2024）33-0092-03

收稿日期：2024-08-25

作者簡介：張會霞（1979.2—），女，甘肅省徽縣人，本科，高級教師，從事高中物理教學研究.

基金項目：甘肅省隴南市教育科學研究2023年度一般課題“應用虛擬實驗對中考物理實驗操作能力提升的探究”（課題立項號：LN[2023]308）.

在中學物理實驗教學中，電學實驗是重難點，由于電流本身看不見、摸不著，只能借助小燈泡、電表等儀器顯示出來.另外，電存在一定的危險性，多數教師不得不利用“講”實驗的方式開展實驗教學，致使電學實驗教學效果低下，阻礙了物理學科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展^[1].面對這一現(xiàn)狀，教師可充分依托互聯(lián)網信息技術平臺，借助虛擬技術開展實驗教學，使學生在虛擬技術的輔助下，高效地完成實驗學習.

1 虛擬實驗在電學實驗中應用優(yōu)勢

1.1 虛擬實驗內涵

虛擬實驗是在信息技術、虛擬技術、人工智能技術建立的教學環(huán)境中展開的實驗教學活動.在虛擬實驗中，師生可在鍵盤、鼠標、VR眼鏡的輔助下進行實驗操作，并由此獲得實驗結果.和傳統(tǒng)的實驗相比，虛擬實驗的效果和安全性都具備顯著的優(yōu)勢，并呈現(xiàn)出四個顯著的特點：（1）臨場性.和現(xiàn)實實驗相比，學生在虛擬實驗中所獲得體驗與其相一致.同時，在虛擬實驗中，實驗場景、實驗操作、實驗現(xiàn)象更加逼真，可激發(fā)學生的參與積極性.（2）開放性.和常規(guī)實驗相比，虛擬實驗不受時間、地點、材料等限制，給學生提供了更大的自主權，且學生還可以結合自己的需求反復操作，從整體上提升了學生的實驗學習效果.（3）形象性.在虛擬實驗平臺中，教師可利用信息技術開發(fā)出更全的實驗器材、實驗材料，以更好地滿足不同類型、不同等級物理實驗需求，使得學生在實驗探究中，收獲到學習的快樂.（4）安全性.部分物理實驗常常具備一定的危險性，尤其是用到水銀、電、火的實驗中，學生稍有不慎就有可能受傷.而在虛擬平臺上，則可將學生受傷的概率降低為零，最大限度保障學生的安全.

1.2 虛擬實驗在電學實驗中應用優(yōu)勢

鑒于此，基于虛擬實驗的特點，將其和電學實驗教學整合到一起，已成為教師的首選.具體來說，虛擬實驗在電學實驗中的應用優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下三個方面：

首先，有助于增強學生的學習效果.就電學實驗來說，存在大量看不見、摸不著的抽象概念，如電子的移動、電流的流向等.同時，在探究電流和電路的實驗中，一旦出現(xiàn)短路現(xiàn)象，就會產生一定的危險.面對這一現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的實驗教學模式，基本上都是通過口頭講解的模式進行教學，致使實驗學習效果不佳.鑒于此，在虛擬實驗條件下，可依托視頻等方式，將抽象的實驗內容可視化，將危險的實驗內容安全呈現(xiàn)出來，以此，真正提升實驗學習效果^[2].

其次，有助于增強學生的學習興趣.傳統(tǒng)的電學實驗教學中，呈現(xiàn)出極強的師本性，基本上都是遵循“傳遞-接受”式的模式開展教學.在這種實驗教學模式下，雖然發(fā)揮了教師助力學生形成系統(tǒng)化的知識體系的作用，但對于學生來說，不利于其動手操作能力和高階思維的培養(yǎng)，也難以激發(fā)學生的實驗學習興趣.鑒于此，在虛擬實驗技術下，可將物理電學實驗有序、形象化地呈現(xiàn)出來，并將其真切地反應到學生的腦海中.如此一來，可最大限度激發(fā)學生的電學實驗學習興趣.

最后，有助于節(jié)約實驗教學資源.電學實驗教學中，對實驗資源提出了更高的要求.但是在虛擬實驗條件下，學生只需要通過一臺電腦即可完成.同時，在虛擬實驗平臺上，學生可結合自己的需求，隨時隨地進行，對學生來說更加方便.因此，從這兩個角度上來說，虛擬實驗平臺可以有效節(jié)省了學校的教育資源^[3].

