利用虛擬實驗助推初中物理實驗教學

摘要：文章深入探討了虛擬實驗在初中物理實驗教學中的重要作用，分析了虛擬實驗應用過程中遇到的主要問題，包括資源限制、教師對虛擬實驗工具使用不熟悉、教學評估困難等.接著，提出了一系列應用策略，包括創設理想實驗、提供自由組合實驗環境、創設風險性實驗等，旨在提高虛擬實驗的教學效果和學生的學習體驗.

關鍵詞：虛擬實驗；初中物理；實驗教學

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2024）26-0085-03

初中是培養學生科學素養的重要階段，物理實驗教學是其中的關鍵環節.然而，傳統的物理實驗教學方式由于設備、場地、安全等多方面的限制，往往難以滿足學生多元化、個性化的學習需求，也難以充分激發學生的學習興趣和探究精神［1］.因此，如何更有效地提升學生的物理實驗操作技能，是當前初中物理教育面臨的重要課題.虛擬實驗作為一種新型的教學技術，逐漸引起了教育者的關注.虛擬實驗不受物理環境的限制，能夠提供豐富的實驗資源和個性化的實驗環境，讓學生能夠自主、安全地進行實驗操作，從而提高學生的學習效率和興趣［2］.

1虛擬實驗在初中物理課堂應用中存在的問題

1.1資源參差不齊

虛擬實驗作為一種創新的教學方法，在初中物理教育中扮演著重要的角色.然而，虛擬實驗資源的質量參差不齊，可獲取性也大不相同，這對于想要充分利用這些資源的學校和教師來說是一大挑戰.一方面，高質量的虛擬實驗軟件往往需要較高的成本，這對于經費有限的學校來說是一個不小的負擔；另一方面，即使學校愿意投入，市場上也缺乏針對初中物理課程設計的高質量虛擬實驗資源.

1.2教師應用困難

隨著教育技術的快速發展，教師在虛擬實驗的應用中面臨著專業發展的需求.虛擬實驗技術的不斷更新要求教師持續學習，以掌握最新的教學工具和方法.目前，針對教師的技術培訓項目不夠充分，缺乏系統的培訓和指導，使得一些教師難以有效利用虛擬實驗資源進行教學.由于教師自身技術背景的差異，一些教師可能對于新興技術的接受和應用存在困難，這不僅影響了虛擬實驗的教學效果，也可能降低教師使用虛擬實驗的積極性.

2虛擬實驗在實驗課堂中的應用策略分析

2.1創設理想實驗

理想實驗，也被稱為思想實驗或者純理論實驗，是一種通過假設和邏輯推理進行的實驗.在該類實驗中，實驗者不需要進行實際的操作，而是通過思考和推理來預測實驗的結果.理想實驗所涉及的情況和條件在實際中難以或無法實現.例如，真空中的物體運動、絕對零度溫度下的物質狀態等，正是因為這些特點，理想實驗在教學中扮演著獨特而重要的角色.學生可以探索那些在現實物理條件下無法或難以觀察和實驗的現象，從而拓寬科學探索的邊界.運用虛擬實驗，創設理想環境，將理想實驗的思維過程數據化、可視化，可以幫助學生更好地理解抽象概念和理論原理.

