利用NB虚拟实验助推物理实验教学

马琦

摘要：实验教学是物理教学的重要组成部分，将NOBOOK虚拟实验（简称NB虚拟实验）教学纳入到中学物理实验教学系统中，与传统实验教学相互作用，将会对整体物理实验教学体系的运行和结果产生新的影响。

关键词：NB虚拟实验教学；传统实验教学；物理实验教学系统

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2018.08.002

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1671—1580（2018）08—0005—04

一、NB虚拟实验在物理实验教学中的功能与作用

（一）理想性

所谓理想性是指排除外界环境的任何干扰因素和限定条件将事物及其状态纯净化和自由化。理想化在现实世界中很难实现，但在科学上可以用理想化的方法来解决问题。在物理实验教学中，用NB虚拟实验对“理想实验”进行形象化处理和对“经典实验”进行理想化处理，为物理实验教学带来了很多好处。

理想实验是在不使用任何器材、设备的情况下，在思维中进行的实验，是把客观的实验条件和研究对象加以纯化，塑造出来的理想化过程的“实验”，是物理学理论研究的一种科学思维方法。理想实验的本质是逻辑推理，对物理学的发展、新理论的建立、对已有理论的补充和完善都起到了积极的推动作用。作为中学物理实验教学体系中的重要组成部分，应用理想实验课使学生了解和学习理想实验法，帮助学生建立“理想模型”，体会研究过程并理解物理概念、定理和定律。

NB虚拟实验由于能够突破客观因素所带来的限制、支持任意实验场景的搭建和物理模型的建立而改变了物理实验教学的现状。NB虚拟实验展现了教材中理想实验的逻辑过程，化静为动、变抽象为具体，使看不见摸不到的实验现象可视化、数据化，在理想实验所谓“操作”的思维过程中，学生可以自由调节空气阻力、重力加速度等实验环境，身临其境感悟物理概念、定理和定律的形成过程，尝试和检验探索物理问题的各种思维方法和实验手段、带着看到和听到的实验信息进入到物理知识的学习中去。随着虚拟实验技术的推广运用，实验教学中的感性知识和理性知识的割裂，直接经验与间接经验脱节等情况都将得到进一步解决。

NB虚拟实验理想性的优点除了形象展示“理想实验”之外，还体现在对“经典实验”的理想化处理上。物理许多重要的概念、定理和定律都是建立在“经典实验”基础上的，但是我们在物理教学中再现这些实验时，实验条件，气候和地点等因素，都可能影响到实验的效果，在自然条件下所产生的偏差或失败的实验可能就会对学生理解造成困难，而教师对出现偏差或失败原因的解释往往也是苍白无力的。NB虚拟实验就可以通过采取理想化处理的手段使被观察对象“完美出现”，给了学生反复进行观察研究的机会。这种理想化处理可不只是高效，还能让学生在对虚拟和真实的对比中，意识到必然性和偶然性、确定性和非确定性之间的关系，体会一些物理定律不过是针对偶然进行大量统计的平均结果，所期望的物理学思想就在如此的辩证关系中孕育而生。

（二）灵活性

灵活多变是NB虚拟实验的另一个重要属性，而传统物理实验由于受课程计划和实物条件的制约，难以发挥灵活的功能和作用。利用NB虚拟实验的灵活性进行辅助教学，可以优化课堂实验演示效果，使单调繁琐的实验课变得更加简捷高效，更能彰显物理学科的特点，提高课堂教学的质量和效率。

NB虚拟实验可以使每个实验器材“活”起来，让其自由摆放，任意組装、灵活变更，可以将实验过程化整为零进行分解或让实验停留在某一实验步骤上进行反复“操作”，强化某些隐性的实验现象以便于对那些在真实操作中容易被忽视或不易观察到的实验现象进行直观立体的观察。NB虚拟实验还可以任意调节参数、设计各种相互影响的因素并进行叠加运算。如果在传统的通过物化过程进行的物理实验中做这些灵活性实验，不仅意味着物理实验器材和实验教学时间的高成本消耗，同时还削弱了可操作性物理实验真实反映客观现实世界物质运行规律的功能与作用。