2 虛擬實驗在電學實驗中的具體應用

2.1 利用虛擬技術優(yōu)化演示實驗

在物理電學實驗教學中，演示實驗是實驗教學的重要的組成.在實際演示實驗中，常常面臨著可視度低，或者演示實驗效果不明顯等現(xiàn)象.此外，在演示實驗中，還會受到實驗時間、實驗儀器以及座位距離等因素的影響，導致學生在實驗學習中面臨著不易觀察到實驗結果等問題，很大程度上制約了學生電學實驗學習效果.面對這一現(xiàn)象，教師在優(yōu)化演示實驗教學時，可利用虛擬實驗的方式，借助視頻形式，將提前錄制好的實驗直觀地呈現(xiàn)在學生面前.同時，在虛擬實驗中，教師還可通過慢放、將細節(jié)放大等方式，讓學生更好地進行觀察，進而提升學生的實驗學習效果.例如，在“伏安法測未知電阻”的物理實驗中，在常規(guī)的演示實驗教學模式下，學生在觀察中常?？床磺寤瑒幼冏杵魇侨绾芜B接的，當接入電路之后，學生也無法看清表盤的轉動、讀數等.在這種情況下，學生很難積極參與到實驗學習中，以致演示實驗教學效果大打折扣.針對這一現(xiàn)狀，教師可利用虛擬實驗的方式，將整個實驗過程投影到多媒體屏幕上，使學生在直觀的觀察中，清晰感知實驗操作的各個步驟，了解實驗細節(jié)以及注意事項等.同時，在虛擬實驗的幫助下，學生還可以跟著教師的操作進行思考、質疑，真正提升了學生的實驗學習效果^[4].

2.2 基于虛擬技術創(chuàng)新實驗過程

在中學物理實驗教學中，實驗現(xiàn)象是能夠被學生所觀察到的，但是物理實驗現(xiàn)象背后蘊含的物理知識、物理規(guī)律卻比較抽象，致使學生在理解上面臨較大難度，尤其是電學實驗，部分實驗現(xiàn)象難以觀察到.在這種情況下，學生在對物理電學實驗背后蘊含知識進行探究時，基本上都是根據教材中的文字展開想象，極大地增加了學生的學習難度，降低了學生的電學實驗學習效果.針對這一現(xiàn)狀，教師可采用虛擬實驗的模式，依托錄像、動畫模擬等方式，使原本抽象的實驗環(huán)節(jié)更加直觀、形象，幫助學生搭建起實驗認知的橋梁.例如，在“電容器充放電”實驗教學中，受實驗條件的限制，教師無法使用電流傳感器將充放電的狀態(tài)呈現(xiàn)在學生面前.如此，學生只有通過課本上的示意圖對這一過程進行理解，致使學生在理解中存在較大的難度.鑒于此，教師在優(yōu)化電學實驗教學時，可借助虛擬仿真平臺，依托動態(tài)化的方式，將電容器在充放電兩種狀態(tài)下的電子流動過程直觀地呈現(xiàn)在學生面前，使學生在直觀、形象的感知下，對其背后蘊含的知識形成了深刻的理解，真正提升了學生電學實驗學習效果.

2.3 基于虛擬技術強化實驗探究

新課程背景下，培養(yǎng)學生的實驗探究能力，已經成為當前實驗教學的重中之重.但是在電學實驗教學中，常常受實驗器材、實驗場地的限制，給學生實際動手操作的機會非常少.在這種情況下，學生的實驗探究能力更是無從談起.鑒于此，教師在優(yōu)化實驗教學時，可采用虛擬實驗的模式，讓學生在虛擬場景中，獨立設計電學實驗方案，改變實驗參數等，在實驗探究中促進其實驗探究能力的發(fā)展.例如，在“探究電流與電壓和電阻的關系”實驗教學中，為了培養(yǎng)學生的實驗探究能力，教師借助了NOBOOK這一虛擬實驗平臺，指導學生通過控制變量的方法展開探究，即電阻一定時，對電流和電壓的關系進行探究；電壓一定時，對電流和電阻的關系進行探究.之后，學生在虛擬平臺上，結合控制變量研究方法，獨立設計實驗方案，并通過改變電源電壓參數、調節(jié)滑動變阻器等方式，最終完成實驗探究學習.可以說，在虛擬實驗平臺的輔助下，學生在實驗探究活動中，逐漸實現(xiàn)了科學探究素養(yǎng)的提升.

