虛擬仿真技術(shù)在初中物理實驗教學(xué)中的運用

摘 要：教師在初中物理實驗教學(xué)中運用虛擬仿真技術(shù)，能突破時空限制，有效提升教學(xué)效果。闡述了虛擬仿真技術(shù)的概念與特點，分析了虛擬仿真技術(shù)在初中物理實驗教學(xué)中的運用優(yōu)勢，主要從新課導(dǎo)入、知識點講解、實驗演示三個方面探討了虛擬仿真技術(shù)在初中物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用策略，旨在為初中物理實驗教學(xué)提供新的教學(xué)思路與方法。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù)；初中物理；實驗教學(xué)

作者簡介：邵正雷（1985—），男，江蘇省如皋市搬經(jīng)鎮(zhèn)常青初級中學(xué)。

在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，虛擬仿真技術(shù)已成為教育領(lǐng)域的研究熱點。初中物理實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)與實踐能力的重要途徑，因此教師要積極創(chuàng)新實驗教學(xué)方法，不斷提高實驗教學(xué)效果。本研究以虛擬仿真技術(shù)為切入點，探討其在初中物理實驗教學(xué)中的運用，希望能突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)的限制，有效提升實驗教學(xué)質(zhì)量。

一、虛擬仿真技術(shù)的介紹

（一）虛擬仿真技術(shù)的概念

虛擬仿真技術(shù)是指利用計算機技術(shù)來仿真模擬現(xiàn)實世界的實踐流程、現(xiàn)象演變和過程發(fā)展，能讓人們直觀理解事物的本質(zhì)及發(fā)展規(guī)律。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸成為一個獨立的學(xué)科領(lǐng)域，是人類探索自然規(guī)律的一個重要手段。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，在車輛碰撞測試、化工和電力行業(yè)的操作實驗、教育教學(xué)等方面都有其身影。相較于傳統(tǒng)的實驗手段，虛擬仿真技術(shù)具有成本低、安全性高和靈活性高等優(yōu)勢，能夠通過調(diào)整參數(shù)，迅速模擬多種實驗場景，進而有效提升實驗研究工作的效率。虛擬仿真技術(shù)不僅在科學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)重要地位，還在教育、醫(yī)療、軍事、娛樂等多個領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，是推動科技進步的有力工具［1］。

（二）虛擬仿真技術(shù)的特點

虛擬仿真技術(shù)涉及傳感器技術(shù)、計算機圖形學(xué)及人機交互等多個領(lǐng)域的知識，具有沉浸體驗、交互性與創(chuàng)意想象三大特點。從沉浸體驗的角度來說，虛擬仿真技術(shù)能讓使用者仿佛進入一個真實的世界，并沉浸其中。從交互性的角度來說，虛擬仿真技術(shù)能讓使用者在虛擬環(huán)境中與計算機進行一系列互動，利用如語言識別、手勢識別等自然交互手段，靈活操控虛擬研究對象，完成對虛擬環(huán)境的深度探索。從創(chuàng)意想象的角度來說，虛擬仿真技術(shù)能輔助使用者在虛擬環(huán)境中完成邏輯推理與判斷預(yù)測等高級思維活動。

二、虛擬仿真技術(shù)在初中物理實驗教學(xué)中運用的優(yōu)勢

（一）能創(chuàng)設(shè)更直觀的實驗情境

在初中物理實驗教學(xué)中，教師運用虛擬仿真技術(shù)能創(chuàng)設(shè)更直觀的實驗情境，讓學(xué)生獲得更好的實驗學(xué)習(xí)體驗。根據(jù)初中生的物理學(xué)習(xí)情況及新的物理課程標準的要求，教師應(yīng)運用虛擬仿真技術(shù)，營造趣味盎然、生動活潑的學(xué)習(xí)氛圍。教師將虛擬仿真技術(shù)與物理實驗相結(jié)合，能更直觀地為學(xué)生呈現(xiàn)實驗內(nèi)容。例如，在教學(xué)與光線反射有關(guān)的小實驗時，教師可引入虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生更好地理解光線反射的特點和概念，活躍課堂氣氛，吸引學(xué)生的注意力。另外，教師在物理實驗教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，還能優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)知識的模式，改變以往“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)方式，讓學(xué)生主動探究知識，幫助學(xué)生搭建更完善的物理知識體系。目前，我國的物理實驗教學(xué)還存在脫離情境的問題，教師較少結(jié)合情境開展實驗教學(xué)。教師在物理實驗教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，能有效呈現(xiàn)物理實驗過程，讓學(xué)生在具體的物理實驗情境中學(xué)習(xí)物理知識，體會實驗原理，掌握實驗方法，培養(yǎng)實驗思維，讓學(xué)生的物理實驗學(xué)習(xí)更加高效。

