虚拟仿真实验在高中物理教学中的应用初探——以理想化模型教学为例

赵永松

(六安市第二中学河西校区 安徽六安 237000)

虚拟仿真实验创建伊始,就被应用于教育教学,其很好地推进了信息化教学建设,弥补了传统教学中的不足。相对于受器材、条件、时间、空间等限制的传统实验,虚拟仿真实验只需要用一台电脑就能完成;虚拟仿真技术的应用,能够以较低的成本投入达到较好的学习效果,同时其相关资源可以共享,更有利于缩小教育差距。在物理教学方面,虚拟仿真实验的使用能够很好地满足物理教学的科研需求,同时通过教研能够促进虚拟仿真实验的应用,为教育教学引入创新思维,两者相互促进。本研究将虚拟仿真实验应用于高中物理理想化模型教学中,为教学提供新思路,帮助学生将理想化模型实体化,更有利于学生对理想化模型的理解。

一、虚拟仿真实验的优势

(一)实验内容精彩

借助虚拟仿真实验将国家产业技术发展中的最新研究成果转化为基于虚拟仿真的实验性教学课程,不仅可以保证实验的内容丰富精彩,还能够缩短资金投入至教学中的时间,以及适应我们经济社会快速进步发展对于人才培养的新需求,达到立德树人的教育目的。

(二)实验构思巧妙

学生的知识储备有限,自主预习探究的能力较差。因此在设计虚拟仿真实验时,往往需要专业人士反复推敲,不断思索,对于相关课题的中心要义高度凝练,用每个学生都能够通晓、最一般的教学手段和方法深入地进行课堂教学和实践,让每个学生轻松地自主去完成课堂教学,让老师较容易地组织课堂教学。

(三)实验技术先进

将大量前沿的专业知识尽可能地转换为一个个虚拟仿真模型的实验课程教学,不仅能有效夯实学生的专业基本知识,也可以培养学生充分运用知识解决专业性问题的能力。要想达到培养学生创新能力的目的,必然要让学生了解高层次知识,接触高水平的技术。

(四)实验评价客观

学生在完成实践后所收到的实验技术能力的评估是实现虚拟仿真教学课程项目的设计工作中最为重要的组成部分。在虚拟仿真实验课堂的教学设计中,教师要全面评估学生从实践中获取到的知识、技术、素质情况,以及学生在该课程学习中需要提升的各种综合技能和素质情况。每个虚拟仿真实验课堂教学都包含了相应的组成部分,并通过合理的建模方式,自动生成对学生实验技术和能力的客观评估。

(五)形象展现抽象

一些实验装置的内部结构和形状是看不见的,但可以借助虚拟仿真实验呈现。例如大型加速器内部结构,微观粒子运动规律等,可使用虚拟仿真实验进行形象展现。

二、虚拟仿真实验在高中物理理想化模型教学中应用的可行性

(一)经济可行性

经济可行性主要分析成本和效益,即对虚拟仿真实验投入物理教学是否合理进行评估。

相关技术、框架、平台都是免费的、开源的,只需要一台电脑。在应用时,师生通过浏览器即可完成对虚拟仿真实验的访问与操作。开发后的平台,既可促进信息化校园建设,又可作为实用工具供师生学习理想模型等物理学科内容,大大提高效率;浸入式虚拟仿真实验同样可以促进师生学习,这虽然需要一定的投入,但浸入式虚拟仿真实验设备并非只可针对一个实验使用,可以通过调节相关参数达到“一器多用”。相比于传统实验教学模式,负担更低,效益更高。

(二)技术可行性

技术可行性分析主要分析现有人力、物力等因素能否完成虚拟仿真实验为理想模型教学服务的相关工作,其目的是防止虚拟仿真实验沦为“形象工程”,带来因技术问题导致的无法正常开发或使用,从而造成巨大的损失。

在开发者层面,虚拟仿真实验及相关技术的开发、运营、培训等工作有专人负责,而且相关工作已开展多年,有一定的经验基础支撑。部分信息技术特长教师也可进行虚拟仿真实验的开发工作;在应用层面,相关部门完善对教师的信息化教学相关培训工作体系,已经开展相关培训多年。新时代教师队伍改革中就明确指出了教师要主动适应信息化、人工智能等新技术变革,积极开展教学。