例如，在探究“阻力對物體運動的影響”實驗中，教師可以利用軟件，創設理想的實驗環境，來模擬小球在V型導軌上的滾動，如圖1.在這個環境中，可以隨意調整阻力、時間間隔等參數，使得實驗能夠在理想化的環境中進行.在實驗開始時，將小球放在左側導軌的一定高度處，然后讓其自由滾動.在沒有阻力的情況下，小球會沿著導軌滾動到右側的同樣高度處.接下來，將右側導軌的斜率降低，此時學生會發現小球依然可以滾動到同樣的高度，只不過在水平方向上滾動的距離會更遠.繼續降低導軌的斜率，重復上述實驗步驟.每次降低斜率時，我們都會發現小球在水平方向上滾動的距離會更遠，但是能滾動到的高度始終保持不變.最后，將導軌放置成水平狀態時，會發現小球會一直滾動下去，保持勻速直線運動.通過這個虛擬實驗，可以清晰地看到阻力對物體運動的影響.在沒有阻力的理想環境中，小球的總能量會保持不變，無論導軌的斜率如何變化，小球都能滾動到同樣的高度.而當存在阻力時，小球的總能量會逐漸損失，導致其不能滾動到原來的高度.這一實驗有力地展示了能量守恒定律和阻力對物體運動的影響，對于學生理解相關物理概念有著重要的幫助.

理想化處理能幫助學生更直觀、更清晰地理解抽象的物理概念和定律.在理想化的環境中進行實驗，可以消除現實中的復雜因素，讓學生更專注于探究物理定律本身.當學生理解了理想環境中的物理定律后，教師可以引導其進一步思考現實環境中的復雜情況，比如阻力、空氣阻力等因素如何影響物體的運動，并將理想與現實進行對比，幫助學生更深入地理解物理定律，培養他們的批判性思維和問題解決能力.

2.2提供自由組合實驗環境

虛擬實驗相較于傳統實驗最大的區別就是容易操作.傳統教學中，在有限的時間內，學生通常只能按照一種實驗方案進行操作，存在弊端.首先，限制了學生探索和發現的空間，抑制了他們的創新思維和解決問題的能力.在實驗教學中，錯誤和失敗同樣重要，它們是學習過程中不可或缺的一部分.然而，由于時間和資源的限制，學生失去了通過反復嘗試和錯誤來深入理解實驗原理的機會.此外，這種單一方案的操作模式難以滿足不同學生的學習需求和興趣，導致個體差異在學習過程中得不到充分體現.學生被迫遵循固定的步驟，無法根據自己的興趣和理解來調整學習路徑，不能夠對學生的獨立思考和自主學習能力進行培養.相比之下，虛擬實驗提供了更多的靈活性，允許學生在模擬環境中嘗試不同的實驗方案，并進行多次重復操作以加深理解.

例如，在“測量小石塊密度”實驗時，教師可以創設虛擬實驗，讓學生不必拘泥于器材選取，只要是力學工具里提供的器材均可選用，讓學生自主選擇，自主探究.學生根據實驗原理，可能設計出多種實驗方案.如方案一選取量筒、水、小石塊、標尺為器材，利用阿基米德原理，當物體完全浸入液體中時，它所排開的液體體積等于物體的體積.步驟為：①在量筒中加入已知體積的水，記錄水位；②將小石塊緩緩放入量筒中，觀察并記錄水位上升后的讀數；③計算水位上升的體積，即為小石塊的體積；④使用電子秤測量石塊的質量；⑤根據密度公式計算小石塊的密度.方案二選取彈簧秤、水槽、細線、小石塊.步驟為：①使用彈簧秤測量小石塊在空氣中的重量；②將石塊用細線懸掛于彈簧秤下，完全浸入水中測量其在水中的視重；③計算石塊在空氣中的重量與在水中的視重之差，得到浮力；④由于浮力等于石塊排開水的重量，通過浮力可以計算出石塊的體積；⑤根據密度公式計算小石塊的密度.方案三選用電子秤、量筒、水、小石塊.步驟為：①使用電子秤準確測量小石塊的質量；②將小石塊放入量筒中測量其體積，可以通過水位上升法確定；③根據密度的定義公式計算小石塊的密度.自由組合實驗，讓學生運用了不同的物理原理和實驗工具，展現了創意思維和問題解決的能力.通過這樣的探究活動，學生不僅能學習到物理知識，還能培養科學探究思維.

