虚实结合，让课堂更多彩

陈晖

摘   要：实验作为高中物理学习的重要内容，对于物理知识的认知起着不可替代的作用，随着信息技术的发展及国家对信息化教学方式的重视，很多信息化教学辅助工具应运而生。分析了虚拟实验室的应用方式及特点，其有效解决了实际教学中实验设备不足、实验效果不明显、实验难度大等问题，极大丰富了实验教学的手段。

关键字：虚拟实验室；高中物理；实验教学；信息技术

《普通高中物理课程标准》在“教学建议”中指出“在高中物理课程中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验，这在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位”。物理本身就是一门以实验为基础的学科，高中物理课程包括了力学、电学、光学、热学、原子物理等知识，每一块知识的教学中都离不开实验教学。学生获得知识最快最便捷，同时印象最深的，就是通过实验探究而获得的。不过，在实际教学中不难发现，物理的实验教学不一定能很好地实现，主要原因有以下几点：

（1）受实验器材制约：有些学校实验器材短缺，无法满足教师及学生的使用；有些高精密仪器成本高、易损坏，保养不当就无法完成预期实验。

（2）受实验现象制约：部分物理实验在实际操作过程中实验现象不明显，实验过程太快，结果不便于观察，部分实验实验过程变化太慢，难以在有限的课堂实验中开展。

（3）受安全等因素制约：有些实验具有一定的危险性，教师在教学中无法有效把控，同时有些实验对于环境及操作者要求太高，误差太大，也不利于实施。

因此，高中物理的实验教学中迫切需要应用各类方式来弥补以上制约因素带来的不利影响，而利用信息化工具来辅助支持教学的实施，可以有效改善实验教学的效果，方便实验的开展[ 1 ]。虚拟实验室有效地将信息技术与实验教学进行融合，通过计算机进行实验操作，再通过立体可视化、微观可放大的观察方式，有效地解决了上述问题[ 2 ]。同时，由于它操作的便捷化，可以有效弥补部分地区因疫情影响带来的线上教学中实验教学的缺失。

1  虚拟实验室介绍

中央电教馆的虚拟实验室是一款基于计算机系统中采用虚拟现实等技术实现虚拟实验环境，在操作平台中可以完成类似于现实环境的实验项目，操作平台提供特定的操作项目和操作场景，即实验场所。它涵盖了从小学到高中，包括物理、化学、生物、科学等学科的实验内容，提供实拍实验视频、3D演示视频、3D交互课件、VR仿真交互课件等实验素材，教师可以针对自身的教学设计，有效地选择实验素材，合理设计实验环境，得以丰富教学手段，提升教学的效果。中央电教馆的虚拟实验室在教学中有以下四大优势：

（1）一致性：虚拟实验并不是凭空捏造或者想象得到的，而是基于现实实验的器材和效果，利用技术手段呈现出来，与真实实验中的实物及结论一致。

（2）交互性：学生通过用鼠标或VR器材，点击实验平台上的器材进行实验操作，同时还可以在操作后观察对应的实验现象，并在平台上处理实验数据，更好地实现人机交互。

（3）开放性：师生在使用虚拟实验过程中，不受时间、空间和地点的限制，虚拟实验能够提供给师生最大的操作自由度和使用空间。

（4）虚拟性：虚拟实验是真实实验的虚拟化过程，不仅能够呈现出现实实验的效果，也可以模拟出现实实验达不到的理想化效果。

可以说虚拟实验建立的是一个师生个性化需求的平台，它更注重实验过程而非结果。合理地运用虚拟实验室支撑教学，是信息化助推教育改革，信息技术与课程教学有效整合的成果，而实验教学与多媒体信息技术有机融合，同样也是教育信息化2.0新要求。

2  虚拟实验室的实验特点

虚拟实验室中提供的课程素材主要包括两种：真实实验拍摄及计算机模拟化实验。与传统实验相比，虚拟实验室在部分实验呈现中有着得天独厚的优势，例如很多的实验现象是转瞬即逝，甚至是肉眼无法直接观察的，教学中需花费大力气来实现结果讲解或者实验过程分析，这类抽象的知识，学生无法理解，大大影响了教学成效。而虚拟实验室通过微观可视化功能，很好地弥补了这类缺失。虚拟实验室的实验特点主要表现在：

（1）安全性。虚拟实验室能够替代一部分危险系数大的实验操作，通过计算机生动直观地将实验现象呈现出来。例如一些电学实验，学生没有很好地考虑电表量程选择，导致电表损坏，而在虚拟实验室中，学生可以大胆尝试，从而得到教育的机会。

