关于在高中物理实验教学中开展远程实验的思考

陈彦龙

[摘   要]实验教学是物理教学的主要内容之一，也是培养学生物理学习兴趣、科学态度和精神、学科核心素养的重要环节。新课程标准强调实验在物理教学中的重要性，要求教师最大限度地利用实验来提高物理教学的质量和效率。对高中学校而言，建设力、热、声、光等相关实体实验室成本较高，管理实验室的难度较大，且学生实验也会不断消耗实验材料，因此学校压力较大。对此，基于网络建设和开放远程实验室是高中学校的有利选择。远程实验室可以满足学生的实验需求，且建设成本低、管理难度小，能有效解决教学资源短缺和消耗过大的问题。文章分析并探讨在高中物理实验教学中开展远程实验的可行性和具体策略，为使学生获得良好的物理学习效果提供一些思路。

[关键词]高中物理;实验教学;远程实验

[中图分类号]    G633.7            [文献标识码]    A          [文章编号]    1674-6058（2022）03-0025-03

新冠肺炎疫情影响了我国的社会生产和人民的生活，并对我国西部落后地区的教育产生了一定的冲击，最明显的就是新冠肺炎疫情背景下线下实验教学难以开展，缺少实验条件。基于此，本文探索在新冠肺炎疫情背景下，高中物理实验教学中开展远程实验的可行性和具体策略。

一、远程实验概述

远程实验是远程教育的重要组成部分。远程实验所用的实验室通常包括两种形式，一种是以网络虚拟技术为基础的虚拟实验室，另一种是可以远程控制的实验室。两种形式的实验室都依赖网络，学生可以通过计算机或移动终端进行实验操作。远程实验室能够有效解决学校教学资源短缺和消耗过大的问题，实现资源共享，使学生在实验过程中不受时间和空间的限制。远程实验是互联网计算机技术对传统实验资源的补充，也是现代实验教学的发展方向之一，能够给学生、教师带来全新的体验。它对现代教育产生了重大的影响。本文探讨的远程实验是指用户通过互联网远程访问实验室中連接实验设备的计算机，以此来实现对实验室中众多设备的调节和控制，通过实验室现场的摄像机等设备获取真实的实验数据和实验现象。简而言之，远程实验就是人在异地通过计算机和摄像机完成一场真实的实验，实验仪器、实验现象、实验数据均为真实的。但远程实验同样存在不可忽视的缺点，那就是操作无实感，目前的技术条件还没有办法让学生进行有实感的实验操作。远程实验过程中由于人为操作导致的误差和错误难以完全体现。因此，远程实验对培养学生的实验操作能力、观察能力、问题分析能力有一定的限制。

二、远程实验对高中物理实验教学的作用和价值

（一）远程实验对学生掌握实验知识、技能的作用

学生做远程实验与在学校实验室做实体实验一样，都能够获得实验知识和技能。远程实验本质上还是实验，对学生的相关实验知识和技能的要求是一致的。远程实验与实体实验又有所不同，远程实验建立在互联网基础上，学生在远程实验中遇到的困难和问题，可以通过互联网寻找解决的方法和途径，然后返回远程实验室继续做实验。这样的方式不仅有利于学生高效完成实验，而且有利于培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。除此之外，学生在完成远程实验前还可以通过预习、设计仿真实验等途径来进行模拟实验，提高远程实验的成功率。在这个过程中，学生同样能够学到很多知识和技能。

（二）远程实验对实验过程、方法的支持

远程实验基于互联网得以实现，突显了互联网可集视频、动画、音频、图文于一体的特点，不仅能够达到实体实验的要求，而且能够为学生创造良好的学习环境，为学生创设必要的实验情境，满足学生的实验需求。相对实体实验而言，远程实验对学生的实验思路、知识水平要求更高，能够满足学生自主探究、设计实验等需求。远程实验室中可以设计系列实验课题，逐步增加实验的深度和复杂程度，引导学生进行深度的实验探究。物理实体实验室中，为了保证学生的安全，降低实验事故发生的可能性，教师往往会对学生实验操作有较多的限制，对涉及高压电源、放射性物质等危险程度较大的实验一般不会让学生操作，学生想大胆尝试往往也会被教师制止。这样虽然能够保证学生的安全，但也限制了学生在物理领域中的探索，不利于学生的成长。

远程实验能够有效提高物理实验的安全性，给学生最佳保障。学生可以异地远程完成多项实验，观察到真实的物理实验现象。在远程实验室中，学生可以观看其他教师、同学的实验过程和实验结果，可以通过网络平台与教师、同学进行交流，探讨实验操作、实验观察、实验数据处理中遇到的问题。远程实验为学生提供讨论、合作学习的环境和机会，有助于培养学生独立思考和沟通交流的能力。远程实验室一般为全天候开放的实验室，学生可以打破时间和空间的限制进行实验操作，在有兴趣、有灵感、有疑问时都可以进行实验。这样的实验室，提升了学生自主学习的灵活程度，满足了学生自主控制学习时间、时长的需求，更符合未来选择朝物理专业方向发展的高中生的需要。

（三）远程实验对培养学生科学态度的作用

远程实验虽然是通过互联网、计算机进行远程操控，但与仿真实验不同。在远程实验中，学生操控的是真实的实验设备和仪器，观察的是真实的实验现象，获取的是真实的实验数据。这样的实验方式更能够培养学生严谨认真、实事求是的科学态度。而且，远程实验对学生而言是一个比较新奇的事物，与传统的物理实体实验不同，与全程虚拟的物理实验也不同。这种虚实结合的技术能够激发学生的求知欲，让他们对远程实验有较大的兴趣和热情。

