以“測量滑動摩擦力”為例探索虛擬仿真實驗的設計

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A

隨著時代的進步和發展，教育信息化成為教育領域的重要發展趨勢.虛擬現實（VR）技術作為一種現代技術，與教育領域結合能夠實現教育質量的再提升，能夠實現現代化先進技術的新融合，對學生的綜合能力發展有著積極的影響1．立足虛擬現實技術進行虛擬仿真實驗的設計，能夠帶給學生真實情感的體驗，讓學生在情境中完成任務，助力學生學科思維體系的構建，培養學生的探索精神.測量滑動摩擦力是初中物理知識的重要組成部分，文章結合該內容的學習，探索虛擬仿真實驗的設計路徑，為初中物理教學的開展提供新的教學模式.

1“測量滑動摩擦力”傳統實驗形式

1. 1 實驗概述

阻力對物體運動的影響、探究二力平衡的條件、測量滑動摩擦力、探究影響滑動摩擦力大小的因素等都屬于“運動與力”章節中的實驗教學內容，其中測量滑動摩擦力實驗為該章節重要實驗之一.該實驗引導學生探索影響滑動摩擦力大小的因素，對培養學生的物理探究能力起到積極作用，將虛擬仿真實驗引入其中能夠取得更為顯著的實驗效果[2].

滑動摩擦力產生于接觸的兩物體之間，當接觸的兩物體發生相對運動時，兩物體之間會產生一種阻礙相對運動的力，這種力被稱為滑動摩擦力，也就是我們生活中經常說的摩擦力.滑動摩擦力與物體相對運動方向相反，與物體之間的壓力和接觸面的粗糙程度有關.

1.2 實驗內容

按照初中物理傳統實驗形式，測量滑動摩擦力實驗一般依托實物展開，教師通過拉動小木塊讓學生感受物體和桌面所產生的滑動摩擦力，并使用彈簧測力計測量拉力的大小，所測拉力大小就是滑動摩擦力的大小[3].之后，教師通過調整木塊數量，改變接觸面粗糙程度，引導學生研究影響滑動摩擦力的因素.

2 以“測量滑動摩擦力”為例探索虛擬仿真實驗的設計

2.1 虛擬仿真實驗流程設計

第一，需求分析.虛擬仿真實驗設計之前進行需求分析，了解虛擬實驗內容及學生需求，在此基礎上開發虛擬實驗.

第二，總體規劃.制定完整虛擬仿真實驗方案，包括虛擬實驗的整體要求、各個環節的系統規劃、三維立體模型的構建等.

第三，交互設計.交互設計是虛擬仿真實驗的重要設計環節，包括實驗觸發開始、實驗內容交互、實驗觸發結束等.

第四，場景渲染.通過場景渲染讓虛擬場景更具真實感，讓學生如入真實之境，帶給學生真實感與沉浸感.

第五，測試與發布.虛擬仿真實驗完成之后需要進行實驗測試，結合測試結果進行調整與修改，為虛擬仿真實驗的開展奠定基礎.

設計虛擬實驗之后，還要對不同環節進行檢測，確保每個環節能夠順利開展，滿足教學要求，最后對虛擬仿真實驗進行發布（如圖1所示）.

2.2 以“測量滑動摩擦力”為例探索虛擬仿真實驗2.2.1 學情分析

滑動摩擦力是八年級物理知識，測量滑動摩擦力屬于該內容的重要組成部分.教師可通過實驗激發學生學習物理的積極性，讓學生了解滑動摩擦力的存在及意義，培養學生的變量控制意識，探索滑動摩擦力的影響因素，提升學生物理核心素養.在進行該實驗之前，學生已初步學習了滑動摩擦力的測量，但是對滑動摩擦力的影響因素尚未形成意識，教師需要建立一定情境引導學生猜測滑動摩擦力的影響因素[4].

2.2.2 課程目標

結合新課標對初中物理教學的要求，培養學生的物理核心素養極為關鍵，測量滑動摩擦力實驗目標主要包括以下內容（如表1所示）.