（2）经济型。虚拟实验室可以有效降低一些实验成本高昂的实验材料费用，实现“昂贵实验”也能人手一组，提高这类实验教学的质量。

（3）互动性。虚拟实验室通过声音、动画等设置，有效地提醒学生实验中出错的地方，方便学生改正，提高学生的容错率。

（4）效率性。在有效的课堂教学时间内，虚拟实验室能大大缩短实验时间，方便教師更多地开展实验教学以及实验拓展，提高课堂效率。例如在测电源电动势及内阻这一实验教学中，运用同一个3D交互课件，就可以在一节课内实现多种方式的测量，这在实物操作中是不大可能实现的。同时对于一些复杂数据的处理，也能极大地提高效率。

（5）仿真性。通过模拟真实实验中不易观察的现象或者抽象化的物理量，呈现出具体化、可观察、可停留的三位立体化模型，如磁场、电场、光线、电流方向、运动轨迹等。同样可以将一些“不可及”现象呈现出来，例如真空环境等。

（6）直观性。除了可以将实验现象、实验过程进行直观化、形象化的展示，一些微观实验也可以通过展示储存的动态实验现象来直观化。甚至有些密闭仪器的内部构造，也可以进行可视化的呈现。

3  虚拟实验室应用案例例举

“科学的本质是探究，科学的前提是观察”，每一种崭新的教学手段都会带来教学方式的新探索。

3.1  利用可视化功能

以“带电粒子在匀强磁场中的运动”教学为例，本节课的教学目标是：（1）通过实验观察，了解洛伦兹力，并能够掌握洛伦兹力的方向的判断（即“左手定则”）和计算洛伦兹力的大小；（2）对实验现象的定性和定量分析并进行科学推理，找出规律形成结论，利用矢量分析方法，判断速度与磁场不垂直时的运动特点；（3）通过实验现象，分析成因，提高思维能力，推导安培力与洛伦兹力特点，提高科学探究能力；（4）通过对本节的学习，充分了解科技的巨大威力，体会科技的创新历程，对生活中的物理现象产生兴趣，增加对科学的喜爱。教学重点方向：理解洛伦兹力的大小、方向和产生条件。教学难点：实验观察并推导洛伦兹力的大小。

首先在教学过程中，由于仪器数量的限制，无法保障每一小组一台仪器。故笔者在实验探究过程中，采用现实操作与虚拟操作结合，讲授与操作融合的方式，让学生能够亲自探究出洛伦兹力的影响因素。教师采用实体仪器，在操作过程中对仪器各部分进行详细讲解，并配合动手操作，学生先观察实体仪器的实验现象。然后将需要探究的学习内容以学习单的形式分配给各小组。各学习小组在虚拟实验室操作平台上进行探究，再进行总结、回答。学生在自主探究后不难发现，“加速极电压”越大，粒子运动形成的圆周轨迹越大；“励磁电流”越大，粒子运动形成的圆周轨迹越小。通过分析可知，加速电压越大，粒子的速度越大；励磁电流越大，磁感强度越大，从而知道粒子在磁场中的受力与速度、磁感强度有关，从而突出教学重点。同时，通过安培力推导洛伦兹力的过程后，需要强调“左手定则”的使用，利用实验仪器来验证“左手定则”更加容易加深学生的印象，强化教学难点的理解。这个实验仪器中，匀强磁场的获取采用通电线圈产生，磁场的方向并没有标注。在这一分析过程中磁场能否具象化，直接影响学生的的分析。部分学生对磁场空间想象力不足，就容易造成这一分析过程的困惑，同时由于三维立体分析的存在，对学生能力要求较高。采用虚拟实验室的具化功能，可以有效地解决这一问题（如图1所示）。

3.2  利用一致性优势

前文说过，虚拟实验源于真实实验和教材，虚拟实验中所呈现出来的实验器材和能够进行的实验操作，与真实实验中的实物一致。以“测量电源电动势及内电阻”为例，本节课的授课目标是：（1）理解测量电路中实验器材的合理选择与电路设计，掌握数据处理中图像法的直观性与准确性，知道闭合电路欧姆定律是用能量的观点认识自然现象；（2）通过分析电路、求解未知量的过程，认识分析、判断的研究方法;通过图像法处理实验数据，体会数理结合的研究方法；（3）通过实验电路设计、实验器材选取、实验数据的采集与处理、误差分析与控制，达到本次实验的目的，同时对比两种数据处理方法的利弊；（4）通过实验操作和实验器材分析，培养学生实事求是的态度，了解电源在生产、生活中的广泛应用。作为平时考试的热点实验，授课过程中，在仪器选择上需要特别注意。由于虚拟实验室的安全特点，笔者在授课过程中特意不强调电压表、电流表的量程选择，就让学生在虚拟实验室中进行实验，果然有一部分学生就会因为没注意量程的选择而“烧坏”电表，接收到系统的声音提示。这时，笔者再安排学生进行探究、发言，从而达到强调量程选择的目的。

