虚拟技术点亮物理实验课堂

邱晓峰 林冰冰

摘 要：光学实验长期以来是高中物理教学中不受重视的一部分，其原因在于高考对光学实验考察的弱化和实验操作的困难较大.本文用若干教学实例介绍了在高中物理光学教学中如何将NB虚拟实验室与教学有效融合，以达到更高效地培养学生的动手能力、探究能力，优化光学实验课教学的目的，让物理学科的学科核心素养有效落地.

关键词：虚拟实验室;光学实验;信息技术;核心素养

文章编号：1008-4134（2019）21-0049 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

作者简介：邱晓峰（1981-），男，福建南平人，本科，中学一级教师，研究方向：信息技术应用与中学物理教学方法;

林冰冰（1987-），女，福建福清人，硕士，讲师，研究方向：物理学科教学.

进入21世纪，世界各国都高度重视信息技术与教学的融合，前不久国家发布的《教育信息化2.0行动计划》中明确要求“将教育信息化作为教育系统性变革的内生变量，支撑引领教育现代化发展，推动教育理念更新、模式变革、体系重构、使我国教育信息化发展水平走在世界前列”[1].在教育信息化从1.0升级到2.0的过程中“深度融合”“内生变量”将成为教师需要认真思考的问题.

虚拟实验技术作为新兴信息技术的一种，如何有效地将其融合进以实验为基础的物理学科教学中，一直以来都是信息技术和课程整合研究的热点问题以及发展的趋势.我们在中学物理课堂中设置分组实验，不仅仅是为了验证理论知识，更是为了加强学生在动手操作过程中培养实验操作能力、分析数据能力、应用所学的知识解决实际问题的能力、以及小组协作能力等，让学生在实践活动中理解知识，在任务创新中进阶思维.而实验环境一旦虚拟化后，物理实验的精髓是否还存在？这也是广大教师担忧的问题.其实我们并没有让虚拟实验完全代替传统实验，而是在传统实验为主的基础上，利用虚拟实验室的特点大大改善传统实验对学生进行实验活动的制约.北京师范大学何克抗教授说：“所谓信息技术与课程整合，就是将信息技术有效地融合在各学科的教学来营造一种信息化教学环境，实现一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的以‘自主、探究、合作为特征的教学方式，从而把学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来”[2].本文列举了笔者在光学实验教学实践中的若干个案例，以此来阐述如何有效地把虚拟实验室技术与实验教学融合.

1 补充分组实验数据 辅助实验结果分析

物理学科在教学过程中能让学生做实验的，教师应该尽力创设条件让学生去亲身经历实验的全过程.在分组实验中存在着理论规律学生已经掌握了的部分实验，在实验中改变实验条件需要耗费大量实验时间，在有限的教学时间内，多数学生只能完成一种实验条件，无法完成多组，这时候虚拟实验室的辅助功能就可以凸显出来了.教师可以让学生在实验室中实际操作完成一组实验后，改变实验条件的部分则是通过虚拟实验平台完成.例如透镜成像实验，在此实验中需要多次调节光屏才能找到蜡烛成像的位置，而且对实验环境的要求很高，若周围亮度较强，会造成蜡烛的像亮度变化不明显，不易准确找到成像位置.这时我们利用NB虚拟物理实验中的光学实验平台，搭建出如图1所示的实验装置.学生可以在电脑上很方便地更换光源（有蜡烛，字母F等），调节整个光具组等高共轴，调节光源、透镜、光屏的位置，在电脑屏幕上观察不同位置时成像的情况，并且很快地记录下各个光具座所在的位置.所有的实验步骤易操作，实验现象便于观察，实验数据记录便利，数据的分析也可以利用计算机完成，大幅度提升了本实验的实验效率.这样学生在已有操作经历的基础上，可以把更多的精力花在对实验现象、实验规律的总结和对理论知识的理解上.

2 丰富实验探究素材 优化课堂探究过程

有些光学实验是在中学实验室条件下难以完成的，究其原因如实验器材的紧缺、中学实验器材精确度不高等，但此实验对学生理解物理规律、深化理论知识应用能力的提升又有很大帮助的，这时候我们就可以利用虚拟实验室来完成这类实验.但如果单纯地依靠计算机进行模拟，用鼠标在屏幕上完成实验，课堂上很重要的一个环节就会丢失，这就是互动，包括师生互动和生生之间的互动.如何在利用虚拟实验室完成实际难以操作的实验中，依然能够让学生在互动中学习，这就需要教师从建构主义、多元认知理论等方面去思考，更加精心地设计教学环节.