2.4 利用虛擬技術分析實驗結果

在電學實驗教學活動中，教師不僅要帶領學生對物理實驗過程展開探究，還應指導學生對實驗結果展開分析.即對實驗數據進行處理，并透過實驗數據理解各個物理量之間的關系，最終促使學生對物理知識、物理規(guī)律形成全面深刻的理解.鑒于此，教師在優(yōu)化電學實驗教學時，可充分借助虛擬實驗這一方式，依托數據處理軟件，對實驗數據進行精確的計算、分析等.如此，學生在規(guī)范化的實驗數據處理中，對物理量關系形成了深刻的認知，進而加深了對物理知識、物理規(guī)律和物理概念的深度理解，真正達到了物理實驗探究的效果^[5].

3 虛擬實驗在電學實驗中注意事項

鑒于虛擬實驗的特點，將其應用到電學實驗教學中，已經成為一種必然趨勢.但是教師在設計虛擬電學實驗時，應注意以下幾個問題：

第一，能實不虛.教師在開展虛擬電學實驗教學時，必須明確如果能夠進行真實的實驗，就不需要采用虛擬電學實驗.這主要是因為在真實的實驗活動中，更能獲得理想的學習效果.唯有在缺乏實驗儀器、實驗危險性大、實驗需要理想條件等特殊情況時，才可借助虛擬實驗的教學模式；反之，針對一些簡單易操作、實驗成本低、實驗直觀性比較好、不存在危險性的電學實驗來說，最好采用真實實驗的模式，讓學生在親身操作的過程中，形成科學的態(tài)度和精神.

第二，虛實相結合.在物理電學實驗教學中，針對效果不夠明顯、實驗條件苛刻、具備危險性等電學實驗，教師在組織實驗教學時，可采用虛實相結合的原則，將虛擬實驗和實際實驗結合起來，先借助真實的實驗儀器為學生創(chuàng)設情境，并借助虛擬實驗的方式突破實驗的難點，最終引領學生在真實實驗數據的分析中，完成電學實驗的高效學習.

第三，學生主體性.在物理電學實驗教學中，教師在開展虛擬實驗時，必須轉變傳統(tǒng)“講授-接受”式的教學模式，基于學生最近發(fā)展區(qū)，精心選擇實驗內容、安排實驗教學活動，使學生積極主動參與到虛擬實驗中.另外，為了保障虛擬電學實驗效果，教師在完成虛擬實驗教學后，還應組織學生展開交流與討論，指導學生結合虛擬實驗中的問題展開反思與總結.

4 結束語

綜上所述，教育信息化背景下，基于虛擬技術優(yōu)化物理電學實驗教學，已經成為當前物理實驗教學的重中之重.經課堂教學實踐證明，促進虛擬技術和電學實驗的有效整合，彌補了傳統(tǒng)電學實驗教學中的弊端，并激發(fā)了學生的實驗興趣，提升了學生的實驗學習效果.因此，物理教師應立足虛擬實驗的內涵，遵循一定的原則，將其科學合理地應用到電學演示實驗、實驗探究、實驗過程、實驗結果分析中，讓學生在虛擬實驗中完成電學實驗的高效學習，并從中獲得核心素養(yǎng)的提升與發(fā)展.

參考文獻：

[1] 楊冠卿，駱玉香. NOBOOK虛擬實驗助力物理實驗教學：以“電學實驗”為例[J].中學物理，2023，41（10）：61-65.

[2] 王豆.NOBOOK虛擬實驗在高中物理探究性實驗教學中的應用[D].重慶：西南大學，2022.

[3] 齊浩，班偉，鎖拾廣.虛擬實驗輔助初中物理實驗教學的研究[J].智力，2022（01）：115-117.

[4] 萬琴. NOBOOK虛擬實驗室輔助下的高中物理實驗教學的實踐研究[D].南昌：江西師范大學，2023.

[5] 沈亞南.虛擬仿真實驗輔助高中物理電學教學研究[D].重慶：西南大學，2023.

[責任編輯：李 璟]