(三)操作可行性

操作可行性分析侧重于两个方面,一是学生的使用体验,二是虚拟仿真实验与理想化模型教学是否适配。

在多年的信息化教学资源开发中,有许多学者对其展开研究,剖析了平台设计、建设与应用的一系列原则。虽然参与虚拟仿真实验系统开发的主体不是教师团队,但是基于现有的研究和一线教师经验,其设计可以既符合促进学生知识学习,又符合现有的师生信息技术能力,大多较为简单、便捷。较为复杂的习题和操作,往往配有操作手册与视频,极其细致。师生在操作过程中遇到困难可以自行解决,极大地便利了操作。

传统的理想模型建构过程大多发生在学生的思维活动中,虚拟仿真实验可以借助其交互性帮助学生完成思维活动,进一步巩固提升。虚拟仿真实验很好地弥补了传统理想模型教学中出现的缺陷,将二者结合起来进行教学是可行的,有益的。

三、虚拟仿真实验在高中物理理想化模型教学中应用的必要性

(一)培养创新性人才的必要方法

为满足我国对创新性人才的需求,中学需要借助实验教学对学生创新性和动手能力进行培养,理想化模型虽本身并不存在,但它是认识事物和总结规律的必然产物。虚拟仿真实验极大地方便学生认识事物和总结规律的过程,将二者结合起来有利于改革实验教学,培养创新性人才。

(二)改进传统教学的必经之路

在虚拟仿真实验教学中,学生不仅可以保证自身安全,而且在仿真环境中有效地学习和练习,这不仅节省了大量的时间和金钱,而且可以有效提高实践和创新能力。同时虚拟仿真实验也为教师开展理想化模型教学提供新方法,便于其开展教研工作。

(三)推进信息化教学的重要一环

信息化教学已经成了新时代教学的显著特征,物理教学也应与时俱进。理想化模型教学的特点,使它非常适合借助现代教育技术开展教育教学,虚拟仿真实验很好地解决了传统教学的弊端。因此,将虚拟仿真实验应用于高中物理理想化模型教学能够推进信息化教学,符合时代发展需求。

四、基于虚拟仿真实验的理想化模型教学案例研究

在传统的理想化模型教学中,有些条件、对象和过程是现实场景难以展现的,借助虚拟仿真实验可以很好地解决这些问题。笔者选用NOBOOK虚拟仿真实验作为教学资源进行“牛顿第一定律”设计。

(一)借助虚拟仿真完成实验

演示实验:

球从斜面相同高度处下落,斜面末端分别放着毛巾、丝巾和桌面,让学生仔细观察现象并思考以下问题:实验现象是什么?说明了什么问题?如果没有摩擦力的作用,球将会如何运动?

本实验可以借助实物实验很好地呈现,且同学们有相关的经验,但在进一步迁移到没有摩擦力的情况时就难以实现,借助虚拟仿真实验便于更直观地呈现出如果没有摩擦力的作用,球将会一直运动下去。

理想实验:

物理学史及伽利略理想实验教师活动学生活动 理想实验(虚拟仿真实验)释放小球将轨道的倾角减小继续减小倾角当倾角为0时【理想实验】观察与思考1.不同倾角下小球的运动路程有何变化?2.当倾角为0是,小球将如何运动?小结:伽利略根据“理想实验”判断小球应该以恒定的速率永远运动下去。由此可知,在水平面上做匀速运动不需要外力维持。理想实验是研究物理问题的重要方法。教师通过讲解与演示介绍伽利略是如何反驳亚里士多德的观点教师演示仔细观察演示实验,体会理想化实验学生思考分析

学生实验:

【学生实验】使用现代教育技术虚拟仿真实验创造无摩擦情境:进行气垫导轨实验,让学生观察滑块的运动状态。根据实验数值判断滑块做什么运动。滑块做匀速直线运动小结物理学史,引导学生得出根据直接观察所得到的直觉结论是不可靠的。教师辅助实验学生实验,观察分析、总结

(二)案例分析与总结

在本案例中,虚拟仿真实验应用于条件理想化模型中,再现了伽利略的理想实验、演示了无外力作用下小车的运动,取得了一定的教学效果。从整个教学过程来看,虚拟仿真实验增加了学生在理想化模型中的活动,学生建构理想化模型的效果较传统教学更好,主要体现在对学生能力和思维的培养方面。当然,虚拟仿真实验的引入也存在不足,需要前期对学生的虚拟仿真实验操作能力进行培养,对学生的信息技术能力有一定要求。