物理虚拟实验平台应用场景研究

聂哲星 孙福玉 徐海燕 李敏

摘 要：在新课改背景下，中学物理中的实验越来越受到重视，物理教师正在通过各种教学手段促进学生的全面发展。虚拟实验平台是在信息化时代发展过程中形成的一种实验辅助工具，能够利用信息技术模拟真实实验来进行实验。本文介绍了国内常用的两种虚拟实验平台，并阐述了虚拟实验平台在中学物理教学中各种场景下的应用，以期更好地推动虚拟实验为物理课堂教学有效赋能。

关键词：中学物理；虚拟实验平台；实验教学优化

中图分类号：TB 文献标识码：A  doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.15.092

0 引言

我国中学生的物理水平已经走在国际的前列，但学生不善于发现问题，缺乏动手能力的现象一直为人们所诟病，也越来越受到教育部门的重视。随着信息技术的发展，我们的教育方式开始逐渐发生转变。如今，信息技术正在与教学相互融合，这是时代的一种必然趋势。虚拟实验在这个时代应运而生，它作为现代信息技术发展下的产物，为教育提供了一种全新的手段去促进学生的全面发展，改进过去教育的不足之处。同时，新冠疫情的出现也再次促进了教育信息化包括虚拟实验的发展。但是目前对虚拟实验的使用仍然处于探索的道路中，因此，如何将虚拟实验的价值最大化地发挥出来，使它更好地为教育教学服务，是当前值得思考的一个问题。鉴于此，本文介绍了两种国内最常用的虚拟实验平台，并探索了NOBOOK等虚拟实验平台在中学物理各种教学场景下的应用，以期更好地推动虚拟实验为物理课堂教学有效赋能。

1 国内常用虚拟实验平台介绍

随着时代的发展，虚拟实验平台逐渐普及，在这里介绍两种目前国内最常用的虚拟实验平台：NOBOOK虚拟实验室和中央电化教育馆中小学虚拟实验教学服务系统。

NOBOOK虚拟实验室是乐步教育研发的一款专门为中学教师设计的实验教学辅助软件（如图1所示为NB物理实验界面）。它的内容覆盖范围广，保存了从小学到高中，科学、物理、化学、生物四个学科的所有实验资源。模拟实验的还原度高，进行操作时有错误提示和修复功能。教材上的经典实验都设计好了实验设备和操作提示，学生可以用来预习和复习，而教师可以利用其可创编性根据需求开发更多的实验教学资源以及培养学生的创造性思维；它的适用性强，可以在线使用也能在无网络的状态下运行，Windows、Mac、IOS、Android全平台适应，支持手机、一体机、电子白板等多终端进行数据共享，既方便教师组织实验教学，也方便学生自主学习和重复实验。

中央电教馆虚拟实验教学服务系统上已有的实验资源达4722项并且还在不断增加，教师只需将实验资源调入创编系统中就能使用，还可以配合系统中的VR技术，在有条件的学校里为学生创建一个立体的学习场域，使学生获得交互式学习体验，促进学生沉浸式学习。系统中有大量的视频资源，其中既有真实实验实拍视频，也有记录虚拟实验详细操作步骤的3D演示视频，教师可以根据课堂需要进行选择。

2 NOBOOK等虚拟实验平台在各种场景下的应用

2.1 在需要直观演示的课堂教学中虚拟实验平台的应用

在物理课堂上，有一些较为抽象的物理概念，如果物理教师单凭讲授法进行教学，学生难以产生代入感，容易出现似懂非懂、理解偏差的情况，而真实实验效果又不明显，此时就可以用虚拟实验进行补充。

例如，在讲解摩擦起电的知识时，传统的实验不能直观地让学生看到电荷的产生和移动，学生只能通过教师的口述来理解。但如果在课堂中使用NOBOOK等虚拟实验平台演示模拟实验进行补充就可以让学生清楚地看到摩擦起电的全过程。在小磁针实验中，假想出来磁感线无法被观察到，而在虚拟实验中就很容易观察到小磁针的指向与磁感线一致等。

同时，在一些较难理解的知识点上，物理教师也可以利用虚拟实验的可观测性来辅助教学，提升学生的学习效果。如高一的学生抽象思维和逻辑推理不强，刚刚接触受力分析时感性认识居多，对弹力的方向的判断比较模糊。此时，如果物理教师用NOBOOK等虚拟实验平台进行模拟，就可以清晰地看出弹力方向以及大小，并且可以通过改变物体的布局如移动挡板等，引导学生观察物体的受力分析的实时变化，从而直观地感受到弹力的方向和大小如何变化的。通过虚拟实验，学生的学习兴趣和课堂参与感得到提高，教学氛围活跃，学生的学习效率就高。

2.2 在缺乏实验器材的物理课堂中虚拟实验平台的应用

当前越来越多的物理教师认识到物理实验的重要性，但由于一些地区和一些学校的经费不足，导致一些实验器材不够，物理教师也是巧妇难为无米之炊。于是很多教师只能自制教具，然而，并不是所有实验都能够通过自制教具完成的，这时候NOBOOK等虛拟实验平台就有了用武之地。

