物理线上实验教学的实践与思考

任冠航

[摘 要] 实验教学作为物理学科的重要环节，是帮助学生建立概念、认识规律的途径。但是，当前初中物理实验教学存在着器材短缺、应试教育理念下缺乏重视的问题，初中物理实验教学效果并不理想。在教育信息化背景下，线上、线下混合式教学模式成为教育发展的新趋势。在这一趋势下，开展线上虚拟实验成为转变传统教育模式、促进物理实验教学深入推进的途径。

[关键词] 混合式教学；初中物理；线上实验；虚拟实验；数字教育

混合模式下的物理线上实验教学主要指利用多媒体、虚拟现实等信息技术手段，为学生创造传统实验的虚拟环境，让学生可以在多媒体设备上获取直观的实验体验。采用线上实验教学模式是针对传统实验条件缺失的有效转变，可以避免传统实验存在的安全及污染等问题，同时强化人机之间的交互操作，呈现清晰、直观的实验结果。

一、线上实验教学概述

线上实验教学不同于传统实验教学，更加注重学生在学习中的主体地位，需要有意识地寻找线上操作与传统实验的对照步骤，明确每个虚拟操作所对应的物理知识。虚拟实验过程应强化教师的引导，注重课堂交互性，引领学生结合虚拟实验进行深度探究。虚拟实验设计应满足适应性原则，贴近学生的认知特点及课堂教学需求，拓展学生认知空间。

（一）主体性，引导积极参与

主体性是课堂教学的首要原则，要求学生作为教学的主体对象，在课堂学习中实现自我知识建构。因此，教师应尊重学生的主体地位，在利用虚拟实验资源设计混合式课堂时充分考虑学生的主体地位，高效利用虚拟实验环节，增强学生参与实验的主动性，提高他们对物理学习的积极性。

通过生活问题的导入，创设问题情境可以有效提升学生参与课堂学习的积极性。比如，在学习“浮力”这一小节时，教师可以提出问题：“怎样才能让沉于水下的鸡蛋漂浮起来？”通过该问题创设问题情境，学生的探究热情得到充分激发，从而会积极参与到虚拟实验中。在学习浮力的相关知识点后，学生认识到物体的浮沉与其所受合力密切相关，当浮力大于重力时才能达到漂浮状态，因此想让沉于水底的鸡蛋漂浮则应想办法增加其所受浮力。进而联想到浮力的大小不仅与排开液体的体积有关，还受到液体密度的影響，提高液体的密度就可以加大鸡蛋的浮力。所以学生在虚拟实验平台中将食盐加入烧杯中，可以观察到液体密度读数不断上升，鸡蛋也逐渐上升。根据主体性原则设计线上实验课堂，可以有效地激发学生的学习动力，使其在自主探究中感受物理规律。因此，教师应关注学生的课堂积极性，贯彻主体性教学原则，设计线上虚拟实验教学课堂，促进学生在虚拟操作中强化物理知识体验。

（二）交互性，实现深度探究

在线上虚拟实验课堂中，学生容易沉浸在虚拟实验操作过程中，缺少课堂上的互动会导致学习浮于表面。因此，教师应有意识地强化虚拟实验设计中的交互环节，在虚拟操作中加强人机交互，为学生提供正确的指引，促进学生深入思考。

在虚拟实验中插入问题引导是常见的交互性设计方法。比如，在学习“探索更小的微粒”这一小节时，需要学生能够深度理解物质的组成微粒，并掌握其结构形式，开展线上微粒探索实验。虚拟实验平台为学生提供的宏观物质包括铅笔芯、金刚石、液体水等，实验操作包括选中物质并放大观察两个环节。在虚拟实验平台中设置相应的交互问题，如在学生点击水并进行放大后，首先会观察到水分子的组成，包括一个氧原子及两个氢原子，进一步放大后弹出提示问题：“在该结构中显示的几种分子分别属于哪种微观粒子？”在观察铅笔芯的微观结构时弹出提示问题：“铅笔芯的主要组成成分是哪种物质？其微观结构与水分子有何不同？”

