虚拟仿真技术在物理实验教学的应用论文
时间：2021-08-31以信息技术为工具，使课程内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生的互动方式实现全新的变革，优化教学过程中的各个要素和环节，这是数字化教学与课程融合的要求。将信息技术有效融入物理教学过程来营造一种新型的教学环境，可实现既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的“自主、探究、合作”教与学，让学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来，使创新精神和实践能力的培养真正落到实处。笔者在探索数字化教学与物理课程融合过程中，发现了许多非常适合新时期物理实验教学的软件应用。本文主要以NB物理实验为例，阐述教学软件与物理实验教学融合的策略。
一、虚拟实验与物理课程融合的缘由
NB物理实验全称“NOBOOK虚拟仿真实验”（基于HTML5技术），支持多终端跨平台访问——电子白板、台式机、一体机、平板电脑等终端均可使用，适应Windows、IOS、Android等平台。不仅支持教师任意组装实验、不受实验步骤的限制，而且所有实验操作均可呈现准确的实验数据以及逼真的实验现象。NB物理实验分为NB电学实验、电磁学实验、力学实验、光学实验、热学实验和声学实验6个独立的APP。教师在课堂教学中可以打开相应的APP，通过投屏展示实验的操作过程，可较为直观地看到实验的一些现象。在学生终端上可安装这些软件，可以让学生根据自己的需要，自主设计实验方案、自主选择实验器材、自主搭配和组装实验仪器，并记录实验数据。该应用软件可帮助学生发现实验设计中的问题，以便在真实的实验环境下，减少实验过程中对仪器的损坏。学生在家里，也可随时通过软件进行相关的实验操作，并做数据分析。NB物理实验与物理课程融合的优势及条件如下：（1）NB物理实验是一种全新的网络技术与多媒体技术一体化的虚拟实验系统，它载有适用多系统的软件与APP、多类型的虚拟实验器材、多样化的自主操控平台及多终端互动的教学平台，在真实实验的基础上可实现信息技术与物理实验教学的融合，在延续传统的同时弥补了其不足；（2）NB物理实验利用虚拟仪器做实验，用户可以自行设置各种参数，以获得理想的效果；（3）虚拟仪器的应用突破了现有实验条件的限制，排除了各种干扰因素对实验的影响（它与数字化实验系统的融合值得深入研究）；（4）我国许多地区的教室多为多媒体教室，大都能配备大尺寸多媒体一体机，无线网络全覆盖，有些学校还拥有移动智能手机终端设备，这些都为NB物理实验进入课堂提供了条件。
二、基于数字化实验系统的物理实验融合应用
NB物理实验等数字化实验系统为我们提供了一个新的实验探究平台。应用此平台能让学生从数据读取、公式运算和图像描绘等烦琐的劳动中解脱出来，让学生有充足的时间和精力对物理现象进行多角度的感知和多视角的探究。同时，我们要认识到数字化实验系统与物理课程的有效融合需要先进的教育思想介入，它的合理应用本身就要求同步变革传统教育观念、教育思想与教育模式，代之以尊重人的主动性、首创性、反思性、合作性的全新的教育观念、教育思想与教育模式。笔者认为，NB物理实验优越性的充分发挥应基于新的实验教学理念。物理课堂是物理教学的主阵地，任何教学方式的改进都应该首先能够服务于课堂教学，数字化教学与物理课程的融合也不例外。高中阶段所有实验按内容可分为由教师演示的演示实验、由学生验证或测量数据的操作性实验和以探究潜在物理规律的探究性实验三类。
（一）NB物理实验对演示实验的融合