（二）有助于學(xué)生鞏固實驗知識

高效的物理實驗課程能夠讓學(xué)生親身體驗實驗過程，在實踐中理解物理原理，掌握實驗的操作步驟與方法，提升實踐操作能力和創(chuàng)新能力。在這樣的物理實驗課程中，學(xué)生不再是進行機械的模仿，而是進行有序的創(chuàng)新。在傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)中，受時間與實驗器材數(shù)量不足等因素的影響，部分學(xué)生可能無法在課上理解實驗原理，而在課下，他們也沒有相應(yīng)的實踐機會，難以鞏固所學(xué)知識。而教師在物理實驗教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，不僅能夠讓學(xué)生直觀理解實驗內(nèi)容，了解自己的不足之處，還能讓學(xué)生在課后重復(fù)進行實驗?zāi)M，這樣能鞏固學(xué)生的知識基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生的多元思考能力及其對物理實驗探究的興趣［2］。

（三）可突破空間與時間限制

借助虛擬仿真技術(shù)，教師可突破實驗教學(xué)空間與時間的限制，提高物理實驗教學(xué)的效率。一方面，借助虛擬仿真技術(shù)，教師能夠帶領(lǐng)學(xué)生開展一些在平時的物理課堂中無法進行的難度較大的實驗，如探究原子的結(jié)構(gòu)、探究星體的運動軌跡等實驗；另一方面，教師在物理實驗教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)，能夠縮減實驗所需的時間，節(jié)約時間成本，提升實驗教學(xué)的效率。

三、虛擬仿真技術(shù)在初中物理實驗教學(xué)中運用的策略

（一）新課導(dǎo)入中運用虛擬仿真技術(shù)

在新課導(dǎo)入階段，教師運用虛擬仿真技術(shù)，能帶領(lǐng)學(xué)生進入一個既廣闊又迷人的物理知識世界，激發(fā)學(xué)生的知識探究興趣，加深學(xué)生對相關(guān)概念和原理的理解。例如，在家庭電路相關(guān)知識的教學(xué)中，教師便可在新課導(dǎo)入階段引入虛擬仿真技術(shù)。雖然初中生對“電”這一概念并不陌生，但他們對電的理解并不深入，讓他們直接觀察或者操作真實的家庭電路較為危險。而僅憑教師的口頭描述和引導(dǎo)，學(xué)生又容易陷入認知誤區(qū)。對此，教師可引入虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生通過虛擬實驗平臺仔細觀察家庭電路并進行相應(yīng)的操作，模擬開展各種家庭電路實驗，如分析電流過大的原因、探究漏電保護器的功能等［3］，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對相應(yīng)知識的理解。在虛擬實驗平臺中，學(xué)生能隨意調(diào)整各種實驗儀器的參數(shù)，不需要擔心儀器損壞或安全問題。比如，學(xué)生可利用虛擬實驗平臺探究電路相關(guān)知識，觀察電路接入高功率電器時保險絲熔斷的現(xiàn)象。通過這一虛擬實驗，學(xué)生能夠深入分析電路無法承受過大電流的原因。在學(xué)生探究的過程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生積極尋找保險絲熔斷問題的解決方法。有學(xué)生可能會提出更換能承受更大電流的保險絲，并重新閉合總開關(guān)。對此，教師可以讓學(xué)生自己在虛擬實驗平臺中嘗試，最終找到最佳的解決方案。

在物理實驗教學(xué)中，教師在新課導(dǎo)入階段引入虛擬仿真技術(shù)，不僅能解決教學(xué)資源匱乏的問題，還能有效避免學(xué)生在開展實驗時遇到危險，為學(xué)生營造更安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。同時，這樣的教學(xué)還能激發(fā)學(xué)生的知識探究興趣，加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解，提升學(xué)生觀察、分析和解決生活中物理問題的能力，培養(yǎng)他們的獨立思考能力。

（二）知識點講解中運用虛擬仿真技術(shù)

物理學(xué)科的知識具有較強的抽象性，對于初中生而言，理解起來具有一定的難度，因此初中物理教學(xué)的難度較大。教師合理地將虛擬仿真技術(shù)引入初中物理實驗教學(xué)，可創(chuàng)設(shè)真實且直觀的教學(xué)情境，加深學(xué)生對知識的理解。在講解物理知識，尤其是重難點知識時，教師可以借助虛擬仿真實驗創(chuàng)設(shè)直觀的教學(xué)情境，生動形象地呈現(xiàn)原本晦澀難懂的概念和原理，從而加深學(xué)生對相關(guān)知識點的理解。在模擬實驗情境中，學(xué)生能反復(fù)琢磨相關(guān)知識，觀察相關(guān)現(xiàn)象，這不僅能節(jié)約實驗材料和教學(xué)時間，減輕學(xué)生重復(fù)進行真實實驗操作的負擔，還能提高實驗效率，吸引學(xué)生的注意力，促使學(xué)生主動進行知識探究。

