应用虚拟仿真实验培养学生物理学科思维的实践研究

林杰

摘   要：通过教师将虚拟仿真实验教学软件应用到课堂教学中，上课演示虚拟仿真实验或学生自主操作实验，让学生掌握物理概念及原理，探究虚拟仿真实验对培养学生物理学科思维的影响。经过近两年的跟踪研究发现，在平时的课堂教学中，利用虚拟仿真实验进行教学，不但能提高学生的动手操作能力，而且还能培养学生的空间想象能力、构建模型能力、信息加工能力、推理论证能力、发散思维能力、创新思维能力等，从而逐步提升学生物理学科思维。

关键词：虚拟仿真实验;物理;学科思维

引言

进入21世纪，随着信息技术的迅猛发展，虚拟仿真技术日趋成熟，已经开始在科学研究、日常生活等各个方面不断得到应用。教师也意识到虚拟仿真实验在教学方面的应用价值，将它应用到实际课堂教学中。将虚拟仿真技术和中学物理实验教学进行最优化整合，必将会优化传统的教学模式和拓展课堂教学空间，进一步促进学校物理实验教学的开展。在教学過程中教师不断熟悉虚拟仿真实验教学的操作原理和教学策略，有利于提升教师的实验教学技能，并能为学校以后的物理实验教学提供借鉴。通过虚拟仿真实验，弥补实际实验的一些不足之处，让每个学生亲身参与实验过程，加深对物理概念和原理的认识，提高学生动手实验的能力，逐步培养学生的物理学科思维能力。

1  应用虚拟仿真实验教学对培养学生物理学科思维的作用

1.1  虚拟仿真实验

虚拟仿真实验软件是一种借助传感技术、多媒体技术、虚拟仿真技术等构建的高度虚拟、仿真的实验教学环境，可以辅助教师进行课堂演示实验或学生自己模拟操作实验[ 1 ]。由于虚拟仿真实验可直接电脑在线模拟操作，学习者能够体验身临其境的感觉，能够最大限度地激发学生的自主学习兴趣，具有独特的实验教学的实践作用[ 2 ]。针对实际实验中的复杂实验、抽象实验等不好做的实验，甚至因危险性高而不能做的实验，虚拟仿真实验都能够有效地进行模拟操作。基于以上优势特性，现如今利用虚拟仿真实验辅助教学，已经在全国各地如火如荼地进行。

1.2 物理学科思维

所谓物理学科思维，顾名思义就是学生学习物理的科学思维。它是依据经验事实建构物理模型的过程，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑，进而提出创造性见解的能力[ 3 ]。 包括空间想象能力、构建模型能力、信息加工能力、推理论证能力、创新思维能力、发散思维能力等。通过教师长期的教学活动发现，这些物理学科思维能力是学生学好物理的必不可少的能力。为了学生不断发展的需要，教师在平时的教学活动中，要有意识地在这方面对学生进行培养、引导、渗透。

1.3  学生操作虚拟仿真实验过程能够培养学生的物理学科思维能力

通过文献研究法，查阅网络文献资料，查找中学物理虚拟仿真实验的相关平台，为教学做好前期准备工作。例如登录注册中央电化教育馆的网络虚拟实验教学服务系统，可以看到这里有中学物理、化学、生物、小学科学等几千个虚拟实验资源。教师可以搜寻中学阶段物理课程虚拟仿真实验的相关软件资源，然后把这些资源应用到平时的课堂教学中。

在平时的教学过程可以观察到，在有限的课堂教学时间内，利用虚拟仿真实验进行辅助教学，给学生较大的操作自由度和使用空间，能充分激发学生的学习热情，学生会更积极主动地配合进行课堂学习，从而提高课堂的学习效率，促进课堂教学目标的达成。在虚拟仿真实验中，学生可以按照需求自主操作实验，多次重复实验过程，不但能提高对实验器材的操作技巧，还能够更细致地观察实验现象，有助于得出实验结论。在进行探究实验的操作过程中，不但能提高学生动手实验能力，对培养学生的物理学科思维能力，还能起到“润物细无声”的作用效果。

以“探究线圈的自感现象”这个电学实验为例，如图1所示，学生进入虚拟实验平台后，马上就要先熟悉实验操作空间。可以看到，在虚拟立体空间中左上角有实验电路图，在右边空间是一个工具栏，那里有实验所需的器材供学生选择使用，在空间右下角是一些操作选择按钮。学生需要在合适的空间位置放置电池组、滑动变阻器、电感线圈、灯泡等各个实验器材，需要学生思考，如何布局方便观察研究，然后利用导线连接电路，搭建接起来整个实验场景模型。这些思考及操作过程能够很好地培养学生的构建物理模型能力。

