虛擬仿真技術在物理實驗教學的應用論文
以信息技術為工具，使課程內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生的互動方式實現(xiàn)全新的變革，優(yōu)化教學過程中的各個要素和環(huán)節(jié)，這是數(shù)字化教學與課程融合的要求。將信息技術有效融入物理教學過程來營造一種新型的教學環(huán)境，可實現(xiàn)既能發(fā)揮教師主導作用又能充分體現(xiàn)學生主體地位的“自主、探究、合作”教與學，讓學生的主動性、積極性、創(chuàng)造性較充分地發(fā)揮出來，使創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)真正落到實處。筆者在探索數(shù)字化教學與物理課程融合過程中，發(fā)現(xiàn)了許多非常適合新時期物理實驗教學的軟件應用。本文主要以NB物理實驗為例，闡述教學軟件與物理實驗教學融合的策略。
一、虛擬實驗與物理課程融合的緣由
NB物理實驗全稱“NOBOOK虛擬仿真實驗”（基于HTML5技術），支持多終端跨平臺訪問——電子白板、臺式機、一體機、平板電腦等終端均可使用，適應Windows、IOS、Android等平臺。不僅支持教師任意組裝實驗、不受實驗步驟的限制，而且所有實驗操作均可呈現(xiàn)準確的實驗數(shù)據(jù)以及逼真的實驗現(xiàn)象。NB物理實驗分為NB電學實驗、電磁學實驗、力學實驗、光學實驗、熱學實驗和聲學實驗6個獨立的APP。教師在課堂教學中可以打開相應的APP，通過投屏展示實驗的操作過程，可較為直觀地看到實驗的一些現(xiàn)象。在學生終端上可安裝這些軟件，可以讓學生根據(jù)自己的需要，自主設計實驗方案、自主選擇實驗器材、自主搭配和組裝實驗儀器，并記錄實驗數(shù)據(jù)。該應用軟件可幫助學生發(fā)現(xiàn)實驗設計中的問題，以便在真實的實驗環(huán)境下，減少實驗過程中對儀器的損壞。學生在家里，也可隨時通過軟件進行相關的實驗操作，并做數(shù)據(jù)分析。NB物理實驗與物理課程融合的優(yōu)勢及條件如下：（1）NB物理實驗是一種全新的網(wǎng)絡技術與多媒體技術一體化的虛擬實驗系統(tǒng)，它載有適用多系統(tǒng)的軟件與APP、多類型的虛擬實驗器材、多樣化的自主操控平臺及多終端互動的教學平臺，在真實實驗的基礎上可實現(xiàn)信息技術與物理實驗教學的融合，在延續(xù)傳統(tǒng)的同時彌補了其不足；（2）NB物理實驗利用虛擬儀器做實驗，用戶可以自行設置各種參數(shù)，以獲得理想的效果；（3）虛擬儀器的應用突破了現(xiàn)有實驗條件的'限制，排除了各種干擾因素對實驗的影響（它與數(shù)字化實驗系統(tǒng)的融合值得深入研究）；（4）我國許多地區(qū)的教室多為多媒體教室，大都能配備大尺寸多媒體一體機，無線網(wǎng)絡全覆蓋，有些學校還擁有移動智能手機終端設備，這些都為NB物理實驗進入課堂提供了條件。
二、基于數(shù)字化實驗系統(tǒng)的物理實驗融合應用
NB物理實驗等數(shù)字化實驗系統(tǒng)為我們提供了一個新的實驗探究平臺。應用此平臺能讓學生從數(shù)據(jù)讀取、公式運算和圖像描繪等煩瑣的勞動中解脫出來，讓學生有充足的時間和精力對物理現(xiàn)象進行多角度的感知和多視角的探究。同時，我們要認識到數(shù)字化實驗系統(tǒng)與物理課程的有效融合需要先進的教育思想介入，它的合理應用本身就要求同步變革傳統(tǒng)教育觀念、教育思想與教育模式，代之以尊重人的主動性、首創(chuàng)性、反思性、合作性的全新的教育觀念、教育思想與教育模式。筆者認為，NB物理實驗優(yōu)越性的充分發(fā)揮應基于新的實驗教學理念。物理課堂是物理教學的主陣地，任何教學方式的改進都應該首先能夠服務于課堂教學，數(shù)字化教學與物理課程的融合也不例外。高中階段所有實驗按內(nèi)容可分為由教師演示的演示實驗、由學生驗證或測量數(shù)據(jù)的操作性實驗和以探究潛在物理規(guī)律的探究性實驗三類。
（一）NB物理實驗對演示實驗的融合