独具灵活性的NB虚拟实验教学，其教育意义在于打破现有客观条件的限定，使教育内容，教学的手段和方法现代化，为学生学习物理提供极富动态感的实验操作平台。灵活的虚拟实验增强了实验的乐趣，将学生置于一种快乐的学习情绪之中，为他们在教学活动中充分发挥智能潜力提供最佳的情绪“学习场”，同时不受物理空间、时间的限制，随时随地进行实验探究、自由探究和按需学习。在探究、趣味、多样和科学等多维度融合的实验教学中，建立起“尝试一思考一调整一再尝试”的实验教学模式，然后通过模式的运用启迪学生的思维。

（三）仿真性

仿真模拟各种真实环境中的具体物理实验过程、实验操作、实验现象、与之相对应的实验数据、可能出现的实验误差甚至仿真模拟真实环境中实验事故，并将这些仿真模拟重复呈现给学生。完整再现真实物化实验是NB虚拟实验所拥有的又一个特殊功能。对学生而言，NB虚拟实验的仿真重复功能意义重大，它为物理课堂的有效教学、学生自主学习和深度学习提供了另一种方式的资源保障。

首先，物理定律一般都是经过大量严格的实验验证的物理学规律，学生要真正领悟物理概念、定理和定律，就需要反复多次观察实验。如果学生脱离或缺少这些实证环境和实证基础，在空中楼阁中建立起来的概念、定理和定律就成为完全没有说服力、与现实世界割裂的无意义知识。利用NB虚拟实验的仿真实验就可以摆脱目前课堂教学的某些困境来满足反复强化学生的教学需求，学生进入NB虚拟实验室的仿真实验系统后，在逼真的“实验空间”学生可以反复操作、反复观察和多次采集数据，再经过相应实验信息的加工处理，最终建立概念、发现规律、初步形成理论。这种学习方式的意义不仅仅在于弥补实际教学的不足，关键在于它强调了学习过程，在清晰可见的实验过程中，学生们依靠实验工具、自主参与发现问题、探究问题和解决问题过程，领悟物理方法的选择和使用过程，从中获得过程体验和情感体验并产生成就感。

其次，NB虚拟实验中的仿真实验，不仅实验现象“真实”，还遵循实验事实，可直接在电脑上在线模拟操作，教学内容的呈现直观、形象、高效。学生在真实的实验中不被注意到的种种失误和问题，在仿真实验操作中都会被发现并逐步得到改善，反复的仿真操作会让学生知道什么样的操作是规范的，怎样采集数据才能精准无误，哪些物理方法和手段更加有利于解决实际问题等等。反过来，来自于虚拟仿真实验的技能训练又作用于现实物理教学之中，当学生把从虚拟仿真实验中学到的技能和方法运用到实际的学习实践活动中时，就会去关注怎样优选器材和如何优化操作，还会发现真正意义的动手操作和仿真实验中的“动手”操作是有差别的，注意到这一点之后，学生就要在学习中考虑如何消除这种差别并想办法进行无障碍转化，这无疑对开发学生的学习潜能是有帮助的。

最后，NB虚拟实验的仿真性还可以避免学生与现实世界的脱节，在NB虚拟仿真实验中，也会有真实实验中所生成的各种误差，真实实验中可能出现的各种实验故障，这有利于学生以一个研究者的姿态去面对现实问题，然后试着在虚拟仿真实验中找出设计的缺欠、事故的成因，去思考解决问题的办法，获得一定的经验之后再应用到现实的学习中去。NB虚拟实验的仿真功能对于培养学生诚实地面对现实世界、严谨的科学态度和正确的科学价值观都是有帮助的。

（四）创新性

NB虚拟实验室和实验教学软件的开发和利用，为物理实验教学注入了新环境、新形式和新资源。NB虚拟实验自身所拥有的新技术突破了许多现实物理教学中无力解决的难题，给物理实验教学带来了活力和创新力。

