虚拟实验室在中学物理教学中的应用

严炜 杨晓梅

摘   要：随着时代的进步，信息技术为教学提供了巨大的便利。近几年来虚拟现实技术不断发展，以虚拟现实技术为支撑的物理虚拟实验室为物理教学提供了一种新的教学途径。文章将NOBOOK虚拟实验室中的物理实验进行了分类，并展示了虚拟实验在物理教学中的应用。

关键词：虚拟实验室;物理教学;信息技术

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）7-0070-3

1    引  言

2017年教育部新颁布的普通高中物理课程标准修订的基本理念中提出要注重课程的时代性，关注科技进步和社会发展需求，高中物理课程在内容上更加注重与生产、生活、现代社会及科技发展的联系[1]。

虚拟演示实验，就是利用当今各种信息技术手段来模拟和再现现实生活当中的各种真实实验仪器、实验过程和实验现象[2]。虚拟实验室可以高度模拟仿真实验室的仪器及实验效果。虚拟实验室在教学中的使用与教育部所提出的新课标要求高度契合。本文将NOBOOK中的物理实验按知识进行了分类，并展示了虚拟实验在物理教学中的应用。

2    虚拟实验平台介绍

2.1    NOBOOK虚拟实验室

NOBOOK（简称NB）虚拟实验室是由北京乐步教育科技有限公司研制的一款教学软件。其中包含物理实验、化学实验、生物实验、小学科学、小科教学平台、物理教学平台、物理学生端、化学学生端8款针对不同课程、不同人群使用的软件。NB物理虚拟实验室涵盖了8大实验模块，包括电与磁、力学、光学、声学、热学、近代物理、家庭电路和力与运动，共计383个实验，同时涵盖了初高中实验，学生可自主选择实验仪器完成实验。

主界面如图1所示。NB物理虚拟实验室已有的实验个数统计如表1所示。

3    NB物理虚拟实验室与物理教学

3.1    虚拟实验室在新课教学中的演示作用

新课教学作为整个教学环节最重要的一部分，如何提高教学效率，如何提高学生的学习兴趣和课堂参与度是所有教师一直在不断思考的问题。物理作为一门以实验为基础的学科，精心的实验设计不仅能提高学生的学习兴趣和课堂参与度，还能培养学生的实验操作能力。

3.1.1    创设物理教学情境，提高学生学习效率

教师在课堂上通过在虚拟实验平台演示实验，引入课题，活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣。通过在课堂中使用NB物理虚拟实验室， 为学生创造教学情境，增强学生的课堂代入感，这与长期以来教师教授、学生听讲、缺乏情境式体验的教学模式形成了鲜明的对比。

例如，在演示摩擦起电的实验中，通过NB虚拟实验平台演示这个模拟实验，学生能清楚地观察到物体的带电情况和电荷的转移情况（如图2）。相较于传统教学模式，学生只通过教师的口述来了解电荷在金属棒中的移动，这种学生只有“耳到、口到”的听讲模式，线上虚拟实验室这种“眼到、耳到、口到、手到”的教学模式更能提高学生的学习兴趣和课堂参与度，同时在整个教学过程中教学氛围轻松愉快，学生感兴趣，学习效率高。

3.1.2    提高实验的可观测性，增加实验的灵活性

虚拟实验相较于传统的演示实验，省去了许多不必要的实验步骤，使得实验操作简单、便捷。首先，相比于传统实验平面展示，实验结果明显，通过白板展示，更有利于学生观察;其次，实验过程中的误差明显减小，提高了实验的可信度;最后，虚拟实验基本避免了实验中的安全隐患，实验操作更加安全。

通过虚拟实验室模拟磁铁周围小磁针的指向（如图3右所示）与传统实验（如图3左所示）对比，由于磁感线是假想线，并不能被观察到，在观察实驗现象时传统实验只能观察到不同位置小磁针指向不同，通过虚拟实验模拟磁铁的磁感线，我们可以清楚地观察到不同位置小磁针的指向不同，且小磁针指向与磁铁的磁感线相同。

同时，相比于传统实验只能在课堂中进行，课堂结束后学生很少能再独立动手完成实验，虚拟实验则为这个问题提供了解决方案。虚拟实验平台可在课堂内外使用，不受时间、地点的限制，学生可以通过手机、平板等工具随时进行实验。此外，学生摆脱了传统实验的束缚，可以大胆尝试自己的想法。在虚拟实验平台上，学生可以任意选择实验仪器，完成自己想做的实验，不受实验环境的限制。在学生完成实验的过程中，学生的创新思维、主动性得到充分发挥。

3.1.3    提高课堂的交互性和积极性

线上虚拟实验室在教学中的使用，能提高教学课堂的交互性，通过虚拟实验平台，教师与学生在课堂中的互动增多，有利于提高学生的课堂积极性。

3.2    虚拟实验室在复习教学中的引导作用

在教师进行复习课教学的过程中，教学内容往往枯燥无味，对于一些经典例题的讲解，尤其是牵涉到物体运动的内容，教师往往是通过口述让学生在头脑中自主构建一个运动模型，然后在黑板上画出静态模型。在这样的教学方式下就会存在部分空间想象力较差的学生不能很好地理解老师的讲解内容，从而降低教学效果。通过使用物理虚拟实验室，在平台中新建力与运动模块的实验，选择场景，调节参数，有效地模拟物体的运动情况，为学生呈现一种动态的视觉效果，有利于学生对问题的理解，在学生建构物理模型中起到一个引导作用。

例如，在讲解带电小球在电场或磁场中运动的物理问题中，虚拟物理实验室通过模拟带电小球在磁场和电场中的动态运动过程，使同学们能清晰地观察到小球的整个运动轨迹，帮助学生构建物理动态模型，从而理解问题、解决问题。相较于传统的教学实验下的教学显得更加生动有趣，过程更加清楚明了。

图4为不计质量的带电荷量的小球，在磁场或电场中的运动轨迹。

4    虚拟实验室的弊端

综上所述，虚拟实验室相较于传统实验而言，有较多的优点，如操作简单、实验现象明显、避免安全隐患等，但虚拟实验也存在真实性不强、操作性不强等缺点。虚拟实验是模拟实验，不能代替真实实验。虚拟实验在简化实验步骤、保证实验的可观测性的同时，也在某种程度上削弱了学生的动手能力。虚拟实验是一个高度理想化的实验，虚拟实验平台上不会存在现实实验过程中实验器具的问题，不利于学生认识真实情境下的实验，不利于在真实实验中发现实验中的问题。因此，在实际教学中，需要教师结合实验的具体要求，精心设计实验，以实现最大化的教学效果。

5    结  语

随着科技的进一步发展，虚拟实验平台还将进一步发展，虚拟实验与教学的结合也是信息技术与课程整合的一个新的突破。如何在教学中使用虚拟实验提升教学效果，如何协调虚拟实验与现实实验，使虚拟平台更好地为教育服务是每一位教育工作者在未来都必须思考的问题。作为未来的教育工作者的一员，我们在利用好这一教育资源的同时，应结合教学实际，实现物理教学的最优化。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]刘筱兰，张薇，程惠华，王本立.虚拟实验室的类型及发展趋势[J].计算机应用研究，2004（11）：8-10.

（栏目编辑    张正严）