虛擬仿真實驗在高中物理教學中的應用初探
——以理想化模型教學為例

趙永松

(六安市第二中學河西校區 安徽六安 237000)

虛擬仿真實驗創建伊始,就被應用于教育教學,其很好地推進了信息化教學建設,彌補了傳統教學中的不足。相對于受器材、條件、時間、空間等限制的傳統實驗,虛擬仿真實驗只需要用一臺電腦就能完成;虛擬仿真技術的應用,能夠以較低的成本投入達到較好的學習效果,同時其相關資源可以共享,更有利于縮小教育差距。在物理教學方面,虛擬仿真實驗的使用能夠很好地滿足物理教學的科研需求,同時通過教研能夠促進虛擬仿真實驗的應用,為教育教學引入創新思維,兩者相互促進。本研究將虛擬仿真實驗應用于高中物理理想化模型教學中,為教學提供新思路,幫助學生將理想化模型實體化,更有利于學生對理想化模型的理解。

一、虛擬仿真實驗的優勢

(一)實驗內容精彩

借助虛擬仿真實驗將國家產業技術發展中的最新研究成果轉化為基于虛擬仿真的實驗性教學課程,不僅可以保證實驗的內容豐富精彩,還能夠縮短資金投入至教學中的時間,以及適應我們經濟社會快速進步發展對于人才培養的新需求,達到立德樹人的教育目的。

(二)實驗構思巧妙

學生的知識儲備有限,自主預習探究的能力較差。因此在設計虛擬仿真實驗時,往往需要專業人士反復推敲,不斷思索,對于相關課題的中心要義高度凝練,用每個學生都能夠通曉、最一般的教學手段和方法深入地進行課堂教學和實踐,讓每個學生輕松地自主去完成課堂教學,讓老師較容易地組織課堂教學。

(三)實驗技術先進

將大量前沿的專業知識盡可能地轉換為一個個虛擬仿真模型的實驗課程教學,不僅能有效夯實學生的專業基本知識,也可以培養學生充分運用知識解決專業性問題的能力。要想達到培養學生創新能力的目的,必然要讓學生了解高層次知識,接觸高水平的技術。

(四)實驗評價客觀

學生在完成實踐后所收到的實驗技術能力的評估是實現虛擬仿真教學課程項目的設計工作中最為重要的組成部分。在虛擬仿真實驗課堂的教學設計中,教師要全面評估學生從實踐中獲取到的知識、技術、素質情況,以及學生在該課程學習中需要提升的各種綜合技能和素質情況。每個虛擬仿真實驗課堂教學都包含了相應的組成部分,并通過合理的建模方式,自動生成對學生實驗技術和能力的客觀評估。

(五)形象展現抽象

一些實驗裝置的內部結構和形狀是看不見的,但可以借助虛擬仿真實驗呈現。例如大型加速器內部結構,微觀粒子運動規律等,可使用虛擬仿真實驗進行形象展現。

二、虛擬仿真實驗在高中物理理想化模型教學中應用的可行性

(一)經濟可行性

經濟可行性主要分析成本和效益,即對虛擬仿真實驗投入物理教學是否合理進行評估。

相關技術、框架、平臺都是免費的、開源的,只需要一臺電腦。在應用時,師生通過瀏覽器即可完成對虛擬仿真實驗的訪問與操作。開發后的平臺,既可促進信息化校園建設,又可作為實用工具供師生學習理想模型等物理學科內容,大大提高效率;浸入式虛擬仿真實驗同樣可以促進師生學習,這雖然需要一定的投入,但浸入式虛擬仿真實驗設備并非只可針對一個實驗使用,可以通過調節相關參數達到“一器多用”。相比于傳統實驗教學模式,負擔更低,效益更高。

(二)技術可行性

技術可行性分析主要分析現有人力、物力等因素能否完成虛擬仿真實驗為理想模型教學服務的相關工作,其目的是防止虛擬仿真實驗淪為“形象工程”,帶來因技術問題導致的無法正常開發或使用,從而造成巨大的損失。

在開發者層面,虛擬仿真實驗及相關技術的開發、運營、培訓等工作有專人負責,而且相關工作已開展多年,有一定的經驗基礎支撐。部分信息技術特長教師也可進行虛擬仿真實驗的開發工作;在應用層面,相關部門完善對教師的信息化教學相關培訓工作體系,已經開展相關培訓多年。新時代教師隊伍改革中就明確指出了教師要主動適應信息化、人工智能等新技術變革,積極開展教學。