其一，在NB虚拟实验室里，理想实验被设计成“具体的实验步骤”，学生要完成这些“具体操作”，就必须要先调出原有知识并重新组织知识，还要运用逻辑推理，创造性地使用物理方法。而在传统实验教学中，仅凭阅读教材或教师语言讲解就不会有这样的机会和过程去有效发展学生的思维。

其二，对于微观世界中物理现象的理解需要学生发挥想象力。在传统实验教学中，教师枯燥无味的讲解、空洞的抽象和感应材料不足对激发学生的想象力都是不利因素。但是NB虚拟实验借助于它的高新信息技术，将微观世界中物质的结构、性质和高能条件下，这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律形象地揭示了出来。在NB虚拟实验室里，当学生突破时空从宏观进入微观世界时，会在短时间内调动多种感官参与活动，从而形成感性认识，为进一步形成概念，上升为理论奠定基础。

其三，在现实的物理教学中，学生储存的知识容量和结构以及对知识的需要各不相同，面对学习对象和实验题目学生有自己的一套办法，也会产生不一样的想法，同时还很好奇自己的办法是否奏效、想法是否合理。但是在统一的实验课程和有限的实验教学设备和时间面前，这些想法都没有机会进行尝试。而虚拟实验解决了实验器材缺失、设备陈旧等问题，学生可以发挥想象，自由创建组装新实验、大胆尝试新想法，检验解决问题的新途径。NB虚拟实验让学生经历的同时又满足了学生的好奇心，为培养学生创新性思维提供了可能。

二、传统物理实验教学的利与弊

研究NB虚拟实验教学在物理实验教学系统中的功能和作用，并不意味着可以忽略或替代传统实验教学在物理实验教学系统中的功能和作用。虚拟实验教学和传统实验教学作为物理实验教学系统的两个构成要素，各自发挥着不同的功能和作用，二者缺一不可。

（一）认识现实世界的窗口

在中學物理实验教学体系中，通过传统实验的教学，使学生从物理学的视角认识现实世界，用物理学的思想去理解物质的结构和运动规律，所以传统物理实验成为连接学生个体和现实世界的纽带。作为学生认识客观世界的窗口，传统物理实验呈现给学生的是真实性的一面和局限性的一面。

传统物理实验教学就是把学生完全置身于真实的世界当中，并以此为切入点去观察他们所生存的现实世界，了解物质世界的运行方式，寻找事物的本质从而发现存在于客观世界中的规律。传统物理实验教学中有限的演示实验和分组实验，往往含有更多偶然性的成分在其中，物理学中的很多概念、定理和定律，就是通过对这些偶然实验的大量累积，对研究对象反复观察，对研究过程不断抽象概括形成的。其意义在于为学生提供理解现实世界的行进人口和操作方法。

局限性是指传统物理实验教学所涉及到的实验范围和空间尺度只能限定在现实物质世界的数量级层次之内，诸多的客观因素和不确定条件限制之下。在这个前提下，有些实验会产生意料之外的实验误差，有的实验甚至不能成功。如摩擦起电，若当天空气湿度大，空气中尘埃比较多可能造成实验失败，造成实验与所得结论出入较大。有些实验在实验教学中根本不能操作，如汽车拐弯时摩擦力的方向、火车拐弯时所需的向心力、电流的形成、电子的跃迁等。有些实验客观条件可能造成实验失败，有一些实验耗时长，教学实验时间不够，造成得不到演示实验的效果。有些实验由于仪器尺寸不够大、演示现象瞬间完成、变化量很微弱等原因，达不到实验教学预期的效果。而恰恰正是这些实验告诉了学生客观世界的不完美，更具有鲜明的现实感。其意义在于为学生提供问题，迫使学生去寻找解决现实问题的新途径。

（二）亲历探究过程的平台

美国国家研究理事会在其《国家科学教育标准》中提出：学习科学是一种能动的过程，是要学生亲自动手做而不是要别人做给他们看到事情。在这个过程中，学生们需要描述物体和作用的过程，提出问题，获取知识，对自然现象作出解释，以多种不同的方式对所作解释进行检验，最后把自己的看法传递给别人。

