物理線上實驗教學的實踐與思考

任冠航

（蘇州市高新區實驗初級中學，江蘇 蘇州 215161）

混合模式下的物理線上實驗教學主要指利用多媒體、虛擬現實等信息技術手段，為學生創造傳統實驗的虛擬環境，讓學生可以在多媒體設備上獲取直觀的實驗體驗。采用線上實驗教學模式是針對傳統實驗條件缺失的有效轉變，可以避免傳統實驗存在的安全及污染等問題，同時強化人機之間的交互操作，呈現清晰、直觀的實驗結果。

一、線上實驗教學概述

線上實驗教學不同于傳統實驗教學，更加注重學生在學習中的主體地位，需要有意識地尋找線上操作與傳統實驗的對照步驟，明確每個虛擬操作所對應的物理知識。虛擬實驗過程應強化教師的引導，注重課堂交互性，引領學生結合虛擬實驗進行深度探究。虛擬實驗設計應滿足適應性原則，貼近學生的認知特點及課堂教學需求，拓展學生認知空間。

（一）主體性，引導積極參與

主體性是課堂教學的首要原則，要求學生作為教學的主體對象，在課堂學習中實現自我知識建構。因此，教師應尊重學生的主體地位，在利用虛擬實驗資源設計混合式課堂時充分考慮學生的主體地位，高效利用虛擬實驗環節，增強學生參與實驗的主動性，提高他們對物理學習的積極性。

通過生活問題的導入，創設問題情境可以有效提升學生參與課堂學習的積極性。比如，在學習“浮力”這一小節時，教師可以提出問題：“怎樣才能讓沉于水下的雞蛋漂浮起來？”通過該問題創設問題情境，學生的探究熱情得到充分激發，從而會積極參與到虛擬實驗中。在學習浮力的相關知識點后，學生認識到物體的浮沉與其所受合力密切相關，當浮力大于重力時才能達到漂浮狀態，因此想讓沉于水底的雞蛋漂浮則應想辦法增加其所受浮力。進而聯想到浮力的大小不僅與排開液體的體積有關，還受到液體密度的影響，提高液體的密度就可以加大雞蛋的浮力。所以學生在虛擬實驗平臺中將食鹽加入燒杯中，可以觀察到液體密度讀數不斷上升，雞蛋也逐漸上升。根據主體性原則設計線上實驗課堂，可以有效地激發學生的學習動力，使其在自主探究中感受物理規律。因此，教師應關注學生的課堂積極性，貫徹主體性教學原則，設計線上虛擬實驗教學課堂，促進學生在虛擬操作中強化物理知識體驗。

（二）交互性，實現深度探究

在線上虛擬實驗課堂中，學生容易沉浸在虛擬實驗操作過程中，缺少課堂上的互動會導致學習浮于表面。因此，教師應有意識地強化虛擬實驗設計中的交互環節，在虛擬操作中加強人機交互，為學生提供正確的指引，促進學生深入思考。

在虛擬實驗中插入問題引導是常見的交互性設計方法。比如，在學習“探索更小的微粒”這一小節時，需要學生能夠深度理解物質的組成微粒，并掌握其結構形式，開展線上微粒探索實驗。虛擬實驗平臺為學生提供的宏觀物質包括鉛筆芯、金剛石、液體水等，實驗操作包括選中物質并放大觀察兩個環節。在虛擬實驗平臺中設置相應的交互問題，如在學生點擊水并進行放大后，首先會觀察到水分子的組成，包括一個氧原子及兩個氫原子，進一步放大后彈出提示問題：“在該結構中顯示的幾種分子分別屬于哪種微觀粒子？”在觀察鉛筆芯的微觀結構時彈出提示問題：“鉛筆芯的主要組成成分是哪種物質？其微觀結構與水分子有何不同？”

在上述實驗過程中，教師通過問題的形式與學生展開有效互動，強化了課堂中的交互環節，為學生的實驗提供了探究方向。在問題指引下，學生深入分析虛擬實驗平臺呈現的交互現象，理解其蘊含的物理變化原理。

（三）適用性，拓展認知空間

適用性是混合模式下開展線上虛擬實驗教學的特殊性質。由于線上實驗教學的局限性，教師應注重線上實驗教學的內容選取，將其作為傳統實驗教學的補充，拓展傳統實驗難以開展的教學資源，從而實現學生認知空間的拓展。

