基于“央館虛擬實驗”與NOBOOK虛擬實驗的高中物理教學探討

摘 要：虛擬實驗有效融合于高中物理教學是信息時代下教育改革與發展的產物，相比部分傳統的高中物理實物實驗受實驗條件和環境等因素的限制完成度不佳的情況，虛擬實驗在實驗現象、操作、呈現方式、成本等方面都凸顯了優勢。在“央館虛擬實驗”與NOBOOK虛擬實驗兩個平臺基礎上研究虛擬實驗在物理教學中的策略，對比新課標匯總適合高中物理必做實驗探究的虛擬實驗資源，搭建虛擬實驗與傳統實驗相結合的簡易混合式教學模式，并應用于真實物理教學案例，以生為本收集反饋信息，對研究結果進行分析，從而優化實驗教學，為教學質量的提升與學生實驗探究能力的培養提供新思路。

關鍵詞：高中物理;實驗探究;“央館虛擬實驗”;NOBOOK虛擬實驗

1 虛擬實驗在高中物理教學中存在的意義

高中物理新課標指出，引導學生進行科學實驗，培養學生科學思維和探究能力的學科核心素養能力，是物理教學中應重視的問題。物理學科實驗是核心，無論實驗類型的不同、實驗目的和方法的區分，實驗器材與操作的差異，創造最佳的條件讓學生參與其中，親身體驗物理實驗探究過程的魅力是最重要的。

1.1 傳統實物實驗存在的問題

傳統的高中物理課堂中會存在受實驗條件和實驗環境等因素的限制而出現實驗探究無法正常完成的情況。實驗現象細節上：因時空限制無法觀察和控制，類似電流、電場、磁場等實驗現象抽象，微觀、熱輻射等實驗細節不突出，實驗變化現象太快難以觀察，變化太慢難以在課堂開展。實驗操作上：實驗誤差大，準備繁瑣，材料獲取困難，實驗過程有危險性。實驗設備上：實驗器材舊化，怕學生實驗操作不當損壞儀器。實驗呈現方式上：光學、電學實驗在教學中缺乏直觀的表現形式，可視性不夠，實驗數據保存難度大，無法留痕。

1.2 信息技術環境下虛擬實驗應運而生

《教育信息化2.0行動計劃》指出，運用現代信息技術推動教育改革與發展，培養適應未來信息化社會的人才，是新時代教育的產物;《教育信息化十年發展規劃（2011-2020）》從宏觀戰略高度提出要發揮信息技術與教育教學深度融合的優勢[ 1 ]，破解制約教育發展的難題;“2018教育部工作會議”提出虛擬仿真列為重點建設的五大類型“金課”之一，并著手開展全國虛擬仿真教學工程的建設工作。隨著“中小學虛擬實驗教學服務系統”正式上線，《虛擬仿真實驗教學課程建設與共享應用規范》的發布，以及常規線下教學活動受新冠肺炎疫情的影響，并通過一系列信息技術輔助教學文件的解讀，為虛擬實驗的開展與應用提供了條件。將虛擬實驗作為輔助平臺合理、恰當地融入到教學實驗過程中，能夠與傳統實驗相得益彰，發揮其最大效用，從而優化實驗教學，為教學質量的提升提供新思路[ 2 ]。

1.3 虛擬實驗在高中物理教學中的價值

目前較為普遍使用的中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統（下文簡稱“央館虛擬實驗”）、NOBOOK虛擬實驗平臺、VR虛擬實驗、DISLAB數字信息系統實驗等智能技術，為學生創造了豐富的實驗資源，每位學生參與到實驗的設計和探究過程中，新鮮感十足，積極性滿分。虛擬實驗的開發與利用，為物理實驗探究在實際操作中減小誤差，增強實驗教學的互動性，營造更安全的教學氛圍，創造了生動直觀、形式多樣的教學環境，突破了時間與空間的限制，讓一些不可及不可逆的實驗操作成為可能。如：解決實物實驗無法達到的真空的問題，通過虛擬實驗模擬真空條件，直達實驗本質，幫助學生理解實驗原理。通過虛擬實驗模擬電磁、電場、天體問題等，突破抽象的、課堂無法操作、現象不易直觀呈現的實驗問題，拓寬實驗探究場景，減少實物實驗器材的損耗，提高課堂教學的效率。

