虚拟仿真技术助力高中物理实验可视化教学

李毓 崔北元 黄振侠

［摘 要］传统的高中物理实验教学在资源、设备、安全等方面存在一些欠缺。采用虚拟仿真技术可基本解决传统实验教学的问题，实现高中物理实验可视化教学，为高中物理教学提供一种新的途径，帮助学生理解科学原理，培养学生的解决问题能力和创新能力。

［关键词］虚拟仿真技术；高中物理实验；可视化；NB实验

［中图分类号］   G633.7            ［文献标识码］   A          ［文章编号］   1674-6058（2023）24-0046-03

实验是物理的基础，也可以说是物理学科的灵魂所在。因此，学生对物理实验原理的理解程度、实验操作设计的熟练程度、数据分析能力的强弱，是直接影响学生科学素养发展、理性思维养成和创新意识培养的重要因素［1］。

一、传统高中物理实验教学的现状

传统的高中物理实验教学面临着多种挑战。在实验准备环节，任课教师首先要准备好所需的实验器材，并且尽可能多次进行预实验来应对学生在实验过程中可能出现的各种问题，这将耗费教师大量的时间和精力。在一些物理教师人员不充足的学校，加之教师的课时量大，导致部分教师没有时间和精力再安排学生实验。在实验操作环节，需要有足够的实验器材。由于经济条件有限，部分地区学校无法凑足实验器材，导致实验教学无法进行。而就算是实验器材能够备足，实验室也需要配备专门人员来保障实验过程的安全，即既要尽量防止实验仪器的损坏，又要避免安全事故的发生。另外，有很多高中物理实验在现实环境下很难得到比较明显或者理想的实验结果，需要在理想状态下才能实现，比如伽利略理想斜面实验、牛顿管实验、微小形变的演示等。而传统实验方式的这些不足，可用虚拟实验来弥补。NB物理实验是一种利用计算机的科学算法和大数据为技术基础实现的新型实验方式，它已成为“互联网+教育”的一项非常重要的应用成果。NB物理实验采用的虚拟仿真技术能够为高中物理实验的可视化教学带来强有力的助力，也将成为教育信息化服务于物理实验教学的重要手段。

二、NB物理实验介绍

NB物理实验（见图1）是一款专门为中学物理教学打造的虚拟仿真实验室软件，覆盖了初、高中各版本物理主流教材中的力学、电学、电磁学、光学、声学、热学等领域的所有典型实验和探究实验。该软件包含“经典实验”和“DIY实验”两个主要模块。

“经典实验”主要由实验目的、实验器材、实验步骤和实验结论四个部分组成。用户可以根据软件提供的实验器材和实验步骤进行实验操作和探究，以验证实验原理。

“DIY实验”是NB物理实验的一个特色功能，“DIY实验”包含初、高中物理所有实验器材，是由电学、力学、光学、电磁学等多种物理“引擎”开发而成。用户能够按照自己的实验需要自行设计，从实验思路的设计到实验器材的选择、实验仪器的搭配和组装、实验方案的创新，甚至是实验结果的论证都可以在NB物理实验中实现［2］。

相比传统的实验方式，NB物理实验可以帮助教师和学生解决一些实验问题，如弥补实验器材不足、确保实验安全、呈现只有理想条件下才能实现的实验等。虚拟仿真实验技术的应用使得高中物理实验教学更加可视化，更加生动形象，使学生能够深刻地理解物理知识，提高科学素养，发展理性思维，培养创新意识。因此，虚拟仿真实验教学已成为教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，正在被越来越多的学校推广应用。

三、NB物理实验助力高中物理实验的可视化教学

（一）NB物理实验弥补器材不足

NB物理实验涵盖了初、高中物理所有实验器材，可供物理教师根据课程内容有针对性地选择实验器材开展实验教学，弥补传统实验教学中器材不足的问题。无论是在家中还是在学校，教师都可以通过软件进行备课，随时调取所需实验器材，节约备课时间，提高备课效率。例如，在教学电磁学内容时，教师可以从NB物理实验的电磁学器材（见图2）中实时调取库仑扭秤实验装置、手摇发电机、变压器等，让学生直观地感受实验现场。又如，在向心力实验中，向心力演示器并不是所有地区、学校都有，但通过NB物理实验，教师可以向学生直观地介绍向心力演示器（见图3）。

传统实验所用的器材和设备价格昂贵，且数量和种类有限。使用虚拟仿真实验软件进行教学，不仅成本低，而且软件中的实验器材可以无限重复使用。此外，学生可以亲自尝试实验，加深理解。

（二）NB物理实验使实验可视化

NB物理实验能够生动、逼真、立体地展现实验过程，使抽象的實验变得具象。教师可根据教学需求，有效应用NB物理实验，提高教学效果。而一些复杂、危险或在传统实验中无法完成的实验，都可以在NB物理实验中进行。通过NB物理实验，教师再也不必因传统实验的欠缺问题而让学生错失体验实验乐趣的机会。