比如，在學習“聲音是什么”這一小節時，需要學生理解聲音產生的原因及聲音傳播的條件，已知真空不能傳聲，但是課堂中很難通過實驗驗證這一特性。因此，通過虛擬實驗的方式引導學生探究聲音傳播的條件。在虛擬實驗平臺為學生提供真空罩、鬧鐘及抽氣機設備。首先設置鬧鐘，然后用真空罩將鬧鐘罩住，利用抽氣機將真空罩內部的空氣抽出，在虛擬實驗平臺中觀察讀數直到真空罩內的空氣完全排出，之后等待鬧鐘時間到后觀察是否有聲音傳出。在完全排出氣體及不排出氣體兩種條件下的實驗對比中，學生發現真空罩內完全沒有空氣后聲音不能傳播。

二、線上實驗教學的類型

混合模式下的線上實驗教學根據不同實驗的開展方式可以分為虛實結合、虛擬演示及模擬操作等三種主要類型，它們與課堂操作及物理實驗現象演示相輔相成，充分發揮線上平臺的優勢，開闊學生的物理視野并強化實驗感受。

臨床在不斷的研究實踐中指出，對于早期急性心肌梗死患者的治療，關鍵在于在較短的時間內，快速恢復患者受阻血管的血液供應，積極改善患者的心室功能和心肌功能[6]。目前臨床上常用的再灌注治療手段主要有經皮冠狀動脈腔內成形術和靜脈溶栓兩種，這兩種再灌注治療方式在早期急性心肌梗死患者的治療中均表現出了較大的臨床優勢，但是由于經皮冠狀動脈腔內成形術在治療過程中不僅對醫療條件有較高的要求，同時還需考慮到患者的身體是否能夠耐受，因此該治療方式并不適用于大范圍進行推廣應用[7-8]。

（一）虛實結合，相輔相成

虛實結合類實驗是指將線上、線上平臺與實際實驗過程相結合，教師首先在線上平臺發布實驗任務，引領學生討論并設計實驗驗證過程，之后在實驗室中基于自主設計的實驗流程開展自主實驗，在實驗中獲取最直觀的實驗體驗。

虛實結合類實驗通常用于可以在線下真實開展的實驗，兩者相輔相成，強化實驗學習效果。比如，在學習“密度”這一小節時，首先教師在線上學習平臺提出問題：“同種物體的質量和體積有什么關系？不同物體的質量又有怎樣的關系？如何設計實驗驗證？”在問題指引下，學生設計實驗，利用量筒測量物體的體積，利用天平測量物體的質量，得出數據后對其關系進行分析。結合上述實驗設計，教師引領學生在實驗室中開展真實實驗，學生根據自主設計的實驗過程，通過量筒和天平分別測量不同大小的相同物體的體積和質量，發現兩者呈現正比例關系，之后對比不同物體發現其表現為比例系數不同，從而引出密度的概念。虛實結合的實驗教學模式可以充分發揮線上平臺的作用，讓學生對實驗有初步的了解，進而在真實實驗中對自己的想法進行驗證。

（二）虛擬演示，開闊視野

虛擬演示實驗主要針對在真實場景下難以完成或者實驗現象不明顯的實驗，通過線上演示，讓學生對實驗現象有直觀的印象，進而在教師引導下對實驗現象展開分析，獲得相應的物理結論，開闊學生的物理視野。

比如，在學習“磁體與磁場”這一小節時，磁場是一種肉眼不可見的物理概念，為了強化學生對這一概念的理解，利用虛擬演示方法在線上平臺給出不同磁鐵的磁場分布特性。基于線上實驗平臺進行虛擬實驗演示，可以將抽象的物理概念具象化，讓學生獲取對相關概念的直觀體驗，從而達到開闊視野、提升物理綜合素養的教學目的。

（三）模擬操作，深化體驗

模擬操作實驗是基于現代信息化設備才能開展的一種模擬實驗操作過程，它能兼具虛擬實驗及真實實驗的特點，讓學生在線上平臺通過鼠標點擊拖動等操作模擬真實的實驗過程，從而獲得更具可見性的實驗體驗，深化對物理實驗原理的認知。

在模擬操作實驗中，教師應準確地講解在線上平臺每一種操作對應的物理含義。比如，在學習“聲音的特性”這一小節時，需要學生通過實驗觀察總結得出聲音的特性。學生在線上平臺模擬操作過程中不僅直接聽到了不同種類的聲音，還了解了麥克風及示波器的功能，通過頻率值大小與感受到的聲音，對其特性有了深刻的體驗。