2 “央館虛擬實驗”與NOBOOK虛擬實驗在高中物理教學應用中的策略

“央館虛擬實驗”與NOBOOK虛擬實驗平臺享有優質的實驗教學資源，可根據不同教材版本和知識點檢索，配有多模塊的課程實驗測試和同步教學練習，同時展示優秀的應用案例。“央館虛擬實驗”配有演示實驗、實拍實驗、3 D課件、VR課件等資源，將3 D、AI、VR前沿科技融合于實驗探究。NOBOOK虛擬實驗中高中物理精品實驗部分主要由若干個獨立的實驗模塊組成，支持手機、電子白板、電腦、平板和電腦一體機等設備使用，以力學、電學、磁場、電磁感應、光學、熱學和原子物理為主，兩個虛擬實驗平臺仿真結果直觀、真實和自然[ 3 ]。

虛擬實驗環境通過教師活動、教學過程、學生活動三個方面展開教學，搭建虛擬實驗教學與傳統理論分析結合的教學模式，如圖1所示。針對某一個教學活動設置四個環節：教學過程教師創設問題情境，設置探究問題，利用情境設問激發學生探究的興趣;教師在自主設計實驗探究環節中進行方法指導，提供NOBOOK物理虛擬實驗平臺，學生通過自主設計實驗方案，觀察實驗現象，收集數據信息等方式，為下一步的理論分析提供借鑒和參考;教師在理論分析與交流協作環節中將理論推導與實驗探究相結合;最后總結提高，得出結論。這種理論推導與虛擬實驗探究相結合的教學模式，可以激發學生學習物理的興趣，完善學生知識和能力體系，也是學生物理學科實驗探究核心素養培養的重要體現[ 4 ]。

表1列舉了高中物理新課標必修以及選擇性必修課程中學生必做實驗，與“央館虛擬實驗”和NOBOOK虛擬實驗平臺資源進行匯總對比，旨在高中物理教學中應用物理虛擬實驗展開教學，突破教學中的重難點，解決一些抽象物理概念、原理學習過程中的困難。除了新課標中要求的學生必做實驗，虛擬實驗平臺也提供多種實驗探究方法供學生選擇學習。例如，除了傳統的斜面實驗外，在探究a與F、m的關系中，還利用DIS傳感器、氣墊導軌等對牛頓第二定律進行研究;不容易在“靜電場”章節中呈現的實驗，可以在虛擬平臺找到素材。

如表2所示，教學中引用高中物理虛擬實驗進行融合的知識點與學科核心素養微能力點有機結合，還原一些理想化的實驗探究，教學過程學生參與虛擬實驗探究，自主式設計實驗，修改實驗參數，及時呈現實驗數據，給學生感性認識提供支撐，有助于科學思維能力與實驗探究能力的核心素養在物理教學中的滲透。

3 虛擬實驗在高中物理教學應用中的案例分析

以高二物理“光導纖維及其應用”一課為例：

【教學要求】 知道光導纖維及其工作原理，了解光纖通信系統的組成及我國光纖通信發展的現狀。

【課標要求】初步了解光導纖維的原理和光纖在生產生活中的應用，認識光纖技術對經濟社會生活的重大影響。

【教學思路】 本節課以光纖燈滿天星引課，用水流導光實驗模擬光導纖維的傳輸原理，通過教師實物演示實驗、虛擬實驗模擬、學生自主探究與小組合作探究、理論探究等環節，閱讀教材和相關資料，通過學生小組匯報的方式展示光導纖維在內窺鏡、光纖通信、光纖照明等各個領域的實際應用，教學流程如圖2。