在虚拟实验的空间中，所有的实验器材都是立体图形显示，学生可以对开关进行闭合或断开操作，可以左右移动滑动变阻器的滑片，使滑动变阻器连入电路的电阻阻值发生变化，连电灯的亮度变化都能够虚拟表现出来。学生可以在虚拟立体空间中对整个实验电路模型拉近推远，选择最佳观察位置。还可以旋转改变观察位置及方向，从不同位置距离、各个不同方向视角对小灯泡的发光及熄灭情景进行多次多方位观察研究，通过这些多方位场景的切换及观察，不但能够更好地观察实验现象，而且能够培养学生的立体空间想象能力。

在实验探究过程中，学生可以先探究开关闭合时线圈对小灯泡的影响。通过实验操作，可以观察到开关闭合瞬间的实验现象，学生就要去分析产生这种现象的原因，得出：线圈的自感现象阻碍了电流的增大，使得与线圈串联的灯泡较慢发光的结论。接着学生继续探究：开关断开时，线圈对两盏小灯泡的亮度变化影响情况。通过观察两盏小灯泡在开关闭合和断开瞬间亮度变化情况、发光及熄灭先后顺序等实验现象，最终根据实验规律分析得出：线圈的自感电动势总是要阻碍导体自身的电流发生变化的实验结论。

在整个研究分析过程中，学生要不断动脑思考，动手操作实验，观察每次操作时的实验现象及变化规律，并加工分析操作过程与观察到的实验现象之间的因果关系，再通过推理得出初步实验结论。为了减少实验误差，保证实验结论的正确性，学生还要改变实验参数，多次重复进行实验，对初步研究结论不断论证，最终才能归纳总结出正确的实验结论。这些实验操作、实验论证、归纳总结过程可以培养学生的信息加工能力和推理论证能力。

除此之外，在虚拟仿真实验构建的理想化实验环境里，软件还模拟出电路短路烧毁电源，电流、电压超出量程烧毁仪表的动画效果。学生既不用担心犯错引起实验器材的损坏，也不用担心因错误操作引起危害自身安全的事故，还可以看到各种实验成果。在虚拟仿真实验系统的这些优势条件下，学生可以利用虚拟仿真实验平台所给予的各种实验器材，自主选择所需要的实验器材，充分发挥想象力，大胆创建各种场景，反复模拟操作各种实验探究或验证活动，创造性地对课本实验进行更多尝试。这种创造性的探究活动，既能满足学生的好奇心，又培养了学生的发散思维能力和创新思维能力。

例如在“测量电源电动势和内电阻”的实验中，学生可以按照课本实验步骤方法要求，使用常规的“伏安法”测量电源电动势和内电阻，即使用电压表和电流表配合测量。实验过程还可以随意设置元件参数，比如探究过程将电源电压提高设置到6 V，此时连接电路时如果没有注意电压表或电流表选择合适的量程，闭合开关后，就可能看到电压表或电流表因超出量程烧坏冒烟的情景，学生无法继续操作，只能重新开始实验。这样就会给学生留下较深印象，以后再遇到仪表的使用，都会注意正负极的连接、量程的选择。这样学生既掌握了知识，又不会造成实质性的损失，学生会更放心大胆地操作实验继续探究，为培养学生的创新性思维提供了条件。

在这个实验中，学生可以不按照课本的常规实验方法测量，自主选择实验器材：比如不用电压表，使用“安阻法”进行测量;还可以选择不使用电流表，使用“伏阻法”进行实验测量。另外在实验数据的处理上，测量出几组实验数据后，既可以使用公式法计算得出结论，还可以使用图像法，在直角坐标系上用数据进行描点并连线，画图研究得出结论。这样通过多种不同方法的实验探究活动和多种方法的实验数据处理过程，培养了学生的发散思维能力和创新思维能力。

可以看到，学生每次参与不同的虚拟仿真实验过程，都会从多方面培养学生的物理学科思维能力，通过平时课堂对这些虚拟仿真实验应用教学的过程，学生的各种物理思维能力不断重复锻炼，从而得到加强提升。

