虛擬仿真技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用論文
以信息技術(shù)為工具，使課程內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式和師生的互動方式實(shí)現(xiàn)全新的變革，優(yōu)化教學(xué)過程中的各個(gè)要素和環(huán)節(jié)，這是數(shù)字化教學(xué)與課程融合的要求。將信息技術(shù)有效融入物理教學(xué)過程來營造一種新型的教學(xué)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分體現(xiàn)學(xué)生主體地位的“自主、探究、合作”教與學(xué)，讓學(xué)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(shí)踐能力的培養(yǎng)真正落到實(shí)處。筆者在探索數(shù)字化教學(xué)與物理課程融合過程中，發(fā)現(xiàn)了許多非常適合新時(shí)期物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件應(yīng)用。本文主要以NB物理實(shí)驗(yàn)為例，闡述教學(xué)軟件與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合的策略。
一、虛擬實(shí)驗(yàn)與物理課程融合的緣由
NB物理實(shí)驗(yàn)全稱“NOBOOK虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（基于HTML5技術(shù)），支持多終端跨平臺訪問——電子白板、臺式機(jī)、一體機(jī)、平板電腦等終端均可使用，適應(yīng)Windows、IOS、Android等平臺。不僅支持教師任意組裝實(shí)驗(yàn)、不受實(shí)驗(yàn)步驟的限制，而且所有實(shí)驗(yàn)操作均可呈現(xiàn)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及逼真的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。NB物理實(shí)驗(yàn)分為NB電學(xué)實(shí)驗(yàn)、電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)、熱學(xué)實(shí)驗(yàn)和聲學(xué)實(shí)驗(yàn)6個(gè)獨(dú)立的APP。教師在課堂教學(xué)中可以打開相應(yīng)的APP，通過投屏展示實(shí)驗(yàn)的操作過程，可較為直觀地看到實(shí)驗(yàn)的一些現(xiàn)象。在學(xué)生終端上可安裝這些軟件，可以讓學(xué)生根據(jù)自己的需要，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自主選擇實(shí)驗(yàn)器材、自主搭配和組裝實(shí)驗(yàn)儀器，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該應(yīng)用軟件可幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的問題，以便在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，減少實(shí)驗(yàn)過程中對儀器的損壞。學(xué)生在家里，也可隨時(shí)通過軟件進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，并做數(shù)據(jù)分析。NB物理實(shí)驗(yàn)與物理課程融合的優(yōu)勢及條件如下：（1）NB物理實(shí)驗(yàn)是一種全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與多媒體技術(shù)一體化的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它載有適用多系統(tǒng)的軟件與APP、多類型的虛擬實(shí)驗(yàn)器材、多樣化的自主操控平臺及多終端互動的教學(xué)平臺，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，在延續(xù)傳統(tǒng)的同時(shí)彌補(bǔ)了其不足；（2）NB物理實(shí)驗(yàn)利用虛擬儀器做實(shí)驗(yàn)，用戶可以自行設(shè)置各種參數(shù)，以獲得理想的效果；（3）虛擬儀器的應(yīng)用突破了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的'限制，排除了各種干擾因素對實(shí)驗(yàn)的影響（它與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(jī)，無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，有些學(xué)校還擁有移動智能手機(jī)終端設(shè)備，這些都為NB物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)入課堂提供了條件。
二、基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)融合應(yīng)用
NB物理實(shí)驗(yàn)等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為我們提供了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)探究平臺。應(yīng)用此平臺能讓學(xué)生從數(shù)據(jù)讀取、公式運(yùn)算和圖像描繪等煩瑣的勞動中解脫出來，讓學(xué)生有充足的時(shí)間和精力對物理現(xiàn)象進(jìn)行多角度的感知和多視角的探究。同時(shí)，我們要認(rèn)識到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與物理課程的有效融合需要先進(jìn)的教育思想介入，它的合理應(yīng)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(rèn)為，NB物理實(shí)驗(yàn)優(yōu)越性的充分發(fā)揮應(yīng)基于新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。物理課堂是物理教學(xué)的主陣地，任何教學(xué)方式的改進(jìn)都應(yīng)該首先能夠服務(wù)于課堂教學(xué)，數(shù)字化教學(xué)與物理課程的融合也不例外。高中階段所有實(shí)驗(yàn)按內(nèi)容可分為由教師演示的演示實(shí)驗(yàn)、由學(xué)生驗(yàn)證或測量數(shù)據(jù)的操作性實(shí)驗(yàn)和以探究潛在物理規(guī)律的探究性實(shí)驗(yàn)三類。
�。ㄒ唬㎞B物理實(shí)驗(yàn)對演示實(shí)驗(yàn)的融合
