浅谈虚拟实验在中学物理教学中的应用

赵京波

摘   要：随着信息技术和科学技术的迅猛发展，我国的教育事业也进入了信息化时代，教学手段日新月异。以虚拟现实技术为支撑的物理虚拟实验的推广应用，不仅为中学物理教学提供了一种新的教学途径，也为学生自主性、创造性地学习物理，提高实验操作技能提供了一种有效的学习平台。在中学物理实验教学过程中适时适当地运用虚拟实验，可以更好地提高实验教学的效果。在学生课后的自主学习过程中，让学生独立自主地运用虚拟实验进行实验探究，不仅可以提高学生的实验操作技能，而且还有助于培养学生的创新思维能力。

关键词：中学物理;虚拟实验;物理实验教学;创新思维

中图分类号：G633.7  文献标识码：A   文章编号：1009-010X（2021）20/23-0098-03

虚拟实验就是利用各种信息技术手段来模拟和再现现实生活中的各种真实的实验仪器、实验过程和实验现象。它可以高度模拟、仿真实验室的仪器，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，且所取得的实验效果等价于甚至优于真实环境中所取得的效果。在中学物理实验教学过程中适时适当地运用虚拟实验，可以更好地提高实验教学的效果。在学生课后的自主学习过程中，让学生独立自主地运用虚拟实验进行实验探究，不仅可以提高学生的实验操作技能，而且还有助于培养学生的创新思维能力。因此，笔者申请了邢台市教育科学“十三五”规划第三次立项课题“‘互联网+思维下中学理化课堂教学创新研究”（2001107），以深入探究虚拟实验在中学物理中的应用，进而可达到提高教学质量的目的。

虚拟实验在中学物理教学中的具体应用有以下几个方面。

一、巧用虚拟实验进行课堂演示实验，如此可提高物理实验教学的效果

课堂演示实验是中学物理实验教学中的一个必不可少的组成部分。但从实际情况来看，有些课堂演示实验的效果却往往不尽如人意。究其原因有三：其一，受某些限制条件或突发事件的影响，有些演示实验的成功性不大，经常是误差很大，有时甚至是错误的，这降低了课堂演示实验的效果;其二，有些演示实验受时空限制，学生观察的视角很小、清晰度很低，甚至部分学生无法清晰完整地观察到实验的整个过程或实验现象，这大大影响了演示实验的效果;其三，有些演示实验所需的时间较长或受某些条件限制不能在课堂上直接演示。针对以上三种情况，在进行课堂实验教学时，教师可以根据课堂实验的需要，充分利用物理虚拟实验让部分学生在教师的指导下自主选择实验器材并操作演示。这样不但可以成功、完整地呈现课堂演示实验，又可以提升课堂演示实验的有效性，进而可达成良好的实验教学效果。

例如在学习“造成家庭电路电流过大的原因”这一知识点时，由于在课堂上利用220伏电压演示短路实验是极其危险的。所以笔者就在触控一体机上充分利用物理虚拟实验室所提供的实验器材快速组装成家庭电路，然后将一根空导线的两端分别插入到一个两孔插座的插孔中，随后闭合开关，随着“嘭”的一声火光一闪，保险丝立即熔断。通过这一演示实验，不仅使学生再次清晰地认识到家庭电路的组成，而且也使学生深刻地观察、体验到短路的危害性，如此可增强学生安全用电的意识，同时也收到了良好的教学效果。

二、巧用虚拟实验突破物理教学中的难点，由此可加深学生对知识的理解

在初中物理的课堂教学过程中，总有一些知识点学生难以听懂和理解，这就是教学过程中的难点。而造成这些难点的原因一般有两个：其一，这些知识较为抽象，让人看不见摸不着，并且教师又很难用准确的语言将其描述清楚，所以导致学生难以理解，如电流、磁感线、分子运动等;其二，由于学生的生活经验不足，阅历不够，见识不广，对所学知识没有形象直观的认识而感到困难。要突破这些教学难点，其关键所在就是化抽象为形象，变不可见为可见，例如可借助物理虚拟实验使许多抽象的事物形象直观地再现给学生，让学生一目了然，如此可有效突破教学中的难点。