同时，作为本次实验主流的“伏安法”测量，为了解决“合理选用滑动变阻器”这一教学目的，得到“滑动变阻器最大阻值在电源内阻5倍以内，调节滑动变阻器时，电压表、电流表示数变化明显”这一结论，采用虚拟实验室进行授课，可以大大提高课堂利用率。若采用实物仪器测量，需预先测量出电源的内电阻，然后准备几个不同阻值的滑动变阻器让学生轮换尝试。而采用虚拟实验室，只需鼠标右击电源，设定电源内阻，接着鼠标右击滑动变阻器，就可以设定滑动变阻器的阻值，设定完成后，移动变阻器滑片，就可以观察电压表、电流表示数变化情况了。通过操作不难发现，当滑动变阻器远大于电源内阻时，调节滑动变阻器无法得到较好的U-I图像分布点，电压、电流变化明显的点集中在滑动变阻器最后的一小截，前面的移动很难观察到电压表、电流表示数的变化。而当滑动变阻器与电源内阻差不多的时候，就不存在这一现象了，能够观察到变化较为明显的示数值，然后再利用TI图形计算器进行图形拟合及数学推导，突破上述教学目的（该图形计算器因与本文主题无关，故不在本文中展开论述）。

3.3  利用开放性优势

仍然以“测量电源电动势及内电阻”教学为例，本节课的课程拓展要点在于：通过学习传统的“伏安法”测量及数据处理，进一步巩固闭合电路欧姆定律知识，学习图像处理数据的科学思想，并合理利用“伏阻法”“安阻法”来实现电路测量知识的拓展。在有效的课堂时间内，学生一般只能完成“伏安法”测量电动势及内电阻这一教材内要求的测量方式，而对于本实验的延伸“伏阻法”“安阻法”的测量及其数据处理，作为考试内容的热点，若再安排一课时进行实验授课，会占用其他内容的授课进度；若不安排实验操作，又恐学生理解不透。笔者在教学设计中，将以上两种方法作为课后探究内容，并采用虚拟实验室进行课后实验。学生只需在家中就可以自主探究，不受空间、时间的限制，有效辅助了课堂教学。

另外，像这类的拓展实验，也可以作为校本研究性学习小组的学习模式，利用虚拟实验室拓展学生思维，丰富学生的实验感观，增加学习物理的兴趣。

4  虚拟实验室应用反思

通过上述案例应用不难发现，虚拟实验室相较于传统实验教学确实有着诸多的优点，如：操作简单、方便备课及实验准备、实验现象明显、可重复操作、避免安全隐患等等，能够有效地实现以下目的：创设物理教学情境， 提高学生学习效率；提高实验的可观测性， 增加实验的灵活性；提高课堂的交互性和积极性[ 3 ]。但是，虚拟实验室毕竟是一个成果化的实验系统，它的实验是预设在内的，对于一些新想法及新问题的发现，其实还是一种无形的束缚。学生在使用中无法探索未知的知识。同时，现实实验是对学生视觉、触觉、听觉、嗅觉的综合调动，而使用虚拟实验室，必然会导致一部分感知的缺失，削弱了学生部分能力的调动。同样，虚拟实验室无法快速提高学生对真实实验仪器设备操作的水平，不利于学生在真实情境下观察现象、发现问题的能力培养。所以，教师在教学中要针对具体的教学内容，合理选用实验、“虚实结合”，以实现教学效果的最大化。

科技的发展必然会带动现代化教育方式的改变，信息化教学技术的应用带来更多教学方法的选择。在这股浪潮中，更要坚守教书育人的本心，静下心思考如何合理利用各类技术提高教学的质量，更好的为教学服务。

参考文献：

［1］ 蒋涛.信息技术与高中物理教学的深度融合策略[J].中小学电教（教学），2021（5）：23-24.

［2］ 雷江蛟，朱婷琦.虚拟仿真实验室在高中化学课堂中的应用[J].基础教育研究，2021（19）：69-71.

［3］ 严炜，杨晓梅.虚拟实验室在中学物理教学中的应用[J].物理教學探讨，2019，37（7）：70-72.