虛擬實驗室（NOBOOK）融入初中物理實驗教學的實踐

摘" 要：物理實驗不僅可以幫助學生快速理解晦澀難懂的知識，而且能夠拓寬學生的知識面，并提升他們的動手能力，所以物理實驗在物理學習中尤為重要。然而，由于受到各種因素影響，有些學校無法順利開展物理實驗。為此，本文以“測量小燈泡電功率”的實驗為例，介紹虛擬實驗室（NOBOOK）在教學中的應用。

關鍵詞：虛擬實驗室；初中物理；電功率

1" 虛擬實驗室使用背景

《義務教育物理課程標準（2022年版）》指出：“教師要充分發(fā)揮信息技術的優(yōu)勢，將信息技術有效融入物理教學，創(chuàng)新教學方式，提升教學效率。”［1］由于部分學校的實驗器材不足，或者有些實驗存在危險性，難以在物理實驗室中完成，這時虛擬實驗室（NOBOOK）的作用就顯得尤為重要。NOBOOK具有資源豐富、仿真度高、智能化程度高等優(yōu)勢。［2］在NOBOOK這些特性的支持下，學生不再受器材、場地、教師等條件的約束，可以根據自身情況靈活安排學習和實驗的時間，實現多種教學功能，同時可為學校節(jié)省部分教學用具和實驗設備的購置成本。

2" NOBOOK平臺簡介

虛擬實驗室（NOBOOK）是一款專為初高中教師打造的簡單實用的教學工具軟件，它主張讓煩瑣的實驗課變得高效、簡單。它像是一個“會移動的實驗室”，用戶在移動設備上就能模擬物理、化學、生物和小學科學的大部分實驗。NOBOOK物理系列的特別之處在于其背后的“公式算法引擎”，學生可以按照實驗需要調節(jié)電壓、電阻、密度、摩擦力、重力等物理參數，觀察不同參數設置下實驗對象的變化，不僅操作便捷，而且節(jié)省了大量實驗操作所需的時間。

3" 測量小燈泡電功率實驗案例分析

3.1" 教材分析

“測量小燈泡電功率”的實驗是初中物理的重要實驗之一，是“伏安法測電阻”的延伸，也是電功率的拓展應用。教學中，教師可以通過組織學生進行分組實驗，來加深他們對伏安法、額定功率以及實際功率的理解；同時，通過實驗讓學生熟練掌握電壓表、電流表和滑動變阻器的正確使用方法，培養(yǎng)他們的實驗設計能力，提高實驗素質。

3.2" 學情分析

在本課學習之前，學生已經學過電功、電功率以及用伏安法測量電阻的知識，且初步掌握了電壓表、電流表和滑動變阻器的使用方法。然而，他們分析并處理實驗故障的能力相對薄弱，實驗方案的設計、數據的分析處理等能力也有待提高。

3.3" 教學目標

第一，能夠使用電壓表和電流表測量小燈泡在不同電壓下工作時的電功率。

第二，通過實驗的探究過程，加深學生對額定功率與實際功率的理解。

第三，通過實驗探究，讓學生親身體驗小燈泡的電功率如何隨兩端電壓的變化而變化，并探究其變化規(guī)律。

3.4" 教學實踐

3.4.1" 課前導入

問題：將兩個外觀一樣但參數不同的甲燈泡（2.5V，0.3A）和乙燈泡（3.8V，0.3A）接入電路，哪盞燈泡更亮？判斷的依據是什么？

設計意圖：讓學生判斷外觀相同的兩盞燈泡的亮度，學生通常會習慣性地查看參數，大部分學生會認為參數中電壓大的乙燈泡更亮。但問題中提到的情況是將兩盞燈泡接入電路，并沒有明確指出將燈泡接入什么樣的電路。因此，比較結果存在多種可能，可能是乙燈泡更亮，也可能是甲燈泡更亮。這一問題可以激發(fā)學生對燈泡亮度與功率之間關系的好奇心，可以引導學生進一步探索和學習。

教師利用NOBOOK平臺，選好所需的器材并設置好燈泡的參數，并以不同的連接方式將燈泡接入電路，讓學生觀察實驗現象，如圖1、圖2所示。

在上述實驗電路之外，只選擇一只燈泡，連接電路，添加滑動變阻器并移動滑片，讓學生觀察燈泡亮度的變化情況，并思考其原因（見圖3）。

設計意圖：通過移動滑動變阻器的滑片，讓學生觀察燈泡的亮度變化，從而形成對燈泡亮度與功率之間的關系形成初步認知，即燈泡的亮度與燈泡兩端的實際電壓以及通過的電流有關。當實際電壓和電流增加時，燈泡亮度增加；反之，當實際電壓和電流減小時，燈泡亮度減弱。學生還可以利用NOBOOK設置燈泡的參數，進一步探究并對比不同燈泡在相同條件下的亮度，從而更深入地理解燈泡亮度與實際功率之間的關系。這個實驗不僅能夠加深學生對滑動變阻器在電路中作用的理解，還能夠讓學生更直觀地觀察和分析燈泡亮度與實際功率之間的關系，從而激發(fā)他們對物理實驗和電路原理的興趣。