NB虚拟实验教学为学生理解“物理概念、定理和定律是怎么形成的？”提供了另一条渠道。在NB虚拟实验室，学生的学习行为更多的是“看”和“模仿”，具有较多的“动脑”体验。而在传统物理实验教学中，重心环节是学生亲自“动手”的探究实践活动，是不能由别人代劳的、具有清晰步骤的、实实在在的探究过程。

传统实验教学中，教师为学生们准备的实验大多数是依据物理课程来制定的，利用教材提供的相关材料，按照一定方法和步骤一步步完成操作并得出实验结论。虽然这些探究过程是按照教材要求按部就班进行的实验活动，但却是学生一定要经历的基本科学研究过程，也是必不可少的实验技能和实验知识的原始积累过程，通过这些必须要掌握的经典实验，让学生体验探究学习方式、感受物理实验之魅力。与NB虚拟实验教学相比，传统实验教学中的探究学习方式要求教学时间长、仪器设备成本高和实验效率低等问题，学生的物理探究设计、步骤和结论也可能不尽如人意，但是却更加贴近生活，符合学生的认知特点和知识水平。

传统实验教学中的某些过于固定、单一的实验方式，确实造成了学生们对实验的兴趣大大降低的局面。还有一些传统的验证性实验其仪器集成度过高，学生动手做实验的步骤被忽略，学生只需要按几个按钮，观察一下结果就可以完成，没有给学生提供探究“为什么会出现如此的实验现象和结论”的实验过程，致使学生不能深刻理解实验原理和实验方法，这大大削弱了传统实验教学的亲自“动手”和“探究”功能。

三、传统实验教学与NB虚拟实验的有机结合

传统教学方法和NB虚拟实验教学都有其自身的优势和价值，在进行物理实验教学中，如果合理运用交替使用使其优势互补，将现代化的教学手段与传统教学有效结合，将更加有利于课堂教学，提高教学质量和教学效果。尽管NB虚拟实验有许多优势，也只能作为一种辅助手段，一种能帮助学生更好地理解学习内容的方式，其价值在于它能帮助师生进行整体实验设计和优化，不足之处则是始终无法反映按照该实验体系进行实验时的真实情况。

利用技术促进教学，既是一个古老的话语，又是一个富有前景的课题。要想创新性地利用NB虚拟实验技术去助推物理实验教学，让技术与教材无缝对接而发挥潜力，不仅要了解虚拟实验技术的本质、作用和局限性，还要不断进行实践以便积累经验。

NB虚拟实验的操作过程是设定在特定条件下的思维中进行的，是在传统的真实实验基础上的延伸，对现实中无法完成的实验，通过虚拟的方式呈现给学生，以帮助学生理解物理知识。

NB虚拟实验蕴含着与“实际实验”对应的诸多物理规律，有的规律运用数学方法推导不仅繁杂且无必要，理想实验则可解决这些问题。通过两者的结合，不仅学生对物理规律有了更深理解，而且使理解的过程提升为进行创造的过程，变理解为创造。

总之，物理教学离不开实验教学的启发和帮助，NB虚拟实验教学是在现代化信息技术蓬勃发展的大环境下发展起来的一种新型的教学模式，能解决一些传统实验教学中无法解决的教学问题。笔者认为：合理利用NB虚拟实验将会优化整体物理实验教学，有利于物理实验教学效率和教学质量的提升，但是不能追求“为用而用”，应根据实验类型、功能和特点找准切入点，把握“适时”和“适度”。如何把NB虚拟实验教学与传统教学完美结合，虚拟与实践相结合的教学形式具有一定的优势，对学生而言也是一种值得探讨的新型学习方式；如何运用系统方法和系统思想，考察并設计物理实验教学系统的运行方式、具体步骤和环节，达到有机结合将是未来教育技术研究的一个重要课题。

[责任编辑：黄可心]