信息技術環境下虛實結合的中職物理實驗教學模式的構建

房海濱

摘 要：中職物理實驗教學在培養學生物理觀念、科學思維和科學態度等方面有著非常重要的作用，但受限于教學時間和教學條件，傳統物理實驗難以滿足教學需要。本文闡述了如何基于教學實踐，構建以傳統物理實驗為先導、以數字化物理實驗為突破、以虛擬仿真實驗為補充的虛實結合的物理實驗教學模式的具體途徑，以期創設高效課堂，進而提升學生的職業素養。

關鍵詞：物理實驗? ? 數字化實驗? ? 虛擬仿真實驗

物理是中職學校很多工科類專業的必修課，是專業學習的重要基礎。通過物理實驗教學可以培養學生的物理觀念、科學思維和科學態度，這些核心素養會直接影響專業課程的教學，因此物理實驗在物理教學中有著不可或缺的作用。但由于傳統的物理實驗過程較為復雜，測量及數據處理效率低，占用教學時間長，所以很多中職學校物理教師不愿開展實驗教學，而是以理論教學和機械化訓練取而代之。這樣做不僅使物理教學失去了根基，而且也容易導致培養出來的學生高分低能。隨著互聯網的發展，運用現代信息技術完全可以破解這一教學難題，通過借助高靈敏度傳感器及計算機處理軟件、虛擬仿真實訓軟件等可以還給學生一個既精彩生動又高效的物理課堂。

一、傳統物理實驗的困境

（一）傳統物理實驗的設計原理存在缺陷

由于受到早期技術手段的限制，一些傳統的物理實驗在設計原理上存在缺陷，比如“探究加速度與力的關系”實驗，傳統實驗過程如下。

步驟一：用天平測量小車的質量。步驟二：將小車放置在長木板上，紙帶穿過打點計時器后固定在小車尾部;墊起長木板的一端，輕推小車，觀察打點計時器上各點間距離，調整木板墊起的高度，使小車勻速下滑，紙帶上打出的點間距相等。步驟三：將細線固定在小車的前端并跨過長木板頂端的定滑輪，在細線末端懸掛砝碼，將小車拉至長木板的末端，打開打點計時器，釋放小車，使砝碼牽引小車運動。步驟四：改變牽引小車的砝碼數量，重復步驟三，完成4～5組測量。步驟五：分析實驗數據，做出a-F圖像。

該實驗的設計有兩個缺陷：一是通過傾斜長木板讓小車在無拉力時做勻速直線運動，用小車重力的下滑分力抵消其受到的長木板的摩擦力。但在實驗過程中，小車除了要受到長木板的摩擦外，打點計時器對紙帶的摩擦也是不能忽略的，而且隨著運動速度的變化，相同距離上打點的次數不同，紙帶所受的摩擦力會有所變化。二是該實驗將砝碼的重力作為小車做勻加速運動的合外力，通過改變砝碼數測出合外力變化對加速度的影響。但在實驗過程中，砝碼和小車同時做勻加速運動，砝碼對小車的拉力小于砝碼的重力，用砝碼的重力大小作為小車的合外力會導致實驗產生系統誤差。

（二）傳統物理實驗的測量技術落后

隨著科學技術的發展，現代測量手段日新月異，而傳統物理實驗中常采用的彈簧秤、打點計時器、指針式電流表、電壓表、萬用表等不僅測量精度低、測量效率低，而且只能對持續穩定的物理量進行測量，如果被測量的為瞬時值或變化值，則測量會出現困難，實驗受到較大局限。

（三）傳統物理實驗的實驗內容受限

中職學校的傳統物理實驗主要涉及力與運動、直流電路和幾何光學，而涉及電場、磁場、物理光學、熱學和原子物理的一些著名實驗由于受條件限制無法進行，學生只能通過觀看視頻去了解相關內容，而無法主動參與、探究，難以發揮學習的積極性和主動性。

二、構建虛實結合的物理實驗教學模式

（一）以傳統物理實驗為先導

中職階段學生所學習的物理知識大多是建立在傳統物理實驗的基礎上的，所以在教學初始階段重復前人的實驗可以幫助學生建立物理模型、形成物理概念、掌握物理研究方法。比如，“勻變速直線運動的研究”實驗，采用傳統物理實驗方法雖然測量過程煩瑣、測量精確度不高，但學生可以通過打點的紙帶直觀地看到相同時間內位移的變化，并通過自己動手測量、計算找到勻變速直線運動的規律，建立“加速度”這一物理概念。

傳統物理實驗方法在信息化高度發達的今天雖然看上去有點“笨”，但它更直觀、感性，更易于被初學者接受和理解。所以針對力學、電學中的基本概念、基本規律的驗證性實驗，在實驗過程不復雜、實驗誤差不大的情況下，可以選擇使用傳統物理實驗方法進行教學。

（二）以數字化物理實驗為突破

數字化物理實驗主要以各類傳感器作為實驗測量工具，通過數字采集器可以將傳感器數據直接輸出到儀表中讀出，也可以輸出到計算機中通過軟件處理生成所需的圖表或圖像，供實驗者研究。有些數字化物理實驗可以彌補傳統物理實驗原理上的缺陷，有些可以提高測量的精度和效率，有些可以將瞬態物理過程完整保存，使物理實驗教學變得可靠、簡單、高效，解決了物理實驗教學的種種難題。