這節(jié)課的導入部分是否成功，會直接影響學生上課的熱情。如果采用常規(guī)的教學方式，常常會遇到如下問題，使教學效果大打折扣。

（1）演示實驗的實驗現象不明顯。NOBOOK平臺通過計算機模擬，可以放大實驗現象，即使是微小的燈泡亮度變化也能被清晰地展示出來。這對于后排學生尤為重要，因為他們可能難以觀察到實際實驗中的細微變化。

（2）可視化不理想。NOBOOK平臺的可視化工具可以調整燈泡亮度，還可以通過顏色變化或其他視覺提示直觀展示滑動變阻器的電阻變化，從而幫助學生理解其工作原理。這種動態(tài)展示使學生能夠更清楚地看到滑動變阻器的電阻是如何隨著滑片位置的變化而變化的，使得實驗現象更加明顯和易于理解。

（3）實驗時間的把控。使用NOBOOK平臺，教師可以快速設置實驗條件，無需實際連接電路、更換燈泡或其他元件，從而大幅縮減了實驗準備時間，這使得教師能夠更有效地控制課堂節(jié)奏和時間。

總的來說，NOBOOK平臺通過提供直觀、動態(tài)和可交互的實驗環(huán)境，幫助教師解決了傳統(tǒng)物理實驗教學中的一些難題，提高了教學效率并改善了學生的學習體驗。

3.4.2" 實驗教學

在復習電功率的公式P＝UI＝Wt＝I2R＝U2R之前，學生已經學過用伏安法測電阻，對于運用電壓表、電流表分別測量電壓、電流已經比較熟悉。教師可利用類比的方法引導學生應用P＝UI測量小燈泡的電功率，并

讓學生思考以下幾個問題：①測量小燈泡電功率需要哪些儀器？②需要記錄哪些物理量？③測幾組數據，能夠比較全面地描述不同電壓下小燈泡的功率變化情況？④滑動變阻器在本次實驗中的作用是什么？⑤實驗過程中，我們需要觀察什么？⑥多測幾組數據的目的是什么？⑦為了減小誤差可以求平均功率嗎？

通過以上問題，教師能夠更有效地引導學生設計實驗及實驗數據記錄表（見表1）。

3.4.3" 實驗操作

教師引導學生打開NOBOOK，選好所需的器材并設置好燈泡的參數（U額＝2.5V），移動滑動變阻器的滑片，測得三組不同電壓下流經燈泡的電流（平臺設置功能也可以設置電壓表、電流表不直接顯示數值，而是讓學生讀數），計算相應的燈泡功率，并觀察燈泡的發(fā)光情況（見圖4、圖5、圖6）。

本次實驗的主要目的是通過比較燈泡的亮度來探究燈泡電功率的變化。在常規(guī)實驗中，由于儀器數量和實驗時間的限制，沒辦法比較同時段同一盞燈泡在不同電壓下工作時的亮度。而NOBOOK可以同時進行三組實驗，學生通過平臺能夠直觀地比較同時段同一盞燈泡在不同電壓下工作時的亮度強弱，甚至還可以通過改變燈泡參數，多做幾組實驗，避免偶然誤差，使實驗數據更有說服力。在實驗過程中，教師還能通過設置功能讓電壓表、電流表不直接顯示數值，以此考查學生對電壓表、電流表讀數方法的掌握情況。

3.4.4" 實驗規(guī)律總結

教師組織學生以小組為單位進行總結，匯總成果，得出結論。

U實＜U額，P實＜P額，燈泡比正常發(fā)光時暗；U實＝U額，P實＝P額，燈泡正常發(fā)光；U實＞U額，P實＞P額，燈泡比正常發(fā)光時亮。

同一燈泡在不同電壓下的亮度是不同的。燈泡的亮暗是由燈泡的實際功率決定的。

3.4.5" 實驗拓展

回答上課前的問題：將兩個外觀一樣但參數不同的燈泡接入電路，為什么串聯時乙燈泡（3.8V，0.3A）更亮，并聯時甲燈泡（2.5V，0.3A）更亮？根據實驗結論可知，串聯時乙燈泡的實際功率更大，并聯時甲燈泡的實際功率更大。

理論推導：短時間內，燈泡溫度變化不大，可近似認為溫度保持不變，所以燈泡電阻受溫度的影響可以忽略不計，燈泡電阻可當作恒定電阻來處理。由小燈泡銘牌上的參數可以比較出它們正常發(fā)光時的電阻大小，即R甲＜R乙。