1.4  虚拟仿真实验提升学生物理学科思维的效果体现

利用行动研究法，教师有计划地将虚拟仿真实验应用到平时课堂教学中，观察它对学生学习物理的思维能力的影响。通过教师平时教学过程对学生的观察，以及对学生考试成绩的变化进行对比分析，取得第一手研究资料，并进行归纳总结，进而得出研究的结果。

在研究初期笔者就对高二理科1班到4班四个平行班级的学生开展平行跟踪研究工作。所选取的这四个班级学生物理成绩平均分不相上下，教师把这四个班级分为两组，1班和2班编为A组，3班和4班编为B组。平行跟踪研究工作开始后，在平时的教学中，A组学生的物理课堂教学，教师利用中央电教馆的虚拟实验室平台，尽可能地使用虚拟实验进行辅助教学。而B组的学生则按照原来的常规方法进行教学。

经过一年的教学实践，对学生的高二下学期期末物理考试成绩，利用好分数软件系统统计数据：A组平均分54.5分，B组平均分46.6分，A组优秀率7%，B组优秀率3%，A组及格率42%，B级及格率30%。对比分析发现，利用虚拟仿真实验进行辅助教学的A组实验班学生物理成绩，在优秀率、及格率、平均分等各方面都明显领先利用常规手段进行教学的B组的非实验班学生成绩。

在平时的教学活动中教师还发现，现在的A组高三1、2班的学生，不但学习成绩领先，而且课堂发言更积极，思维上更为活跃。课堂上勇于提出自己对物理问题的独特见解，在答题中时而会出现些高超的解题技巧。这些都是学生物理思维能力的体现，也与平时利用虚拟仿真实验教学的情况是息息相关的。

1.5  从学生角度，了解虚拟仿真实验对培养学生物理学科思维的作用

为了进一步了解虚拟实验在辅助教学中的应用效果。教师还通过问卷调查、与学生座谈，从学生方面了解，它对提高学生学习兴趣、改善学习能力的影响情况;以及对培养学生物理学科思维能力的影响情况。

本次调查问卷受调查学生为经过一年多虚拟仿真实验教学的现高三学生，发出问卷100份，回收100份。现将问卷调查统计结果分析如下：

（1）在问卷中，95%的学生认为，在物理课上运用虚拟仿真实验教学能极大地激发学习兴趣，有了学习兴趣，上课的注意力就会比较集中，就会增强课堂记忆效果，达成课堂目标。

（2）90%的学生认为，虚拟仿真实验教学好处在于生动有趣，化抽象为形象，使教学内容更直观明了，有利于理解原理。还可以增加课堂容量，提高课堂效率。

（3）81%的学生认为虚拟仿真实验要与实际实验相结合使用，虚实结合能弥补实际实验的一些不足之处，发挥出最大的教学效果。

（4）92%的学生认为，虚拟仿真实验教学对自己的空间想象能力、信息加工能力、模型建构能力、推理论证能力、发散思维能力、创新思维能力等的培养和开发有帮助，自己在物理学科思维能力上有了一定的提高。

2  归纳总结

通过笔者近两年的平行跟踪研究发现：上课演示虚拟仿真实验或学生自主操作实验，利用真实实验与虚拟仿真实验辅助教学相结合的方法，一方面可以提升学生的實验技能;另一方面可以培养学生空间想象能力、构建模型能力、信息加工能力、推理论证能力、发散思维能力、创新思维能力等，进而逐步提升学生物理学科思维。通过学生亲身参与实验研究过程，能提升学生对物理学科学习的兴趣。因此，将虚拟实验引入课堂，必将会优化传统的教学模式和拓展课堂教学空间，能够实现互动实验教学，能最大限度地激发学生的自主实验兴趣，提高课堂实效，有利于培养和提高学生的物理学科思维。

因此，教师要积极使用虚拟仿真实验进行辅助教学，优化物理课堂教学过程，提高课堂教学效果，让虚拟仿真实验技术更好地为教学服务。使学生多动脑思考、多动手实验，培养学生的物理学科思维，提高学生的自主学习能力，使学生终身受益。

参考文献：

[1] 曾峻. 虚拟仿真实验教学理论基础初探[J].教育教学论坛，2020（29） ： 391-392.

[2] 王会倩. 虚拟仿真实验技术应用于物理实验教学的理论与实践研究[J]. 现代职业教育·中职中专，2019（17）：110-111.

[3] 梁俊敏. 物理科学思维培养的教学策略[J].广西教育·B版，2018（1） ： 143-144.