在物理实验中最常见、最普通的实验就是演示实验。物理教师在讲解概念的时候，因班级人数较多，空间相对较大等客观因素，导致很多学生对物理现象观察不清晰，影响学习。虚拟实验则能很好地解决这个问题。以光学实验为例，由于白天教室实验用光线可辨识度低，光学演示实验往往达不到预期效果。虚拟实验中实验光路图都能被实时展现在一体机屏幕上，实验效果直观。这样，大大地提高了学生对光学规律的理解能力。例如，利用NB光学实验进行光学折射定律与全反射规律的演示操作时，教师可添加装水的玻璃水槽用于观察同一光束在不同材料中的偏折情况，让学生清晰地观察到折射角度不同，从而使他们加深对光的折射现象的理解。
（二）NB物理实验对操作实验的融合
操作实验是为了培养学生的动手能力和理论联系实际的能力，一般在操作实验中不主张用虚拟实验代替真实实验。在高中物理教学中，很多电学实验都是操作实验。电学实验仪器数量较多且容易因错误操作造成损坏。所以在教学中要让学生借助虚拟实验观察实验过程，掌握正确的操作方法，避免在实验中出现过失。在实验中要把真实实验与虚拟实验结合，这样既解决了真实实验的困难，又弥补了虚拟实验的不足。另外，电学实验中仪器众多，只能允许学生在实验室进行短暂的电路连接等练习，造成学生的操作能力得不到有效提高。在真实实验的基础上，学生可通过NB物理实验不断练习，同样可以加深对该实验的理解。教师布置虚拟实验题目，让学生利用NB物理实验APP进行仿真实验，并将实验过程形成的NB文件发送给教师。教师通过电脑接收运行学生实验，检查掌握程度。具体操作如下。①选择需要的`实验仪器，合理布局。②根据电路图，进行导线的连接练习，连接好后闭合开关。如果电路连接正确，平台中会显示电流方向（这样可加深学生对电路的理解）。③滑动滑动变阻器滑片改变阻值，读取数据，并点击“记录”，调出表格做记录。完成数据记录后，在表格下点击显示图像，在图像上点击鼠标右键选择连线，形成伏安特性曲线。
（三）NB物理实验对探究实验的融合
探究实验的目的就是培养学生透过现象看本质的能力和发现问题的意识，所以实验情境是很重要的。但在真实试验中，许多事物的现象会受外界因素影响，导致实验误差过大而影响实验效果，这就需要借助虚拟实验。虚拟实验在某种意义上也能起到学习引导作用，让学生更加容易发现物理规律，从而激发学习的兴趣。由于虚拟实验器材的添加不受现实条件限制，学生可根据实验需要同时进行多项实验，大大提升了探究的效率。以“探究影响导体电阻大小的因素”实验为例，该实验需要学生从控制变量的方法入手，探究导体的取材、导线长度、导线横截面积等对电阻的影响。对一般实验室来说，实验仪器有限，教师只能安排分组探究，这势必导致有些学生只能旁观。笔者的解决方案：学生在移动端利用NB电学实验进行虚拟探究，完成仪器的选择并连接电路，继续实验。为了提高探究效率，可再配上相同实验套件，同时进行控制变量实验。
三、总结与反思
NB物理实验作为一种新型实验工具，可以从多个角度与物理实验教学融合拓展。结合具体实验引导学生多角度、全方位地认识物理规律不仅有助于学生掌握实验仪器的使用规律和物理学的研究方法，还能形成线上线下的教学互动，逐渐形成新的教学思想方法，促使其推而广之，将上述思想方法应用于其他学科的学习以及日常的生产、生活之中。在教学活动中，为了达到预期目的，教学主体总是要采用一定的手段作用于对象。教学手段是教学活动不可缺少的组成部分。数字化实验技术为物理教学提供了先进的实验练习手段，但它本身并不代表先进的教学思想。先进的教育技术手段与先进的教学思想有机融合才能实现技术与课程的充分融合。因此，教师在教学活动中不能单纯注重教学手段，还要重视教学思想，重视教学过程和学生学习过程。基于NB物理实验的物理实验的融合拓展体现着先进的教学思想变革，同时还有待更多的一线教师从更多的角度去研究。
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