虚拟实验在高中物理实验教学中的应用研究

陈立峰

摘 要：实验探究是学生物理学科核心素养获取的重要手段与显著标志，因此成为教师普遍重点关注的问题。在开展高中物理实验教学时，教师应以实验效果优化及学生能力发展为指向，增加虚拟实验的应用。现重点论述虚拟实验在高中物理实验教学中的应用要点，包括学生兴趣激发、实验主体辅助、关注知识要点，以及学习资源拓展等，重点强调虚拟实验作为学生实验关键支持力量所可能发挥的无限潜能。

关键词：高中物理；实验教学；虚拟实验

在信息技术推动下，虚拟实验逐步进入到髙中物理课堂，对于实验趣味性增加、实验便利度提升，以及学生实验热情的激发等，均可产生较好效果。所以高中物理教学中，教师需要提升虚拟实验的参与应用认知，合理结合教学内容与教学需求，不断以虚拟实验提高学生实验参与体验感。

一、虚拟实验内涵

虚拟实验意为操作者利用多样的信息化技术形式，依靠在终端设备上研发与使用的模拟显示虚拟平台所完成的各种实验。虚拟实验往往可弥补受现实因素制约，各种实验不能完成或者完成效果不佳的不足，能够帮助不理想条件下处理好实验设备不足、实验环境较差之类问题[1]。在虚拟实验平台上，学生能够不受或者少受时间与空间限制，进行更自由的实验操作与学习。

二、实验教学时虚拟实验的使用优势

（一）实验成本的节约

传统高中物理教学时，实验操作要利用实验器材来完成，但一些专业器材或者费用较高，或者容易损坏，所以不能全部真实操作。虚拟实验可在很大程度上把传统实验成本降下来，用器材信息科技数字化的做法，保证在节约成本的情况下，使课堂上的实验教学内容都能被学生所感知。

（二）时空范围的拓展

传统高中物理教学时，由于受教学时间和空间所限，无法一次性使学生做有关物理学科课程操作学习。虚拟实验方式的运用，可促进物理实验达到数字化传播效果，特别是能够在时间上与空间上少受限制，只要课程教学有需要，便可由师生随时做实验展示与操作。

（三）实验节奏的把握

传统高中物理教学时，有些转瞬即逝的物理实验现象是不容易被观察到的，此时虚拟实验操作形式可解决这一难题。即师生作为实验的操作者，可视情况需要，利用信息技术，用实验现象缓慢播放等形式把握实验节奏，这能够让学生更为有效地观察实验现象、做好笔记记录、完成理论思考。

三、高中物理虚拟实验方式使用的前期准备

为了做好高中物理虚拟实验教学，教师应做好充分的软硬件及教学技术支持准备工作，以便让虚拟实验在后续发挥兴趣激发及辅助真实实验等多项作用。

（一）对实验硬件的完善

虚拟实验通常需要得到硬件的有效支撑。在高中时期所涉及的虚拟实验硬件重点以计算机为主，据此，教师应在教学前基于本次物理实验教学基本内容和拓展内容，确认所使用的计算机有关配置，以保证计算机性能足以支持有关物理实验的完整操作。与此同时，教师还应基于学生情况，安排合适数量的计算机以及投影仪等配套设施，或者利用专业程度更强的虚拟实验室等。

（二）对实验软件的安装

高中物理虚拟实验需要得到专门的软件支持，为此，教师应留意软件开发与使用方面的工作，即找到恰当的应用软件，且让软件在安装后得到及时维护，以适应此次教学需要。

（三）对虚拟实验对应技能的提升

為了让高中物理虚拟实验得以更为顺利地向前推进，教师要做好有关知识的学习，包括熟练掌握虚拟实验软件操作技巧，明确应使用何种与实验有关的教学技能等，只有这样才能在课堂上给学生以针对性更强的指导，帮助学生尽快适应虚拟实验环境、熟悉虚拟实验软件的操作，以此保障实验的高水平完成。

四、虚拟实验在高中物理实验教学中的应用侧重点

结合上面所述及的实验教学时虚拟实验的使用优势，以及教师所做的充分虚拟实验准备工作，笔者认为，高中物理教师可在教学时，使虚拟实验参与到学生兴趣激发、辅助真实实验、关注知识要点、支持资源拓展等过程中来，以便让学生得到更好的体验、更大的收获。