例如，在真实实验中由于空气阻力因素的影响，弹簧振子无法完美呈现，但是在NB物理实验中却可以精准模拟（见图4）。又如，由于周围环境的影响，在真实环境下进行电荷守恒规律研究的定量分析十分困难。而通过NB物理实验则能轻松实现电荷守恒规律的演示。此外，当研究力的作用效果时，通过NB物理实验验证压力对桌面、玻璃瓶等物体所造成的微小形变（见图5），可以帮助学生突破认知盲区，深化学生对力的作用效果的认识。

（三）NB物理实验解决实验安全问题

从传统的真实实验情境来看，在高中物理实验室中有可能会出现的安全问题有以下几个方面。第一，触电风险。很多高中物理实验涉及电的使用。如电磁学、力学、运动学（打点计时器）方面的实验。第二，击打伤害。高中物理实验中会涉及许多力学知识，其中物体飞溅会带来击打伤害。比如力学实验中一些配重物发生碰撞，运动轨迹变化而引起安全事故。第三，火灾风险。在一些高中物理实验中，尤其是在电学实验中，会有测电阻的实验。如果没有操作好，可能会因为导线过热而引发火灾。NB物理实验中的虚拟环境，完全不会出现这类问题，学生可以大胆尝试，无须小心翼翼。教师的准备工作也大大减少，从而有更多的时间和精力钻研教材、研究教法，保证教学的顺利开展。

（四）利用NB物理实验自主探究

在NB物理实验这个智能化、完全开放式的实验环境里，学生能自由创建实验、自主探究物理规律，能从观察到的许多物理现象中产生一个个问题，从而激发强烈的学习欲望，积极主动地学习。NB物理实验能够促使学生勇于探索、创造并激发其追求真理的精神，长此以往，学生就可以领悟出自己的一套思维方法。在NB物理实验中，学生能够突破教师教学进度的限制，甚至突破现有教材的限制，玩转物理。

此外，学生在NB物理实验里搭建的实验还可以导出，脱离实验平台单独运行，便于随时随地观看、留存，从而成为宝贵的多媒体教学素材。

四、传统真实实验与虚拟实验的关系

NB物理实验目前以虚拟仿真技术的形式在物理实验教学中应用，它能够把理论和实验教学有机地结合起来，帮助教师依据科学探索及研究过程逐步开展教学，对于学生视野的开阔、实验兴趣的提高起到很大的促进作用。但即使NB物理实验具备这样的优势，因传统实验和其操作是完全不同的，不一样的操作感觉会让学生在脑海中形成不一样的实验认知，对此教师不要一味地在教学中图省事而直接用NB物理实验来完全替代真实实验。教学中，教师应充分考虑实验方式的选择，将两者形成相互补充、相辅相成的局面作为重要参考依据［3］。例如，在课前预习环节及课后巩固时，教师可以安排学生使用NB物理实验，这样能够避免一些因操作不当而造成安全事故的问题。有些测量类的实验，比如游标卡尺、螺旋测微器、多用电表的使用，则可安排真实实验。一些在真实环境下无法完成的实验，比如简谐振动的演示、伽利略理想斜面实验等，可使用NB物理实验来完成。总之，NB物理实验应建立在真实实验基础上，而NB物理实验也应成为真实实验的重要补充和主要便捷途径。在教学中只有两者相辅相成、互相补充，才能获得更好的教学效果。

NB物理实验是现代信息技术环境下衍生发展的一种虚拟仿真实验技术的产物，作为一种新的物理实验教学模式，它可以帮助教师解决很多日常实验教学中难以解决甚至无法解决的问题［4］。如果能够合理地利用NB物理实验，将会对高中物理实验教学的优化、高中物理实验教学的效率及质量的提高产生积极深远的影响，但绝不能“为用而用”，要根据具体的物理实验类型、实验功能、实验特点和要求，从实际出发找NB物理实验和传统实验的切入点，把握好“适时”“适度”。如何才能把NB物理实验与传统实验完美地融合到一起？如何才能在运用好系统思想和方法的情况下，研究并能设计具体物理实验教学系统的具体步骤、环节，实现两者的有机融合？这些将会成为未来物理教育教学技术研究的又一个具有重要意义的課题。

［   参   考   文   献   ］

［1］  张永辉.基于NB虚拟实验的初中物理有效教学探讨［J］.西藏教育，2019（1）：21-23.

［2］  舒莉莉. 交互仿真支持高中力学概念理解的探究式教学模式构建与应用［D］.济南：山东师范大学，2022.

［3］  冯长江，陈月魁. 论仿真实验在实验教学中的地位和作用［J］.北华航天工业学院学报，2010，20（增刊1）：14-16.

［4］  马琦.利用NB虚拟实验助推物理实验教学［J］.吉林省教育学院学报，2018（8）：5-8.