例如“常见电路故障的判断”是历年来各省市中考常考的一个重要知识点，同时它也是学生感到比较难理解和判断的一个知识点。这主要是因为电流在电路中的流动状态和路径学生无法直观看到，只能靠听教师说电路发生短路时电流怎样流动，然后自己机械地记忆，这样时间一长很容易就又忘了。为了解决这一难点，在課堂教学时，笔者充分利用虚拟电学实验器材在交互式电子白板上连接了如下图所示的实验电路，随后分别演示了L1短路、L2短路、L1断路和L2断路四种电路故障情况，让学生对比观察它们实验现象的不同。通过这一系列的演示实验，学生能非常直观地感受到这四种情况下电流流经路径的不同、各灯泡发光情况的变化以及各电表的示数变化等。学生对串联电路中这些常见的电路故障有了深刻的印象，就能很容易对各种情况做出判断了。

三、虚拟实验与学生分组实验相结合，可提高学生分组实验的效率和效果

初中物理实验教学大致可分为两大块，一是以教师为主导的演示实验，二是以学生为主导的分组实验。与教师演示实验相比，分组实验一方面能够更好地培养学生自己动手进行实验操作的能力，另一方面能够培养学生之间相互团结与协作的能力，这些能力都是学生将来从事工作不可缺少的能力。

为了提高学生分组实验的效率和实验效果，可以将物理虚拟实验与学生分组实验有机结合。例如在做“测量小灯泡的功率”这一学生分组实验时，笔者采用的教学策略是：首先由学生说出该实验的原理，并设计出实验电路图，然后经讨论设计出该实验的步骤和实验数据表。接下来让两位学生在交互式电子白板上利用物理虚拟实验室提供的实验器材演示完成“摆器材——连电路——做实验——填数据——收器材”等一系列操作，同时让其他实验小组细心观察找出该实验操作的错误之处，并说出或演示出正确的操作方法。最后让各小组利用所给的实验器材相互合作测量出所给小灯泡在不同电压下的电功率。通过将虚拟实验和学生分组实验有机结合，不仅可以激发学生的实验兴趣，提高学生的实验操作技能，还能提高学生的实验效率和实验效果。

四、充分利用虚拟实验，可弥补实体实验器材的不足，如此可提高学生的实验操作技能和创新思维能力

物理是一门以实验为基础的学科。学生物理实验操作能力的培养是物理实验能力培养的重要内容之一，也是学生学习物理的必要基础。培养学生的动手精神和理念，培养学生的物理实验操作能力，可以为学生将来走进社会，在社会实践中学习掌握一些专业技术知识打下良好的基础。因此，提高学生的物理实验操作能力对物理学科的教学尤为重要。近几年来，各省市在中考中也增加了对学生物理实验操作能力的考查。

要提高学生的实验操作能力，除了在课堂上要让学生积极动手做实验之外，在课下还必须要给学生提供相关的实验操作训练和进行实验探究的平台，使学生能够充分利用课余时间去自主进行实验操作和实验探究，以达到熟练掌握实验操作步骤和技巧的要求，如此可最大限度地提高学生的实验操作能力。但以上这些仅靠学校实验室中现有的实体实验器材是远远不够的，并且受实验场地和实验时间的限制，学校现有的实体实验器材也不能让每一位学生随时随地都可以进行实验操作训练或实验探究。而充分利用物理虚拟实验可以有效解决学校实体实验器材的不足，同时还可以满足让每一位学生随时随地都可以自主进行实验操作训练或实验探究的需求。随着信息技术和科学技术的迅猛发展，电脑、平板电脑和智能手机等已被绝大多数学生所拥有。因此，教师可以充分借助这些移动终端，把物理虚拟实验的软件发送给学生，让学生用以上终端下载安装，这样就可以让学生充分利用虚拟实验所提供的器材去自主完成一些常见的实验组装及操作过程，同时学生也可以利用这些器材自主设计完成一些创新型探究实验。这样不仅能逐步提高学生的实验操作技能，还能逐渐培养学生的创新意识和创新思维能力。

虚拟实验的应用虽然为中学物理教学提供了极大的便利，但它只是实体实验的一个补充、完善和扩展，它并不能从根本上替代实体实验的作用——有效培养学生的动手操作与实践能力。此外，它也不能讓学生体会实际动手实验中出现的各种故障，限制了学生进行自主发现与思考能力的培养。因此，教师不能完全以虚拟实验代替真实实验。只有结合教材内容和学生的认知实际等，将二者有机结合，并灵活加以运用，使其相辅相成，优势互补，才能实现中学物理实验教学的最优化。

参考文献：

[1]李   兴.虚拟实验在初中物理实验教学中的应用研究[J].新课程（中），2019，（08）：106.

[2]王玉琼.虚拟实验在中学物理教学中的应用研究[D].四川师范大学，2008.

[3]贾兆财.虚拟实验在初中物理实验教学中的应用研究[J].新课程（下），2019，（06）：37.