(三)操作可行性

操作可行性分析側重于兩個方面,一是學生的使用體驗,二是虛擬仿真實驗與理想化模型教學是否適配。

在多年的信息化教學資源開發中,有許多學者對其展開研究,剖析了平臺設計、建設與應用的一系列原則。雖然參與虛擬仿真實驗系統開發的主體不是教師團隊,但是基于現有的研究和一線教師經驗,其設計可以既符合促進學生知識學習,又符合現有的師生信息技術能力,大多較為簡單、便捷。較為復雜的習題和操作,往往配有操作手冊與視頻,極其細致。師生在操作過程中遇到困難可以自行解決,極大地便利了操作。

傳統的理想模型建構過程大多發生在學生的思維活動中,虛擬仿真實驗可以借助其交互性幫助學生完成思維活動,進一步鞏固提升。虛擬仿真實驗很好地彌補了傳統理想模型教學中出現的缺陷,將二者結合起來進行教學是可行的,有益的。

三、虛擬仿真實驗在高中物理理想化模型教學中應用的必要性

(一)培養創新性人才的必要方法

為滿足我國對創新性人才的需求,中學需要借助實驗教學對學生創新性和動手能力進行培養,理想化模型雖本身并不存在,但它是認識事物和總結規律的必然產物。虛擬仿真實驗極大地方便學生認識事物和總結規律的過程,將二者結合起來有利于改革實驗教學,培養創新性人才。

(二)改進傳統教學的必經之路

在虛擬仿真實驗教學中,學生不僅可以保證自身安全,而且在仿真環境中有效地學習和練習,這不僅節省了大量的時間和金錢,而且可以有效提高實踐和創新能力。同時虛擬仿真實驗也為教師開展理想化模型教學提供新方法,便于其開展教研工作。

(三)推進信息化教學的重要一環

信息化教學已經成了新時代教學的顯著特征,物理教學也應與時俱進。理想化模型教學的特點,使它非常適合借助現代教育技術開展教育教學,虛擬仿真實驗很好地解決了傳統教學的弊端。因此,將虛擬仿真實驗應用于高中物理理想化模型教學能夠推進信息化教學,符合時代發展需求。

四、基于虛擬仿真實驗的理想化模型教學案例研究

在傳統的理想化模型教學中,有些條件、對象和過程是現實場景難以展現的,借助虛擬仿真實驗可以很好地解決這些問題。筆者選用NOBOOK虛擬仿真實驗作為教學資源進行“牛頓第一定律”設計。

(一)借助虛擬仿真完成實驗

演示實驗:

球從斜面相同高度處下落,斜面末端分別放著毛巾、絲巾和桌面,讓學生仔細觀察現象并思考以下問題:實驗現象是什么?說明了什么問題?如果沒有摩擦力的作用,球將會如何運動?

本實驗可以借助實物實驗很好地呈現,且同學們有相關的經驗,但在進一步遷移到沒有摩擦力的情況時就難以實現,借助虛擬仿真實驗便于更直觀地呈現出如果沒有摩擦力的作用,球將會一直運動下去。

理想實驗:

物理學史及伽利略理想實驗教師活動學生活動 理想實驗(虛擬仿真實驗)釋放小球將軌道的傾角減小繼續減小傾角當傾角為0時【理想實驗】觀察與思考1.不同傾角下小球的運動路程有何變化?2.當傾角為0是,小球將如何運動?小結:伽利略根據“理想實驗”判斷小球應該以恒定的速率永遠運動下去。由此可知,在水平面上做勻速運動不需要外力維持。理想實驗是研究物理問題的重要方法。教師通過講解與演示介紹伽利略是如何反駁亞里士多德的觀點教師演示仔細觀察演示實驗,體會理想化實驗學生思考分析

學生實驗:

【學生實驗】使用現代教育技術虛擬仿真實驗創造無摩擦情境:進行氣墊導軌實驗,讓學生觀察滑塊的運動狀態。根據實驗數值判斷滑塊做什么運動。滑塊做勻速直線運動小結物理學史,引導學生得出根據直接觀察所得到的直覺結論是不可靠的。教師輔助實驗學生實驗,觀察分析、總結

(二)案例分析與總結

在本案例中,虛擬仿真實驗應用于條件理想化模型中,再現了伽利略的理想實驗、演示了無外力作用下小車的運動,取得了一定的教學效果。從整個教學過程來看,虛擬仿真實驗增加了學生在理想化模型中的活動,學生建構理想化模型的效果較傳統教學更好,主要體現在對學生能力和思維的培養方面。當然,虛擬仿真實驗的引入也存在不足,需要前期對學生的虛擬仿真實驗操作能力進行培養,對學生的信息技術能力有一定要求。