2.3創設風險性實驗

在初中物理教學中，一些實驗因涉及安全風險，往往不適合直接由學生操作.為了確保安全并幫助學生更好地理解實驗原理和過程，這些實驗通常由教師進行演示.教師的演示不僅可以減少安全事故的風險，還能通過詳細講解，加深學生對物理概念的理解，培養觀察能力和科學思維.但這樣的操作模式，會導致學生在實際操作技能和實驗經驗上的缺失.雖然教師演示能有效保障實驗的安全性和準確性，幫助學生理解復雜的物理原理，但同時也限制了學生動手操作的機會，可能會影響學生對物理實驗的興趣和主動探索精神的培養.此外，親身經歷實驗過程能加深學生對理論知識的理解和記憶，缺少這種經驗可能會使得學生對物理概念的掌握不夠深刻.虛擬實驗提供了一個良好的教育平臺，幫助教師在安全性和資源有限或實驗操作復雜的情況下，有效向學生傳授物理知識和實驗技能.

例如，在“探究固體熔化時溫度變化規律”時，因為實驗具有一定的危險性且設備數量有限，無法讓學生親自進行操作.此時就可以借助AR虛擬現實技術，打破傳統教育局限，借助AR智慧課桌搭建的虛擬實驗環境，組裝實驗設備進行操作.虛擬實驗環境提供了一個安全且便捷的平臺，使學生能夠在沒有實際實驗室設備的情況下，進行實驗操作和觀察.首先，學生會選擇一個固體物質來進行研究，比如冰.學生可以通過拖拽的方式，將選定的固體放置在加熱器上.隨后，學生需要調整加熱器的溫度，開始加熱過程.這一過程中，虛擬實驗環境會實時顯示固體表面和內部的溫度變化，讓學生能夠直觀地觀察到固體從固態轉變為液態的整個過程.在固體開始熔化的那一刻，學生會注意到溫度計上的讀數在一段時間內保持不變，這個特定的溫度就是所研究固體的熔點.通過這個實驗，學生能夠理解到，物質在熔化過程中，溫度會保持恒定，直到所有的固體都轉變為液態.此外，虛擬實驗還允許學生探索不同物質的熔點.例如，學生可以選擇海波和石蠟進行實驗，發現海波經過緩慢加熱，溫度逐漸上升，當溫度達到48 ℃，海波開始熔化.在熔化過程中，雖然繼續加熱，但海波的溫度不變，直到完全熔化后，溫度才繼續上升.石蠟則隨著不斷加熱，石蠟的溫度升高，在此過程中，石蠟變軟變稀，最后熔化為液體.通過比較和分析，學生可以發現不同物質熔點的差異，進而去了解差異背后的科學原理.

虛擬實驗課堂為學生提供了一個既安全又有效的學習平臺，讓學生可以在零風險的情況下探索和學習，極大地提升了實驗的安全性.此外，初中學生可能因為缺乏實驗經驗或操作不熟練而導致實驗錯誤操作，物理實驗中可能會引發安全問題.虛擬實驗通過模擬操作界面，指導學生逐步完成實驗步驟，有效避免了因操作不當而導致的安全隱患.進行虛擬實驗后再進行實際操作，虛實結合，為學生提供了一個安全、全面、深入的學習體驗.

3結束語

虛擬實驗與傳統實驗在初中物理教學中應并行不悖，相輔相成.虛擬實驗以其獨特優勢補充了傳統實驗的不足，提供了安全、便捷的實驗環境，而傳統實驗則通過實際操作加深學生對物理現象的理解.教師應靈活運用兩種實驗方式，優化教學策略，有效提升物理教學的質量和效率，為學生構建全面、深入的物理學習體驗.

參考文獻：［1］ 李欣悅.基于NOBOOK平臺的初中物理虛擬實驗教學實踐［D］.呼和浩特：內蒙古師范大學，2021.

［2］ 許淼. 虛擬實驗翻轉課堂對學生實驗操作能力的影響研究［D］.南昌：南昌大學，2023.

［責任編輯：李璟］