（四）远程实验对教师教学和学生自学的作用

在传统的物理实验中，一位教师需要应对全班多个学生、多个实验小组，要不断地在实验室中巡视，无法直接参与每一个学生的实验全过程。这样的实验方式不利于教师了解学生的实验进度，不利于教师了解学生实验的优势和不足，容易影响物理实验教学的质量和效率。远程实验能够为教师提供学生的实验过程记录，方便教师调取监控影像和数据，让教师在有需要时尽可能多地了解学生的实验情况，有利于教师做出更科学、更合理、更公正的评价。学生也可以通过回顾自己实验过程中的监控影像来了解自己的不足，找到实验中的问题，养成反思的习惯。

三、远程实验在高中物理教学中的实际开展

远程实验是异地远距离操控实验，实验室无人值守，因此并不适合进行操作较多的物理实验，更适合一些将实验器材和仪器连接后通过调节参数来获取实验现象、实验数据的物理实验，如电学和磁学实验、光学实验、原子实验等。在远程实验中，教师和学生需要登录远程实验教学网站，下载相关插件，进行实验并获取实时图像。远程实验室实景如图1所示。

以“传感器的简单应用”实验为例，传感器是现代化自动控制领域中重要的技术元件，是一种将所感受到的物理量转化为便于测量的量的元件。常见的传感器内部有光敏电阻或热敏电阻等结构，我们可根据光、热等物理量的强度变化来控制电路中的电压或电流变化，从而实现对其他元件的控制。在物理实验中，教师和学生可以通过调节传感器所感受的物理量（力、热、声、光等），让传感器进行转化处理，并通过监控电压、电流变化的方式来获取相应的实验数据，了解传感器的实际工作过程。这个实验可以运用远程实验的方式来开展，无须教师将学生带到物理实体实验室中，或将实验器材搬入教室进行演示。教师和学生可以登录远程实验教学网站，在了解本次实验的目的、意义、原理、仪器装置、流程的情况下，对远程实验中的物理量（力、热、声、光等）进行调控，通过电压、电流测量仪器了解传感器的信号传递效果，从而利用真实的实验设备、影像、数据来完成本次实验。具体操作流程如图2。

这样的教学采用了在互联网上操控实验和进行数据处理的实验模式，实现了校内仪器在校际、家校间的资源共享，提高了物理实验教学的效率。

在教授“探究加速度与力、质量的关系”这一课时，教师可引导学生利用控制变量的方法来探究质量、力和加速度之间的关系。在实验中，平衡摩擦时要把纸袋挂在小车上，把悬挂小盘的细绳系在小车上，轻推小車，让小车带动纸带向下运动，直到纸带上留下间隔相等的点为止。在小车质量不变的情况下，探究力与加速度的关系时，利用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力，实际小车受到的拉力要比小盘和砝码的总重力小，这就会产生实验误差。小盘和砝码的总质量越接近小车质量，实验误差就越大;小盘和砝码的总质量越小，实验误差就越小。在短短45分钟的时间内，教师既要求学生完成实验操作，又要求学生准确无误地处理实验数据，这对操作能力较弱的学生而言是一种挑战。课后，教师可用气垫导轨代替长木板，在小车上安装力传感器，用速度传感器代替打点计时器来进行实验，用摄像机把实验操作过程录制好，应用远程实验教学平台和互联网把实验操作过程和实验数据传送到学生终端，让每个学生都可以在线下参与、经历、体验实验的过程，感受实验的魅力和科学的严谨。教师还可以让学生利用空闲时间线上进一步完善实验操作过程，这样既加深了学生对物理知识的理解，又培养了学生的发散性思维和创新能力。因此，教师应随时随地调整线上和线下的实验教学进程，让学生在实践中探究、在探究中实践，激发学生的求知欲，促进学生全面和可持续地发展。教师还可以在实验过程中组织学生展开交流和讨论，让学生自行完成实验单一变量的控制和调节，获取实验数据、现象，引导学生将远程实验数据、现象等资料收集起来，根据实验真实过程和结果来进行分析。如果实验过程中出现了异常现象，教师可以给学生提供机会和空间，引导学生通过查阅资料、独立思考、小组讨论等途径来自行分析问题和解决问题，最终顺利完成实验。而且，学生在课后进行复习时，也可以登录远程实验教学网站进行重复实验或查看其他教师、同学的实验过程和结果，在反复实验、反复练习中快速掌握实验仪器的使用方法，找到影响实验结果的原因。

总之，远程实验是一种与传统实体实验有较大区别的实验方式，它不仅能够填补传统物理实验教学的不足，还能够有效提高物理实验的安全性，帮助学生打破时间、空间的限制。远程实验的真实实验过程、反复练习空间、师生交互平台都有利于学生的学习和成长，能够有效培养学生的观察能力、动手能力和分析总结能力，这对未来选择朝物理专业方向发展的高中生而言十分有利。远程实验虽然缺少能接触实验仪器、材料的真实感，但整体上的真实程度超过仿真实验，对学生的学习帮助更大。目前，很多中学与大学合作构建远程实验室，希望可以满足高中物理实验教学的需求，减轻学校建设和维护实验室的压力，节约教育教学成本。但远程实验不能完全替代传统实体实验，只能作为教学辅助手段。

[   参   考   文   献   ]

[1]  王珍宁，吴先球，陈俊芳.在高中物理实验教学中开展远程实验的探讨[J].物理教师，2007（1）：30-31.

[2]  薛君.基于增强现实技术的高中物理光学仿真实验系统的开发[J].数字化用户，2017（39）：211-212.

[3]  郑琦，曾斌，吴先球. 关于学生接受远程实验影响因素的简单探索[J]. 中国现代教育装备，2016（6）：21-24.

[4]  刘丝雨.开发PhLab软件提高中学物理演示实验有效性的研究[D].成都：四川师范大学，2019.

（责任编辑    李琪琦）

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