兩燈泡串聯時，電流相同，由P＝I2R可得P甲＜P乙，即串聯時乙燈泡（3.8V，0.3A）更亮；兩燈泡并聯時，兩端電壓相同，由P＝U2R可得P甲＞P乙，即并聯時甲燈泡（2.5V，0.3A）更亮。

4" 課后反思

“測量小燈泡電功率”的實驗課的主要目的是通過實驗使學生了解電流、電壓如何影響用電器的實際功率，從而加深他們對實際功率的理解；同時，通過對實驗數據進行分析，比較實際電壓和額定電壓、實際功率和額定功率的關系，讓學生更加深刻地理解額定功率和實際功率的區(qū)別，進而掌握燈泡亮度與實際功率的關系。

NOBOOK平臺在本案例中確實帶來了如下優(yōu)勢。①演示實驗可視化。②動態(tài)分析簡單化。

該平臺能夠實時顯示電阻等物理量的變化，使學生能夠直觀地觀察到滑動變阻器滑片移動時電阻的變化，有助于學生理解實驗的動態(tài)過程。③實驗操作簡便化。通過NOBOOK，學生可以快速更換不同規(guī)格的燈泡進行實驗，這不僅節(jié)省了實驗時間，而且使得實驗結果更具普遍性。④解決儀器短缺問題。在實驗儀器有限的情況下，NOBOOK可以提供無限的實驗設備，確保每個學生都能進行實驗操作。⑤電路故障分析教學具象化。NOBOOK允許學生在安全的環(huán)境下嘗試不同的操作，即使出現錯誤也不會有安全風險。教師可以利用NOBOOK這個特性指導學生分析故障原因，提高他們的實驗技能和問題解決能力。⑥培養(yǎng)學生的實驗素養(yǎng)。通過在NOBOOK上的反復練習和教師的指導，學生可以逐步理解和掌握實驗操作，培養(yǎng)他們良好的實驗習慣和素養(yǎng)。

此外，NOBOOK平臺還提供了數據記錄和分析功能，可以幫助學生更準確地記錄實驗數據，進行科學分析，從而提高實驗教學的效果。平臺的互動性和可重復性也為學生提供了更多的學習機會，有助于他們深入理解物理概念和原理。除了本案例，在初中物理實驗教學中還有很多實驗也可以用NOBOOK協(xié)助教學，具體如下。

第一，理想實驗。NOBOOK可以模擬一些現實條件下難以完成或無法完成的實驗，例如聲音在真空中的傳播。真空環(huán)境在地球上難以實現，但NOBOOK可以提供一個理想的模擬環(huán)境，幫助學生理解聲音傳播的原理。

第二，抽象概念的可視化實驗。對于一些抽象的物理概念，如牛頓第一定律（慣性定律），NOBOOK可以通過動畫和模擬實驗，將這些概念以直觀的方式展現出來，幫助學生更好地理解和記憶。

第三，現象不明顯的實驗。有些實驗現象可能因為規(guī)模太小、變化太快或者條件限制而不容易被觀察到，如氣體的浮力。NOBOOK平臺可以通過放大規(guī)模、減慢過程或調整參數，使實驗現象更加明顯，便于學生觀察。

第四，存在安全隱患的實驗。對于一些具有潛在危險的實驗，使用NOBOOK可以確保學生的安全。學生可以在沒有安全風險的環(huán)境中進行實驗，同時學習如何正確進行具有潛在危險的實驗。

5" 結語與展望

NOBOOK將信息技術與物理實驗教學相融合，使得兩者相互促進。［3］

NOBOOK作為一種創(chuàng)新的教育資源，其未來發(fā)展具有多種可能性。筆者希望可以通過NOBOOK提供的低成本或免費的教育資源，助力縮小不同地區(qū)和學校之間的教育差距，提高教育的公平性，同時，更期待NOBOOK可以提供更加真實和精細的模擬效果，增強學生的沉浸感和實驗的體驗感。期望NOBOOK能建立一個開放的實驗數據共享平臺，學生和教師可以訪問和分析來自不同實驗的數據，進行更廣泛的研究和探索；同時搭建一個有效的反饋和評估系統(tǒng)，使學生和教師能夠及時了解學習進度和實驗效果，進行必要的調整。

隨著教育技術的不斷發(fā)展，NOBOOK虛擬實驗室有望成為物理教學中的重要工具，為學生帶來更加豐富、安全和高效的學習體驗。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［M］. 北京：北京師范大學出版社，2022：43.

［2］ 陸楚雅. 仿真物理實驗軟件在初中教學中的應用研究——以NOBOOK為例［J］. 華夏教師，2022（30）：85-87，48.

［3］ 王革，齊海燕.基于NOBOOK虛擬實驗平臺的初中物理實驗教學實踐［J］. 中國現代教育裝備，2021（24）：70-72.