在上述实验过程中，教师通过问题的形式与学生展开有效互动，强化了课堂中的交互环节，为学生的实验提供了探究方向。在问题指引下，学生深入分析虚拟实验平台呈现的交互现象，理解其蕴含的物理变化原理。

（三）适用性，拓展认知空间

适用性是混合模式下开展线上虚拟实验教学的特殊性质。由于线上实验教学的局限性，教师应注重线上实验教学的内容选取，将其作为传统实验教学的补充，拓展传统实验难以开展的教学资源，从而实现学生认知空间的拓展。

比如，在学习“声音是什么”这一小节时，需要学生理解声音产生的原因及声音传播的条件，已知真空不能传声，但是课堂中很难通过实验验证这一特性。因此，通过虚拟实验的方式引导学生探究声音传播的条件。在虚拟实验平台为学生提供真空罩、闹钟及抽气机设备。首先设置闹钟，然后用真空罩将闹钟罩住，利用抽气机将真空罩内部的空气抽出，在虚拟实验平台中观察读数直到真空罩内的空气完全排出，之后等待闹钟时间到后观察是否有声音传出。在完全排出气体及不排出气体两种条件下的实验对比中，学生发现真空罩内完全没有空气后声音不能传播。

二、线上实验教学的类型

混合模式下的线上实验教学根据不同实验的开展方式可以分为虚实结合、虚拟演示及模拟操作等三种主要类型，它们与课堂操作及物理实验现象演示相辅相成，充分发挥线上平台的优势，开阔学生的物理视野并强化实验感受。

（一）虚实结合，相辅相成

虚实结合类实验是指将线上、线上平台与实际实验过程相结合，教师首先在线上平台发布实验任务，引领学生讨论并设计实验验证过程，之后在实验室中基于自主设计的实验流程开展自主实验，在实验中获取最直观的实验体验。

虚实结合类实验通常用于可以在线下真实开展的实验，两者相辅相成，强化实验学习效果。比如，在学习“密度”这一小节时，首先教师在线上学习平台提出问题：“同种物体的质量和体积有什么关系？不同物体的质量又有怎样的关系？如何设计实验验证？”在问题指引下，学生设计实验，利用量筒测量物体的体积，利用天平测量物体的质量，得出数据后对其关系进行分析。结合上述实验设计，教师引领学生在实验室中开展真实实验，学生根据自主设计的实验过程，通过量筒和天平分别测量不同大小的相同物体的体积和质量，发现两者呈现正比例关系，之后对比不同物体发现其表现为比例系数不同，从而引出密度的概念。虚实结合的实验教学模式可以充分发挥线上平台的作用，让学生对实验有初步的了解，进而在真实实验中对自己的想法进行验证。

（二）虚拟演示，开阔视野

虚拟演示实验主要针对在真实场景下难以完成或者实验现象不明显的实验，通过线上演示，让学生对实验现象有直观的印象，进而在教师引导下对实验现象展开分析，获得相应的物理结论，开阔学生的物理视野。

比如，在学习“磁体与磁场”这一小节时，磁场是一种肉眼不可见的物理概念，为了强化学生对这一概念的理解，利用虚拟演示方法在线上平台给出不同磁铁的磁场分布特性。基于线上实验平台进行虚拟实验演示，可以将抽象的物理概念具象化，让学生获取对相关概念的直观体验，从而达到开阔视野、提升物理综合素养的教学目的。

（三）模拟操作，深化体验

模拟操作实验是基于现代信息化设备才能开展的一种模拟实验操作过程，它能兼具虚拟实验及真实实验的特点，让学生在线上平台通过鼠标点击拖动等操作模拟真实的实验过程，从而获得更具可见性的实验体验，深化对物理实验原理的认知。

在模拟操作实验中，教师应准确地讲解在线上平台每一种操作对应的物理含义。比如，在学习“声音的特性”这一小节时，需要学生通过实验观察总结得出声音的特性。学生在线上平台模拟操作过程中不仅直接听到了不同种类的声音，还了解了麦克风及示波器的功能，通过频率值大小与感受到的声音，对其特性有了深刻的体验。