（一）支持学生兴趣的提升

基于上述使用优势，在物理课程教学时，虚拟实验的应用较为普遍，它不但可模拟平时生活中所难以看到的实验场景，而且能够让学生在虚拟状态下提升对物理课程的认知兴趣[2]。具体讲，很多虚拟实验在设计上体现出了极明显的合理性，且在合理呈现物理内容的同时保持了足够的趣味性，让某一物理原理或某些应由学生展开探究的内容，以较生动的形式有机融入于实验过程之中。受此影响，学生能够于仿真动手时，充分发挥自身想象力和探究能力，使自我处于优良的自主探究平台之内。

举例而言，小电珠伏安特性曲线描绘便属于一个很典型的虚拟实验，此实验探究色彩显著，若走真实实验流程开展则十分困难，很多过程是难以实现的，此时若把实验变为虚拟形式，则会极大地简化实验流程，将其中现象直观呈现在学生面前，使之感受到实验的趣味性。该实验原理在于借助电流表测量得到通过小灯泡的电流，借助电压表测量得到小灯泡两侧电压，在测量得到多组（U，I）值后，于U-I坐标系内给出各组的对应点，以平滑曲线连接这些点，便为小灯泡伏安特性曲线。实验流程内包括：按照小灯泡上所标记的额定电压与额定电流，寻找恰当电源输出电压、电表量程；把电流表、电压表、滑动变阻器，以及小灯泡、电源、开关等以导线相连接，组成要求电路；移动滑片至一侧，闭合开关，进行变阻器调节，得到多组（U，I）值并记录；断开关、拆电路。

本实验步骤并不十分复杂，原理及操作流程也易于为学生所掌握，若非依靠虚拟实验模式把伏安特性曲线研究过程全部呈现出来，学生极有可能会在真实实验中因为失去兴趣，不能进行多次数值记录，由此导致知识点掌握的漏洞出现。在虚拟实验环境下，学生的多次操作兴趣提升，而这种兴趣提升的作用，在一些难度较大实验中同样可以得到充分体现。

（二）作为真实实验的辅助

高中物理教师可本着虚实相结合的原则，灵活使用虚拟实验，使其通过辅助功能支持学生发展。

虚拟实验作为真实实验的辅助，其功能首先体验在设计方面。在多角度设计实验方面，虚拟实验便可起到较好的以虚辅实作用。实验设计可以为开展实验指明方向，学生需要做的是在实验之初即发现明确的实验目的，确认实验原理，依目的做实验思路设计。这时教师可采取以虚辅实的做法，为学生提供不同角度、全方位的思路设计支持[3]。此时需要明确：虚拟实验所具有的辅助功能是可在多环节表现出来的，如可于提出问题、猜想与假设时表现；可于明确实验目的及实验原理时表现；可在实验设计、完成预实验方面表现；可支持实物实验验证，以及结论解释说明，并在讨论交流评估等方面发挥出作用。教师需要和大家共同做大胆创新，给出富于创新性的实验设计方案。举例而言，当作导体长度和直径测量之际，教师可以利用虚拟化软件，展示游标卡尺等实验仪器的构造细节，并让学生完成测量工具使用步骤及正确读数等方面的训练，这可以说是预实验角度的帮助。在进行交流电教学时，则可利用虚拟实验所展示出来的手摇发电机立体构造，带动学生做实验设计方面的深入思考，这是明确实验原理的帮助。总的说来，传统实验设计思路普遍由教师所提供，且常常以中规中矩、缺少创新的形式表现出来，而有虚拟实验辅助的，可由学生参与的实验设计，则创新特色更为突出，学生能够借助手机、平板或者电脑等载体，完成虚拟实验，再参照虚拟实验结果进行评估、交流，则可在此基础上不断优化设计思路，继续进行实物操作，从而挑选得到最优设计方案。

其次，在实物实验过程中，教师应重视学生主体参与性，而自身则应以从旁指导为主。在把实验主场交到学生手中之后，有一些具体问题需要大家解决，包括如何制订表格？如何记录实验数据？如何使用仪器？如何规范操作？等等。为了达到理想实物实验效果，解决此处所提到的诸多问题，则同样可重视虚拟实验的辅助功能，即利用一些以虚辅实的探究式实验训练，帮助学生建立起一套完善的探究程序，让其以科学思维体系支配自主探究过程，最终做到收集可用证据、获得真实数据、提取分析有效实验信息，以及以自己的语言或者文字、符号等将实验结果表达出来[4]。举例而言，教师可指导学生依靠虚拟仿真软件，做实物实验结果的拟合分析，并在计算处理后产生数据分析高效性的良好结果。