例如，鲁科版的高中物理教材中有一个利用光的干涉检查工件平整程度的实验，物理教师虽然可以凭借理论推导来得到相关结论和规律，但是对于学生来说，这种方法枯燥乏味、晦涩难懂，理解也不够深刻。而教师又很难有条件能够完成这个真实实验，此时运用NOBOOK等虚拟实验平台进行模拟实验，学生就能够很清晰地看到，当工件不平整时，出现的干涉条纹的形状是怎样的，教师还能通过改变实验参数来引导学生观察干涉条纹的变化。

2.3 在包含危险性实验的物理课堂中虚拟实验平台的应用

在物理实验中，有些实验具有危险性，只能放弃真实实验或只能进行部分真实实验，故而难以让学生经历实验探究的全过程，此时就可以选择使用NOBOOK等虚拟实验平台进行模拟实验，由于是在完全安全的情况下，不仅可以用于教师的演示实验，也可以满足学生实验操作的需要。

例如，人教版九年级物理中“家庭电路”这一节，它既是前面几章电学知识的拓展提高，又是本章“生活电路”的核心知识。但由于家庭电路具有高危险性，物理教师需要考虑到安全隐患和操作不便等问题，本节的许多实验如“家庭电路短路”和“灯泡与开关的连线”都无法进行真实实验。那么就可以利用虚拟实验安全性的优点代替真实实验。在讲解家庭电路的三种电路状态时，物理教师可以类比直流电路的三种状态的同时用NOBOOK等虚拟实验平台演示家庭电路的三种电路状态，待学生有所了解后让学生动手操作，进一步促进学生对相关知识的理解和探究能力的提高。在学习火线和零线的判断这一难点时，同样可以在传授学生试电笔的使用原理后，先让学生通过虚拟实验规范操作，再进行真实实验。这种教学方式在避免了安全隐患的前提下，兼顾了学生对重难点知识的理解和动手实践能力。

2.4 在远程网络教育下的物理课堂中虚拟实验平台的应用

远程网络教育是随着互联网和多媒体不断发展形成的一种新兴的教学组织形式，在新冠疫情的冲击下，它突破时空的限制优点得到了青睐，远程网络教育目前已经成为一种普遍的教育手段。而在远程网络教育中，学生无法像面授课时一样方便地进行真实实验，因此配合虚拟实验是最佳的选择。

例如，在线上对人教版八年级物理中“凸透镜成像的规律”进行教学时，“凸透镜成像规律”实验是初中的重點实验之一，学生需要熟练掌握实验仪器进行动手操作，而学生家中又没有凸透镜等实验仪器，那么物理教师可以先播放真实实验视频，遵循“能实不虚”的原则，让学生在学会实验步骤，了解实验内容后再利用NOBOOK等虚拟实验平台进行实验操作，由此提高远程网络教育的教学效果。为了让学生掌握这些重要的物理实验，实验测试是非常需要的，NOBOOK等虚拟实验平台都具有实验测试模块，能够反馈学生实验中的遗漏与错误，更好的帮助学生掌握实验操作细节。

2.5 在中学物理翻转课堂中虚拟实验平台的应用

翻转课堂也是随着互联网和多媒体不断发展形成的一种教学模式，它来自于美国，顾名思义，翻转课堂就是将传统课堂中课内传授的知识利用导学案和微课视频搬到课外，以学生为主体，让学生在课前自主学习，课内巩固和内化所学知识，教师通过了解学生课前的学习情况进行再次的备课，在课堂上不再传授知识，而是师生交流，为学生答疑解惑，针对性的突破部分疑难点。与传统课堂相比，翻转课堂具备许多传统课堂所不具备的优势，但随着翻转课堂的应用，其自身的一些弊端也显现了出来，一部分学者认为这是课堂讲授形式的简单复刻，是一种被动学习的模式。而NOBOOK等虚拟实验平台的出现，可以对翻转课堂的弊端进行一定的弥补和优化。

例如，人教版八年级物理中“天平的使用”是初中物理必考实验之一，由于托盘天平和砝码并不是家中常用物品，学生在课外难以进行实验，对其进行翻转课堂的设计时，就可以通过利用NOBOOK等虚拟实验平台的灵活性，让学生在课外学习天平的使用方法和操作规范，与此同时，教师还可以通过虚拟实验平台的反馈进行二次备课，在课堂上利用真实实验突破重难点，针对学生的薄弱点进行教学。通过虚拟实验，能够极大地提升学生的自主学习效率和教师的课堂效率。