在物理實驗中最常見、最普通的實驗就是演示實驗。物理教師在講解概念的時候，因班級人數(shù)較多，空間相對較大等客觀因素，導致很多學生對物理現(xiàn)象觀察不清晰，影響學習。虛擬實驗則能很好地解決這個問題。以光學實驗為例，由于白天教室實驗用光線可辨識度低，光學演示實驗往往達不到預期效果。虛擬實驗中實驗光路圖都能被實時展現(xiàn)在一體機屏幕上，實驗效果直觀。這樣，大大地提高了學生對光學規(guī)律的理解能力。例如，利用NB光學實驗進行光學折射定律與全反射規(guī)律的演示操作時，教師可添加裝水的玻璃水槽用于觀察同一光束在不同材料中的偏折情況，讓學生清晰地觀察到折射角度不同，從而使他們加深對光的折射現(xiàn)象的理解。
（二）NB物理實驗對操作實驗的融合
操作實驗是為了培養(yǎng)學生的動手能力和理論聯(lián)系實際的能力，一般在操作實驗中不主張用虛擬實驗代替真實實驗。在高中物理教學中，很多電學實驗都是操作實驗。電學實驗儀器數(shù)量較多且容易因錯誤操作造成損壞。所以在教學中要讓學生借助虛擬實驗觀察實驗過程，掌握正確的操作方法，避免在實驗中出現(xiàn)過失。在實驗中要把真實實驗與虛擬實驗結合，這樣既解決了真實實驗的困難，又彌補了虛擬實驗的不足。另外，電學實驗中儀器眾多，只能允許學生在實驗室進行短暫的電路連接等練習，造成學生的操作能力得不到有效提高。在真實實驗的基礎上，學生可通過NB物理實驗不斷練習，同樣可以加深對該實驗的理解。教師布置虛擬實驗題目，讓學生利用NB物理實驗APP進行仿真實驗，并將實驗過程形成的NB文件發(fā)送給教師。教師通過電腦接收運行學生實驗，檢查掌握程度。具體操作如下。①選擇需要的實驗儀器，合理布局。②根據(jù)電路圖，進行導線的連接練習，連接好后閉合開關。如果電路連接正確，平臺中會顯示電流方向（這樣可加深學生對電路的理解）。③滑動滑動變阻器滑片改變阻值，讀取數(shù)據(jù)，并點擊“記錄”，調(diào)出表格做記錄。完成數(shù)據(jù)記錄后，在表格下點擊顯示圖像，在圖像上點擊鼠標右鍵選擇連線，形成伏安特性曲線。
（三）NB物理實驗對探究實驗的融合
探究實驗的目的就是培養(yǎng)學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)的能力和發(fā)現(xiàn)問題的意識，所以實驗情境是很重要的。但在真實試驗中，許多事物的現(xiàn)象會受外界因素影響，導致實驗誤差過大而影響實驗效果，這就需要借助虛擬實驗。虛擬實驗在某種意義上也能起到學習引導作用，讓學生更加容易發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，從而激發(fā)學習的興趣。由于虛擬實驗器材的添加不受現(xiàn)實條件限制，學生可根據(jù)實驗需要同時進行多項實驗，大大提升了探究的效率。以“探究影響導體電阻大小的因素”實驗為例，該實驗需要學生從控制變量的方法入手，探究導體的取材、導線長度、導線橫截面積等對電阻的影響。對一般實驗室來說，實驗儀器有限，教師只能安排分組探究，這勢必導致有些學生只能旁觀。筆者的解決方案：學生在移動端利用NB電學實驗進行虛擬探究，完成儀器的選擇并連接電路，繼續(xù)實驗。為了提高探究效率，可再配上相同實驗套件，同時進行控制變量實驗。
三、總結與反思
NB物理實驗作為一種新型實驗工具，可以從多個角度與物理實驗教學融合拓展。結合具體實驗引導學生多角度、全方位地認識物理規(guī)律不僅有助于學生掌握實驗儀器的使用規(guī)律和物理學的研究方法，還能形成線上線下的教學互動，逐漸形成新的教學思想方法，促使其推而廣之，將上述思想方法應用于其他學科的學習以及日常的生產(chǎn)、生活之中。在教學活動中，為了達到預期目的，教學主體總是要采用一定的手段作用于對象。教學手段是教學活動不可缺少的組成部分。數(shù)字化實驗技術為物理教學提供了先進的實驗練習手段，但它本身并不代表先進的教學思想。先進的教育技術手段與先進的教學思想有機融合才能實現(xiàn)技術與課程的充分融合。因此，教師在教學活動中不能單純注重教學手段，還要重視教學思想，重視教學過程和學生學習過程。基于NB物理實驗的物理實驗的融合拓展體現(xiàn)著先進的教學思想變革，同時還有待更多的一線教師從更多的角度去研究。
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