【虛擬實驗結合的片段再現】

內容一：教師演示實物水流導光+NOBOOK虛擬實驗與“央館虛擬實驗”模擬（圖3）。

解決問題：光為什么會被束縛在水中？

設計意圖：實物實驗與虛擬實驗結合，激發學生好奇心，并完成實驗基本分析思路的提取。

內容二：學生分組實驗探究：光在彎曲的玻璃絲中傳播+“央館虛擬實驗”模擬（圖4）。

解決問題：光能否沿彎曲的玻璃絲從一端傳到另一端？

設計意圖：學生自主設計實驗，提高探究和創新思維能力，為光導纖維知識做鋪墊。

【突破實驗的困難點】本節課中演示水流導光實物實驗時演示現象不明顯、不持久，需要他人輔助完成實驗操作，實物實驗探究彎曲的有機玻璃能否導光時，如何有效地控制光在有機玻璃的端面的入射角，盡可能少的讓光束縛在彎曲的玻璃棒中不透射出來，這對實驗操作有一定要求。利用虛擬實驗去模擬上述過程，可以通過設置參數實時顯示出光路，操作上更理想化。虛擬實驗可以重復觀察現象，課上截取關鍵畫面，像水流導光實驗中隨著液面下降導致水束更彎曲，引起入射角變化影響全反射條件，使得水束變紅，有更多的光折射出來這一難點，進行理論分析，這些都是傳統實驗不好實現的。

【素養提升】 案例中融合虛擬實驗于物理教學，側重對學生科學探究能力的培養，利用虛實結合的實驗探究模式，通過實驗現象提出、分析、解決問題，培養學生實驗探究的能力，為光導纖維的理解與應用鋪設理論基礎，從而更好地體會光導纖維在現代科技中的應用，有愛國主義熱情和科學態度，為科學家在光纖方面的偉大成果而感到自豪。

4 虛擬實驗在高中物理教學應用中的效果分析

課堂使用虛擬實驗輔助教學后，問卷收集了98名實驗班學生對虛擬實驗平臺使用的感受，圖5的數據表明，大部分學生認為通過虛擬實驗自己動手操作很有意思，近一半的同學認為上課注意力更集中了，實驗現象明顯，容易觀察。只有11.2%的同學認為和平時沒有區別。從樣本數據上看，課堂使用虛擬實驗對吸引學生學習物理的興趣起到重要作用。從調查看出，學生對使用兩個虛擬實驗平臺的有效融合有一定的認可，后續將繼續通過調查分析學生對使用物理虛擬實驗的學習效果，從而讓學生自主設計實驗、組裝實驗器材、熟練操作、數據分析等，提高實驗探究的深度。

5 結論

物理虛擬實驗凸顯了模擬真實實驗場景和實驗操作的強大功能，虛擬實驗并不是傳統實驗的替代，而是在物理實驗現象難以真實呈現、不具備物理實驗條件等情況下，搭建的虛實結合的輔助實驗探究方式。如高中物理教學中天體的運動模塊，恰當地使用NOBOOK虛擬實驗模擬牛頓拋體設想、設置不同軌道半徑下衛星的線速度的大小變化情況、從虛擬動態的結果研究變軌問題和多星問題。帶電粒子在電場中加速直線運動與偏轉曲線運動內容抽象，傳統教學以理論分析推導為主，課堂學生參與度不高，不易理解掌握。為了讓學生自主參與課堂，教學過程設計利用虛擬實驗構建物理模型，通過動態修改粒子質量、電荷量、射入電場的初速度大小等參數，從實驗現象中直觀看到帶電粒子在勻強電場中速度大小和方向的實時變化情況。虛擬實驗將難以直觀呈現的實驗現象可視化，學生參與感強。

通過技術支持的課堂講授，搭建簡易的虛擬實驗與理論推導結合的混合教學模式，在課前預習、課中講授、課后鞏固等教學環節中進行有效融合，激發學生物理學習的興趣，培養學生設計實驗、制定實驗方案、觀察收集實驗數據進行分析的科學實驗探究能力，充分發揮現代信息技術的優勢，實現以生為本，提高自主學習的意識。

參考文獻：

[1] 鄭忠鈴，牛春虎.虛擬實驗在高中物理教學中的應用研究：以“彈力”教學片段為例[J].中學物理教學參考，2023，52（21）：63-64.

[2] 劉傳寧.NOBOOK虛擬仿真軟件在高中物理實驗教學中的應用研究[D].黃岡：黃岡師范學院，2023：4-6.

[3] 王芳.“央館虛擬實驗”在高中物理實驗課的應用：以“測定電池電動勢和內阻”為例[J].廣西物理，2022，43（2）：14-19.

[4] 李毓，崔北元，黃振俠.虛擬仿真技術助力高中物理實驗可視化教學：以NB物理實驗為例[J].中學教學參考，2023（24）：46-48.