2.3 仿真實驗

首先，教師將學生分成不同小組，以小組為單位完成虛擬仿真實驗及學習任務.教師通過VR虛擬仿真實驗給學生展示實驗過程并提出問題：影響滑動摩擦力大小的因素包括哪些？讓學生帶著問題逐步走入虛擬仿真實驗活動，通過提出問題激發學生的探索欲望，鼓勵學生大膽猜想，幫助學生構建場景并驗證猜想.此環節需要教師做好實驗計劃，引導學生觀察實驗現象，通過自己的分析與研究得出相應結論.

其次，學生通過VR實驗設備進人VR實驗環節，教師在了解實驗要求之后輔助學生完成實驗.在此過程中，教師需鼓勵學生大膽動手操作，通過參數的改變開展多次實驗并記錄實驗數據，結合所開展的實驗進行小組討論交流，得出結果.在虛擬仿真實驗過程中，教師要注重啟動交互觸發，讓學生通過實驗互動改變不同“地面”材質，如冰面能夠讓學生直觀感受光滑，雪地相比冰面摩擦力增大，玻璃紙面會讓學生感受到光滑，但相比冰面、雪地其摩擦力更大.土地、石板、塑膠跑道等不同地面都有相應摩擦系數，結合運動物體質量的增加或減少，引導學生觀察物體滑行距離的變化.例如，物體在不同地面條件下以勻速形式滑動，物體初速度均為 10m/s ，借助滑動摩擦力公式計算滑動摩擦力.一個金屬材質立方塊的重量為 50N ，在摩擦系數為0.8的塑膠跑道上滑行距離約為 0.625m ，在摩擦系數為0.5的土地上滑行距離約為 1m ，在摩擦系數為0.4的石板上滑行距離約為 1.25m ，在摩擦系數為0.25的玻璃板上滑行距離約為 2m ，在摩擦系數為0.08的雪地上滑行距離約為 6.25m ，在摩擦系數為0.025的冰面上滑行距離約為 20m .為了讓學生真切感受滑動摩擦力的影響因素，教師可以設計僅在石板滑行，學生在參與虛擬仿真實驗的過程中調整物體質量，通過質量的變化觀察物體的滑行距離，通過參數的變化引導學生控制變量并驗證猜想.

接著，學生完成VR虛擬仿真實驗之后，教師指導學生歸納總結收集整理的數據，要求學生在討論過程中積極提出自己的想法和意見，以報告形式展示實驗結果.教師可以使用課件進行手寫板展示，邀請學生走上講臺講述小組的研究成果，點評總結學生的表現，引導學生反思自己在小組實驗中的優劣勢并進行改進，啟發學生主動思考，培養學生的探究能力，引導學生養成善于總結的好習慣，幫助學生尋找自我優化路徑.

最后，虛擬仿真實驗的完成并不是教學的結束，教師還需要在學生參與虛擬仿真實驗活動基礎上，引導學生暢談參與虛擬仿真實驗的感想，啟發學生思考“生活中哪些手段可以增加滑動摩擦力”，啟迪學生通過多種工具查找相關資料，以此提升信息素養，培養其善于觀察生活、思考問題解決路徑的好習慣.

3 結束語

時代的進步和發展改變了傳統教學模式，信息技術成為課堂教學的得力助手，在提高教學質量方面發揮著重要作用.教師需要在了解學生實際情況基礎上探索虛擬仿真實驗設計路徑，為學生呈現情景化教學場景，將學生帶入虛擬仿真實驗，讓學生在虛擬仿真實驗中獲得知識，培養物理核心素養.

參考文獻：

[1］董耀，沙莉，李剛.創設真實問題情境突破摩擦力概念教學[J].物理通報，2024（06）：88-91，96.

[2]盤金蘭，張蕾.基于PBL教學模式的初高中物理教學銜接的探究與設計：以“摩擦力”為例[J].理科愛好者，2024（02）：249-251，256.

[3］盛鐸.影響滑動摩擦力大小因素實驗的改進[J].湖北教育（教育教學），2024（03）：51-52.

[4］王秀梅，孫濤.“五問教學法”在初中物理實驗教學中的實踐研究［J].天津教育，2023（34）：85 -86.

[責任編輯：李 璟]