在初中物理實驗教學(xué)中，教師借助虛擬仿真技術(shù)能突破實驗教學(xué)難關(guān)。第一，虛擬仿真技術(shù)能準確地模擬物理實驗的過程及現(xiàn)象。對于那些在現(xiàn)實條件下學(xué)生難以直接開展或存在一定危險性的實驗，教師在教學(xué)時可借助虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生直觀感知物理實驗現(xiàn)象與實驗場景，從而深化學(xué)生對相關(guān)知識的理解，幫助學(xué)生跨越物理實驗學(xué)習(xí)的障礙。例如，在內(nèi)能相關(guān)知識的教學(xué)中，教師基本不會將汽油機帶入課堂，因此學(xué)生基本沒有機會親眼見到四沖程汽油機的工作狀態(tài)。而新的初中物理課程標準又要求學(xué)生掌握其工作原理，為此，教師在教學(xué)此知識點時便可以引入虛擬仿真技術(shù)，直觀展示其工作過程［4］。第二，虛擬仿真技術(shù)能將抽象的物理理論知識轉(zhuǎn)化為具體可感的實驗場景，提升學(xué)生的抽象思維能力。例如，在現(xiàn)實生活中，學(xué)生無法直觀感知微觀粒子的運動狀態(tài)。為此，在講解此知識點時，教師可運用虛擬仿真技術(shù)直觀呈現(xiàn)微觀粒子的運動軌跡，幫助學(xué)生建立相應(yīng)的概念模型，讓他們更好地掌握這些知識。又如，在電磁相關(guān)知識的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要掌握磁感線的方向，但磁感線在現(xiàn)實中是看不見、摸不著的。對此，教師在教學(xué)時可引入虛擬仿真技術(shù)，直觀展示磁感線的分布情況，讓學(xué)生直觀地了解磁感線的分布規(guī)律。

在初中物理實驗教學(xué)中，教師借助虛擬仿真技術(shù)，不僅能使抽象的物理知識點變得具體可感，還能直觀展示難以直接觀察到的實驗過程和現(xiàn)象，為學(xué)生營造濃厚的學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)體驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升他們的學(xué)習(xí)積極性，讓他們在享受物理學(xué)習(xí)的過程中，有效掌握重難點知識。

（三）實驗演示中運用虛擬仿真技術(shù)

中國人口較多，在基礎(chǔ)教育方面還存在一些不足，部分農(nóng)村和經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，教學(xué)設(shè)施較為落后，缺乏必要的物理實驗設(shè)備。因此，為了彌補教育資源的不足，突破教學(xué)條件不足的限制，教師在物理實驗教學(xué)中可以運用虛擬仿真技術(shù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實驗平臺功能逐漸完善，囊括了初中至高中的各類物理實驗，具有多樣的教學(xué)資源。虛擬仿真實驗平臺能為師生提供一個設(shè)計個性化實驗的平臺，允許師生根據(jù)自身的需求選擇實驗器材，設(shè)計獨特的實驗內(nèi)容，開展個性化實驗。值得一提的是，虛擬仿真技術(shù)能夠幫助師生重現(xiàn)那些在實驗室難以重復(fù)的物理過程，為教學(xué)方式的多元化提供有力的支撐。

以光學(xué)相關(guān)實驗探究為例，盡管這些實驗具有較強的吸引力，但由于教學(xué)設(shè)施和實驗器材的缺乏，部分實驗無法在課堂中順利開展。而如果不能讓學(xué)生進行實驗操作，就很難激發(fā)其物理學(xué)習(xí)興趣，無法有效提升其物理實驗學(xué)習(xí)效果。比如，光的色散實驗需要實驗者使用三棱鏡或者衍射光柵折射光線，這對環(huán)境和光源有較高的要求。對此，教師可通過虛擬仿真技術(shù)模擬演示光的色散實驗，這樣不僅能夠呈現(xiàn)完整的色散圖譜，還能讓學(xué)生清楚觀察實驗現(xiàn)象，從而點燃他們的探索熱情。在此基礎(chǔ)上，教師讓學(xué)生進行相應(yīng)的實驗操作，能有效促進學(xué)生自主探索能力和思維能力的提升。再如，“小孔成像”實驗比較適合在黑暗的環(huán)境中進行，但是教師通常只能在白天的課堂中使用蠟燭開展實驗，這會導(dǎo)致實驗現(xiàn)象不明顯。對此，教師可借助虛擬仿真技術(shù)，輕松模擬出黑暗環(huán)境，并增強蠟燭光亮，以此讓學(xué)生更清楚地看到相應(yīng)的實驗現(xiàn)象。這種生動的物理現(xiàn)象可以加深學(xué)生對小孔成像原理及結(jié)論的理解［5］。

教師將虛擬仿真技術(shù)引入物理實驗教學(xué)，不僅能夠有效突破現(xiàn)實教學(xué)條件的限制，還能優(yōu)化課堂教學(xué)模式，增強物理課堂的趣味性和互動性。

結(jié)語

本研究深入分析了虛擬仿真技術(shù)在初中物理實驗教學(xué)中的運用優(yōu)勢與運用策略，旨在為一線教師提供有益的教學(xué)參考，幫助一線教師構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+教育”課堂，促進信息技術(shù)與物理學(xué)科實驗教學(xué)的深度融合。在初中物理實驗教學(xué)中，教師通過運用虛擬仿真技術(shù)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與探究欲望，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新精神，促進學(xué)生的全面發(fā)展。

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