1.彌補設計原理的缺陷

還是以 “探究加速度與力的關系”實驗為例。在數字化物理實驗中，教師對測量手段進行了創新。一是用速度傳感器取代了原來的紙帶和打點計時器，用來測量小車的運動速度;二是將拉力傳感器連接到小車前端測量小車受到的真實拉力。這樣，在傳統物理實驗中，紙帶與打點計時器之間的摩擦力不存在了，小車在加速運動中受到的實際拉力大小也可以準確測量出來，從而彌補了傳統物理實驗中的兩個設計缺陷。

2.可實現變量的連續測量

在很多物理實驗中，被測量的物理量是變化的，傳統物理實驗只能選擇一些不連續的狀態進行測量，不能對變化的全過程進行連續測量。如“測電源電動勢和內阻”是一個設計性實驗，由閉合電路歐姆定律可知：E=I（R+r），即E=U+Ir。

可以通過改變外電路的電阻R得到不同的U和I值，做出U-I曲線，再根據曲線在縱橫軸上的截距計算出電動勢E和內阻r。使用傳統物理實驗方法只能調節滑動變阻器測量幾個固定值，通過描點作圖得到圖像。如果用數字化物理實驗方法，分別用電流傳感器和電壓傳感器取代電流表和電壓表進行測量，則可以移動滑動變阻器的滑片，連續測量出在此過程中電流和電壓的值，將測量信號輸入計算機，通過軟件計算可以直接得到U-I曲線，增加了實驗的可信度。

3.測量并留存瞬態過程

有些物理現象是瞬態過程，傳統物理實驗只能定性分析，難以定量測量。例如，在電磁感應現象的研究中，由于電磁感應發生在穿過閉合電路的磁通量發生變化的瞬間，所以傳統物理實驗只能通過靈敏電流計的偏轉來定性判斷是否有感應電流，不能準確進行測量。如果改用數字化實驗，使用套疊的兩個螺線管來進行實驗，小螺線管通過滑動變阻器接電源，并串聯電流傳感器，大螺線管接電壓傳感器，則移動滑動變阻器的滑片，電流和電壓傳感器就能敏銳地捕捉電流變化過程中產生的感應電動勢，并將這一瞬態變化過程測量數據輸入計算機永久保存。學生通過改變滑動片移動的速度，就可以定量比較不同情況下的電流變化率和產生的感應電動勢之間的關系，從實驗中總結出電磁感應定律。

4.提高實驗效率

打造高效課堂一直是教學改革的方向。數字化物理實驗借助傳感器和計算機軟件，能夠快速、準確地獲取更多的測量數據，并對測量數據進行自動處理，得出所需圖或表，大大提高了實驗效率。學生在通過傳統物理實驗建立起基本的物理概念和邏輯思維后，可以用數字化物理實驗取代傳統物理實驗，節約了寶貴的教學時間，提高了課堂教學效率。

（三）以虛擬仿真實驗為補充

無論是傳統物理實驗還是數字化物理實驗，都是在真實環境下進行的。由于受教學時間和實驗條件的限制，有些實驗雖然對教學很有幫助，但沒有辦法實地開展或者在實際環境中實驗效果不好。例如，電荷間的相互作用，需要利用庫侖扭秤來進行測量，但在中職課堂上顯然不具備這個實驗條件。又如，洛倫茲力、光的干涉與衍射、原子核的裂變與聚變等，在中職學校的實驗室也都無法完成。

對于以上通過傳統物理實驗或數字化物理實驗難以收到理想效果但對于教學有幫助的實驗，可以利用虛擬軟件來進行。虛擬仿真實驗不僅打破了實驗場所、環境條件等的限制，而且方法簡單有效、實驗效果明顯，在輔助教學方面能收到事半功倍的效果。下面列舉幾款常用的仿真實驗軟件。

1.NB物理實驗

這是北京樂步教育科技有限公司2016年上線的NOBOOK虛擬教學軟件中的一款，幾乎囊括了所有中學物理實驗，電腦端和手機端均可在線使用或下載脫機使用，既方便教師進行教學演示，也方便學生主動探究。以光電效應實驗為例，學生可以通過改變照射光的頻率、改變照射光的強度、改變被照射的金屬種類等手段進行自主探究，觀察驗電器偏轉角的變化，判斷逸出光電子的數量，得出光電效應規律。

與此類似的還有輝合智能開發的物理虛擬仿真實驗平臺、萌科VR教育開發的沉浸式VR智慧教室以及單機版的仿真物理實驗室等平臺或軟件。

2.Proteus軟件

這是英國Lab Center Electronics公司開發的EDA工具軟件，具有27 000多個電路元件、多種激勵源、13種虛擬儀器和生動的仿真顯示功能，能讓教師在電學的教學中游刃有余，還可以訓練學生自主構建電路的能力，有利于培養學生獨立實踐的能力和創新思維。

三、小結

中職教育的目標就是要培養高素質的技術技能型人才，因此，中職學校要將課程設置與學生職業能力的培養充分融合。在物理實驗教學中，采取傳統物理實驗、數字化實驗和虛擬仿真實驗相結合的教學模式，可以讓學生盡早接觸傳感器、仿真軟件、數據分析軟件等實際工作崗位中常用的技術手段，既能創設高效課堂，也有利于提升學生的職業素養。

參考文獻：

程新陽.高中物理數字化實驗與傳統實驗的對照研究[J].中學課程輔導（教師通訊），2018（12）.

（作者單位：安徽交通中等職業技術學校）