在物理實(shí)驗(yàn)中最常見、最普通的實(shí)驗(yàn)就是演示實(shí)驗(yàn)。物理教師在講解概念的時(shí)候，因班級人數(shù)較多，空間相對較大等客觀因素，導(dǎo)致很多學(xué)生對物理現(xiàn)象觀察不清晰，影響學(xué)習(xí)。虛擬實(shí)驗(yàn)則能很好地解決這個(gè)問題。以光學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，由于白天教室實(shí)驗(yàn)用光線可辨識度低，光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)往往達(dá)不到預(yù)期效果。虛擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)光路圖都能被實(shí)時(shí)展現(xiàn)在一體機(jī)屏幕上，實(shí)驗(yàn)效果直觀。這樣，大大地提高了學(xué)生對光學(xué)規(guī)律的理解能力。例如，利用NB光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行光學(xué)折射定律與全反射規(guī)律的演示操作時(shí)，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(xué)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。
�。ǘ㎞B物理實(shí)驗(yàn)對操作實(shí)驗(yàn)的融合
操作實(shí)驗(yàn)是為了培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，一般在操作實(shí)驗(yàn)中不主張用虛擬實(shí)驗(yàn)代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)。在高中物理教學(xué)中，很多電學(xué)實(shí)驗(yàn)都是操作實(shí)驗(yàn)。電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量較多且容易因錯(cuò)誤操作造成損壞。所以在教學(xué)中要讓學(xué)生借助虛擬實(shí)驗(yàn)觀察實(shí)驗(yàn)過程，掌握正確的操作方法，避免在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)過失。在實(shí)驗(yàn)中要把真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合，這樣既解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的困難，又彌補(bǔ)了虛擬實(shí)驗(yàn)的不足。另外，電學(xué)實(shí)驗(yàn)中儀器眾多，只能允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行短暫的電路連接等練習(xí)，造成學(xué)生的操作能力得不到有效提高。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可通過NB物理實(shí)驗(yàn)不斷練習(xí)，同樣可以加深對該實(shí)驗(yàn)的理解。教師布置虛擬實(shí)驗(yàn)題目，讓學(xué)生利用NB物理實(shí)驗(yàn)APP進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)過程形成的NB文件發(fā)送給教師。教師通過電腦接收運(yùn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)，檢查掌握程度。具體操作如下。①選擇需要的實(shí)驗(yàn)儀器，合理布局。②根據(jù)電路圖，進(jìn)行導(dǎo)線的連接練習(xí)，連接好后閉合開關(guān)。如果電路連接正確，平臺中會顯示電流方向（這樣可加深學(xué)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(diǎn)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(diǎn)擊顯示圖像，在圖像上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇連線，形成伏安特性曲線。
�。ㄈ㎞B物理實(shí)驗(yàn)對探究實(shí)驗(yàn)的融合
探究實(shí)驗(yàn)的目的就是培養(yǎng)學(xué)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(shí)驗(yàn)情境是很重要的。但在真實(shí)試驗(yàn)中，許多事物的現(xiàn)象會受外界因素影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差過大而影響實(shí)驗(yàn)效果，這就需要借助虛擬實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)在某種意義上也能起到學(xué)習(xí)引導(dǎo)作用，讓學(xué)生更加容易發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律，從而激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。由于虛擬實(shí)驗(yàn)器材的添加不受現(xiàn)實(shí)條件限制，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，大大提升了探究的效率。以“探究影響導(dǎo)體電阻大小的因素”實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生從控制變量的方法入手，探究導(dǎo)體的取材、導(dǎo)線長度、導(dǎo)線橫截面積等對電阻的影響。對一般實(shí)驗(yàn)室來說，實(shí)驗(yàn)儀器有限，教師只能安排分組探究，這勢必導(dǎo)致有些學(xué)生只能旁觀。筆者的解決方案：學(xué)生在移動端利用NB電學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬探究，完成儀器的選擇并連接電路，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。為了提高探究效率，可再配上相同實(shí)驗(yàn)套件，同時(shí)進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn)。
三、總結(jié)與反思
NB物理實(shí)驗(yàn)作為一種新型實(shí)驗(yàn)工具，可以從多個(gè)角度與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合拓展。結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生多角度、全方位地認(rèn)識物理規(guī)律不僅有助于學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)儀器的使用規(guī)律和物理學(xué)的研究方法，還能形成線上線下的教學(xué)互動，逐漸形成新的教學(xué)思想方法，促使其推而廣之，將上述思想方法應(yīng)用于其他學(xué)科的學(xué)習(xí)以及日常的生產(chǎn)、生活之中。在教學(xué)活動中，為了達(dá)到預(yù)期目的，教學(xué)主體總是要采用一定的手段作用于對象。教學(xué)手段是教學(xué)活動不可缺少的組成部分。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)為物理教學(xué)提供了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)練習(xí)手段，但它本身并不代表先進(jìn)的教學(xué)思想。先進(jìn)的教育技術(shù)手段與先進(jìn)的教學(xué)思想有機(jī)融合才能實(shí)現(xiàn)技術(shù)與課程的充分融合。因此，教師在教學(xué)活動中不能單純注重教學(xué)手段，還要重視教學(xué)思想，重視教學(xué)過程和學(xué)生學(xué)習(xí)過程�；贜B物理實(shí)驗(yàn)的物理實(shí)驗(yàn)的融合拓展體現(xiàn)著先進(jìn)的教學(xué)思想變革，同時(shí)還有待更多的一線教師從更多的角度去研究。
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