（三）作为知识要点的提示

高中物理教师在使用虚拟实验策略时，另一个侧重点在于使此策略成为提示知识要点的方法。具体讲，高中物理部分知识点比较抽象，对于学生接受而言难度较大，因此需要使学生不断深入理解，才能接近预期目标，并达到以不变应万变的效果。此时虚拟实验将产生化抽象为具象的作用，以帮助学生不断突破认知障碍，让学生借此更为准确地领会物理知识点本质，提振其学习此物理知识点的自信心。举例而言，对于“万有引力定律”部分知识而言，和航天器变轨有关问题属于万有引力定律运用的具体内容，然而一些学生可能无法充分领会不同轨道上航天器的运行参数变化，从而造成不能顺利解决有关习题的情况发生。为了帮助学生顺利突破这一知识要点，教师即可引入虚拟实验软件，借助软件帮助，给学生创造有关实验，用于进行不同轨道上的航天器运行情境模拟，学生将因此看到：航天器先沿近地轨道运行，接下来点火进入椭圆轨道，再关火沿椭圆轨道运行，最后点火进入远地轨道。整个虚拟展示过程中，航天器运行有关参数一一显示，学生将看到运行线速度、角速度以及向心加速度和机械能等多项内容，各项知识要点将一一澄清。

在学习知识要点时，学生难免会发生认知错误，此时虚拟实验则可发挥出分析错因、导向正路的作用，这将帮助学生显著改善物理实验认知能力。举例而言，电表改装属于高中阶段电学实验时的一项重要内容，该内容所涉及的知识点相对零碎，对学生分析问题、解决问题的能力提出了较高要求。部分学生可能无法正确领会改装原理，并在器材选取和误差分析方面掌握不够牢固，或在测试时失分较多。教学时教师可基于这些易错点引导大家使用虚拟实验形式进行相关操作，包括把表头改装为电流表、电压表或者多用表等。教师应保证学生以具体操作解决易错点的时间足够充裕，鼓励其一面操作一面反思，从而总结技巧、发现错因。经过这种持续性的纠错训练，学生将比较深刻体会到电表改装原理本质，并熟练掌握与之有关的实验技巧[5]。类似虚拟实验教学实践显示：利用虚拟实验形式，既可确保电学实验安全推进，又能达到较为理想的学生实验能力训练效果，使之牢固掌握实验知识。

（四）提供可供课外探究的拓展资源

在课程标准中，提倡学生多动手参与实验，而在课业压力繁重情况下，在课上的实验室场景下对目标内容一一探究是不现实的。因此对于可由学生自主完成的内容，教师便可发挥出虚拟实验操作形式的辅助功能，让学生从中寻找资源和灵感，完成符合自身需要的探索任务。

首先，由于虚拟仿真软件所具有的强大功能，且普遍可以做力学、电磁学、流体、热学、光学、声学等诸多方面模拟仿真，因此教师可从课堂之外的一些生活现象中寻找实验素材，以虚拟形式把问题展示出来，接下来可引导学生一面发散思维，一面模拟假设，以课外研究的做法解决这些问题[6]。

其次，教师还可以进行虚拟实验软件内的实验模型调整、修改，使之成为课外探究资源的一部分下发给学生。举例而言，COMSOL（多物理场仿真软件）等软件即能够按照所给模型，构建形成App，让学生在此App内完成与课内教学有关拓展探索活动，并在活动持续过程中不断提供理论与实践相结合、科学与技术相整合的契机，以满足学生课堂外进一步的科学探究需要。

结束语

虚拟实验具有多种优势，包括实验效果较好、实验操作方便等，因此可以在高中物理教学中得到广泛应用。对于教师而言，理应重视虚拟实验的优势，并将其合理应用于学生兴趣激发、实验主体辅助、关注知识要点以及学习资源拓展等多个方面。在此过程中，教师需要明确以虚拟实验支持教育与学习创新适度性，以便让其效能发挥至最佳。

参考文献

[1]张宇析.初中物理演示实验改进策略[J].理科爱好者（教育教学），2021（1）：162-163.

[2]赵京波.浅谈虚拟实验在中学物理教学中的应用[J].教育实践与研究（B），2021（Z1）：98-100.

[3]于金铃.虚拟实验辅助高中物理实验教学的研究[D].大连：辽宁师范大学，2019.

[4]李艳青，胡扬洋.“科学探究”如何走进“素养时代”：基于我国物理教學的审视[J].教育理论与实践，2019，39（2）：47-49.

[5]蒋智恒.“336”教学模式在中学物理体验式教学中的融合创新研究[J].中学理科园地，2021（3）：29-31.

[6]刘芷余，秦宇飞，柴万东.虚拟仿真软件在中学物理实验教学中的应用：以高中物理实验“伏安法测电阻”为例[J].赤峰学院学报（自然科学版），2023（6）：60-63.