例如高中光学中有这样一类问题：

如图2所示，ox轴沿水平方向，oy轴沿竖直向上方向.在x>0，y>0的区域内存在某种分布范围足够广的介质，其折射率随着y的变化而变化.一束细光束入射到介质表面，并沿着如图2所示从a到b的一条弧形路径传播.下列判断正确的是

A.此介质的折射率随着y的增大而减小

B.海洋蜃楼发生时空气折射率随高度的变化与此类似

C.沙漠蜃楼发生时空气折射率随高度的变化与此类似

D.这束细光束在继续传播的过程中会发生全反射

本题型涉及到光通过连续不均匀介质的问题，是属于折射定律中难度较大的应用.教师若按照传统教学方法去讲解，通过折射定律的数学推导，因涉及到高等数学的知识，使得很大一部分同学并没有完全理解本题的内在实质，只是简单地记答案，题目只要稍作变形就无法解决.那么应用虚拟实验室教师可以先让学生猜测一下：如果一束光通过随高度增大而折射率逐渐减小的介质，光的传播路径会出现什么情况，原因是什么？

让学生自己先畫出猜想的结果，并尝试解释它.然后教师再用NB虚拟实验室去模拟实验结果如图3所示，因为学生有事先猜想，对实验有参与感，所以学生对结果的揭晓是很重视的.此时教师又可以让做出正确结果的同学来说一说用折射定律如何解释这种现象，加强学生和学生之间的互动，由学生告诉学生答案的效果要比教师告诉学生答案的效果好得多.最后，教师可以继续引导学生：“那么，我们生活中有什么实例是刚才这种现象的应用？”学生只要稍加思考和联系生活就可以马上发现这就是海市蜃楼的物理模型.

教师还可以在课堂上及时改变实验条件，出现如图4所示的光路，让学生应用折射定律再次解释，反复巩固所学过的理论知识.如此在教学实践中有机结合虚拟实验室的优点，在利用技术的基础上再通过教师适时的引导，让学生自主进行知识重构，不仅能够增强课堂上的互动效果，并在此过程中完成物理核心素养中科学思维的培养落地，这包括有对世界的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解.

3 再现经典实验 提升学生学科素养

高中物理在介绍光的本性这部分内容中，由于高考对此部分的要求并不高，所以教师常忽视这部分的教学，学生并没有真正理解什么是光的干涉和衍射，甚至有部分学生并不认识衍射图案和干涉图案.鉴于现实实验条件的限制，大多数中学并没有办法让学生亲手操作光的衍射和干涉实验.虽然高考对这部分的考察很少，但对光的本性的研究是物理学发展中很重要的一个里程碑，对光的本性有正确的认识会对中学生的物理学科核心素养有很好的提升作用.我们利用虚拟实验平台就可以很方便地展示泊松亮斑、圆屏衍射、双缝干涉等物理学上的经典实验（如图5）.学生通过虚拟实验平台对这些实验现象的理解就不仅仅停留在课本上的插图，而是有了自己的亲身经历，对学生理解相关部分的理论知识和完善学生学科知识体系等都起到了很好的辅助作用.

4 拓展实验探究 培养实践意识

在教学中，如果能激发起学生的学习兴趣，学生自主学习的能力就能够得到极大的提高.自主学习的形成让学生真正成为教学的主体，让学生自发地参与到教学实践活动中来，许多问题由学生在学习过程中自行产生，然后自行设计实验去验证想法的真伪，如果都做真实的实验，耗时费力，有时候反而会挫伤学生自主学习的热情.而虚拟实验室就能够很好地解决这个问题，软件中把各个光学元件模块化，学生可以根据自己的需求去调用自己所需的光学元件进行组装，满足学生各种天马行空的猜想，实验失败也不用担心会损坏仪器，实验过程中如果产生新的想法也可以很方便地改变实验条件，实验现象容易观察，实验数据方便记录.同时课后虚拟平台还记录下学生的实验轨迹、学生的学习行为等过程性数据，这对帮助教师了解学生学情，优化教学策略，帮助学生定位自我认知水平等都有很大的帮助.

5 结束语

2018年教育部发布的普通高中学科课程标准中明确地提出了学科核心素养，物理学科的核心素养之一就包括科学探究，而从教育的角度来说，物理实验教育对学生更好地理解自然科学知识、提升学生的科学素养、培养学生的创新意识求知意识等方面都具有举足轻重的作用.在“互联网+”时代，由于虚拟实验技术的进步，物理实验的内容和方式方法都得到极大的扩展[3].教师在教学中应该注重将传统的物理实验与虚拟实验技术更有效地结合起来，这样将使学生的科学实验活动不受地域和时间的制约，更好地培养学生的主动学习能力，提升学生的学科素养.

参考文献：

[1]教育部.教育信息化2.0行动计划[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[2]何克抗.信息技術与课程深层次整合理论[M].北京：北京师范大学出版社，2008.

[3]黄爱国.“互联网+”时代的中学物理教学展望[J].物理教师，2017，38（06）：74-76+79.

（收稿日期：2019-09-07）