三、线上实验教学的策略

混合模式下开展线上实验教学应充分发挥两种模式的教学特点，聚焦核心素养的培养需求，灵活转变教学策略，提升线上实验教学的效率。

（一）调动视听感官，形成学科观念

学科观念是指学生能够对物理现象及概念建立正确的认知观念，形成具象化的物理模型，能够准确地辨别问题及生活现象中的物理元素。在初中阶段，学科观念的形成应以感性经验为主，学生通过视听感官，获取亲身体验，促进抽象观念的形成。

比如，在学习“探究凸透镜成像的规律”这一小节时，教师基于虚实结合的方法开展实验教学，调动学生的视听感官，获取凸透镜成像的直观印象。教师在线上平台上布置问题：“凸透镜又叫作放大镜，它除了放大之外，可以将物体的像缩小吗？”教师设计实验探究凸透镜在不同条件下的成像效果，使学生联想到凸透镜对光线的汇聚效果。在实际实验操作中，学生作为实验的设计者及参与者，视听感官被充分调动，获取真实的实验体验，从而基于实验现象分析得出对应的物理学规律，掌握物理概念，形成学科观念。

（二）对比具体数据，发展科学思维

对比推理不仅是重要的学科素养，还是一种科学的实验方法。控制变量法就是最基本的一种实验方法，用于对比分析在不同条件下的实验结果。因此，教师在开展混合模式线上实验教学时应注重实验数据的收集整理，引领学生对比分析，发展其科学思维。

线下实验由于设备的局限性，在对比实验时难免会面临阻碍，而线上虚拟实验可以灵活地设定器材参数，获取更多的对比数据。比如，在学习“欧姆定律”这一小节时，设计实验令学生记录实验数据，经历欧姆定律的得出过程。在线上实验平台为学生提供滑动变阻器、干电池若干、电压表及电流表四种器材，之后按照控制变量法设计实验，在保持变阻器不动的条件下增多电池节数，对比电源变大后读数变化，接下来则保持电源不变，调整滑动变阻器，观察在不同电阻下的读数。通过对比分析不同对照组实验验证得出R=U/I的结论。在上述实验过程中，学生根据控制变量法，单独修改某一种实验参数，将其作为对照组实验与基础实验结果进行对比。在这一过程中，学生不仅掌握了控制变量法的实验原理，还了解了对比分析的科学推理能力，对发展学生的科学思维有着积极的意义。

（三）融合社会环境，渗透责任意识

随着科学技术的发展，物理学科对自然环境及社会生活的影响也越发重要。渗透责任意识，让学生形成正确的物理价值观念，成为核心素养培育的重要需求。在实验教学中，教师应结合线上平台，融合社会环境，让学生充分认识到物理学科的社会价值。

利用线上信息设备展示物理实际应用场景，可以有效地培育学生的应用能力。比如，在学习“滑轮”这一小节时，首先通过视频展示定滑轮的应用，如升旗手向下拉绳子，国旗向上移动；动滑轮的应用，如货物起重机应用。在学生观看视频后，教师提出问题：在两种场景下，滑轮分别起到了什么作用？之后引导学生设计实验，对问题进行验证。通过实验探究，学生发现两种滑轮具有不同的功能：第一种可以改变力的方向，第二种则可以省一半的力但是不能改变其原始方向。通过线上实验平台对实验设备进行受力分析得出上述结论。再进一步对实验设计进行改进，将两种滑轮组合使用则可以同时达到省力和改变方向的目的。由此可见，在线上实验教学中结合信息技术融入社会真实环境，可以让学生充分地认识到物理学科在实际生活中的应用，体会到物理学科的巨大应用价值，促进学生物理意识的生成。

综上所述，在信息技术高速发展的今天，教师应充分利用信息技术赋予物理课堂新思路、新方法，结合信息化手段開展混合模式线上实验教学，提高物理课堂教学的实验效率，强化学生在实验过程中的操作体验，促进学生物理综合能力的发展与提升。

参考文献

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