三、線上實驗教學的策略

混合模式下開展線上實驗教學應充分發揮兩種模式的教學特點，聚焦核心素養的培養需求，靈活轉變教學策略，提升線上實驗教學的效率。

（一）調動視聽感官，形成學科觀念

學科觀念是指學生能夠對物理現象及概念建立正確的認知觀念，形成具象化的物理模型，能夠準確地辨別問題及生活現象中的物理元素。在初中階段，學科觀念的形成應以感性經驗為主，學生通過視聽感官，獲取親身體驗，促進抽象觀念的形成。

比如，在學習“探究凸透鏡成像的規律”這一小節時，教師基于虛實結合的方法開展實驗教學，調動學生的視聽感官，獲取凸透鏡成像的直觀印象。教師在線上平臺上布置問題：“凸透鏡又叫作放大鏡，它除了放大之外，可以將物體的像縮小嗎？”教師設計實驗探究凸透鏡在不同條件下的成像效果，使學生聯想到凸透鏡對光線的匯聚效果。在實際實驗操作中，學生作為實驗的設計者及參與者，視聽感官被充分調動，獲取真實的實驗體驗，從而基于實驗現象分析得出對應的物理學規律，掌握物理概念，形成學科觀念。

（二）對比具體數據，發展科學思維

對比推理不僅是重要的學科素養，還是一種科學的實驗方法。控制變量法就是最基本的一種實驗方法，用于對比分析在不同條件下的實驗結果。因此，教師在開展混合模式線上實驗教學時應注重實驗數據的收集整理，引領學生對比分析，發展其科學思維。

線下實驗由于設備的局限性，在對比實驗時難免會面臨阻礙，而線上虛擬實驗可以靈活地設定器材參數，獲取更多的對比數據。比如，在學習“歐姆定律”這一小節時，設計實驗令學生記錄實驗數據，經歷歐姆定律的得出過程。在線上實驗平臺為學生提供滑動變阻器、干電池若干、電壓表及電流表四種器材，之后按照控制變量法設計實驗，在保持變阻器不動的條件下增多電池節數，對比電源變大后讀數變化，接下來則保持電源不變，調整滑動變阻器，觀察在不同電阻下的讀數。通過對比分析不同對照組實驗驗證得出R=U/I的結論。在上述實驗過程中，學生根據控制變量法，單獨修改某一種實驗參數，將其作為對照組實驗與基礎實驗結果進行對比。在這一過程中，學生不僅掌握了控制變量法的實驗原理，還了解了對比分析的科學推理能力，對發展學生的科學思維有著積極的意義。

（三）融合社會環境，滲透責任意識

隨著科學技術的發展，物理學科對自然環境及社會生活的影響也越發重要。滲透責任意識，讓學生形成正確的物理價值觀念，成為核心素養培育的重要需求。在實驗教學中，教師應結合線上平臺，融合社會環境，讓學生充分認識到物理學科的社會價值。

利用線上信息設備展示物理實際應用場景，可以有效地培育學生的應用能力。比如，在學習“滑輪”這一小節時，首先通過視頻展示定滑輪的應用，如升旗手向下拉繩子，國旗向上移動；動滑輪的應用，如貨物起重機應用。在學生觀看視頻后，教師提出問題：在兩種場景下，滑輪分別起到了什么作用？之后引導學生設計實驗，對問題進行驗證。通過實驗探究，學生發現兩種滑輪具有不同的功能：第一種可以改變力的方向，第二種則可以省一半的力但是不能改變其原始方向。通過線上實驗平臺對實驗設備進行受力分析得出上述結論。再進一步對實驗設計進行改進，將兩種滑輪組合使用則可以同時達到省力和改變方向的目的。由此可見，在線上實驗教學中結合信息技術融入社會真實環境，可以讓學生充分地認識到物理學科在實際生活中的應用，體會到物理學科的巨大應用價值，促進學生物理意識的生成。

綜上所述，在信息技術高速發展的今天，教師應充分利用信息技術賦予物理課堂新思路、新方法，結合信息化手段開展混合模式線上實驗教學，提高物理課堂教學的實驗效率，強化學生在實驗過程中的操作體驗，促進學生物理綜合能力的發展與提升。