2.6 在中学物理习题课中虚拟实验平台的应用

在习题教学中，传统课堂上的物理教师往往通过公式、原理的讲解，示意图的分析，在黑板或屏幕上针对题目进行分析。如此，课堂氛围往往比较沉闷，学生一个个都在努力跟上老师的讲内容，容易感到乏味。将虚拟实验加入传统课堂教学，让题目中的物理过程更清晰直观地出现在学生眼前，不仅可以提升课堂效率，促进学生对物理概念和物理规律的深化和巩固，还能利用虚拟实验进一步培养学生的创造性思维。

在分析问题时学生常常会遇到的知识运用与自身经验相冲突的情况，会因此而产生疑惑。例如，一道题目中一个金属块悬挂着浸入装着水的烧杯中，求烧杯底部所受液体压强的变化量。此时需要知道液体液面上升的高度，但初中生对物体浸入液体中液面会上升的情况没有清晰的认识，更加难以理解上升部分液体的体积会等于浸入物体的体积。因此，光靠示意图进行口头讲解是不大够的，利用NOBOOK等虚拟实验平台，让学生在教师的引导下不断地完善自己的实验方案，主动发现金属块在浸入水中的同时水面在上升，通过实验数据验证上升部分液体的体积等于浸入物体的体积。如此，学生对本道题的印象更深刻，在理解相关物理规律的同时创造性思维也得到了发展。

学生从了解知识到知识的灵活运用需要一段时间，很多时候学生听课时对相关的物理知识理解了，但是却无法迁移到题目和实际场景中。以匀加速运动为例，学生在初中只学习了匀速直线运动，对匀加速运动的过程需要慢慢消化，因此，物理教师在讲解关于匀加速运动题目时要注意，对于已经明白运动过程的学生来说可以直接套用公式，但对于刚进入高中的学生来说，不理解运动过程而直接套用公式是不能学会物理的。教师可以通过NOBOOK等虚拟实验平台模拟运动的整个过程，平台能动态地显示出整个过程的v-t图像，使学生更容易理解整个运动过程，从而达到对题目知其然也知其所以然。

2.7 在高三物理复习课中虚拟实验平台的应用

高三的复习课时间紧、任务重，物理教师为了提高课堂效率，往往对实验部分只是通过口头叙述和例题讲解进行复习，这对于在学习新课时掌握得不完善的一部分学生来说较难消化，有囫囵吞枣的感觉。这些学生往往只记住了题目的答案而不知其探究过程，由此造成复习的低效甚至无效。因此，哪怕是高三的复习课，也需要重视实验探究的过程，让学生从体验中巩固和深化所学知识和方法。融合虚拟实验进行教学不失为一种新的复习教学思路。

以物理必修三中“电池电动势和内阻的测量”实验为例进行融合虚拟实验的复习教学。在上课前物理教师首先布置任务，让学生先利用NOBOOK等虚拟实验平台对本次的实验原理等进行自主复习，包括闭合电路欧姆定律、实验操作步骤、实验数据记录及数据处理、误差分析等。同时发放精心设计的前测卷，通过网络技术回收后分析学生的知识掌握情况。在课中教师从事先划分好的学习小组中挑选一组来讲述复习成果，此时上台的学生可以通过虚拟实验平台的实验演示和数据图像来进行分享，台下的学生进行思考、补充和总结，大大提升了复习效率。然后教师再用例题进行检测反馈，待学生基本掌握相关知识后，教师可以对实验进行拓展，让学生再次进入虚拟实验平台，分别探究除待测电源和开关、导线以外，只有一个电压表和一个电阻箱、一个电流表和一个电阻箱或一个电压表和一个滑动变阻器的情况下可以测出电源的电动势和内阻吗？如果能，则要进行模拟连接和画出电路图，并以学习小组的形式讨论电路设计方案、数据处理和误差分析等，使学生进一步对所学知识进行内化和迁移。

另外，物理教师在对物理概念和物理规律的复习教学中往往也是口头阐述加例题分析的组合，十分枯燥乏味，教师应该酌情引入如虚拟实验等教学手段提升教学效果。

3 结语

虚拟实验打破了时空的限制，使学生能够随时随地地进行感兴趣的实验探究，它能使课堂省时、高效地完成教学任务，能帮助物理教师开展个性化的实验，提高了学生在物理实验中的参与度，培养学生的创造性思维。它具有操作简单、实验效果直观明显、不受环境以及实验仪器的影响、防止安全隐患等优于真实实验的地方，弥补和改善了传统的物理实验教学模式。但虚拟实验只能用于物理实验的补充，不能完全代替真实实验。它不能提供给学生真实的操作体验，在操作简便的同时也意味着限制了学生动手操作能力的发展，同时，过于理想化的实验过程使学生无法经历真实实验中实验故障、操作误差等问题，学生缺少对实验的反思，不利于学生批判性思维的发展。所以，物理教师需要将虚拟实验与真实实验相互融合，取长补短，才能实现教学效果的最优化。时代在进步，科技在发展，虚拟实验技术不断完善，如何更好地借助NOBOOK等虚拟实验平台为教育服务，需要我们每一位教育工作者的努力开拓和探索。

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