利用虚拟实验助推初中物理实验教学

摘要：文章深入探讨了虚拟实验在初中物理实验教学中的重要作用，分析了虚拟实验应用过程中遇到的主要问题，包括资源限制、教师对虚拟实验工具使用不熟悉、教学评估困难等.接着，提出了一系列应用策略，包括创设理想实验、提供自由组合实验环境、创设风险性实验等，旨在提高虚拟实验的教学效果和学生的学习体验.

关键词：虚拟实验；初中物理；实验教学

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2024）26-0085-03

初中是培养学生科学素养的重要阶段，物理实验教学是其中的关键环节.然而，传统的物理实验教学方式由于设备、场地、安全等多方面的限制，往往难以满足学生多元化、个性化的学习需求，也难以充分激发学生的学习兴趣和探究精神［1］.因此，如何更有效地提升学生的物理实验操作技能，是当前初中物理教育面临的重要课题.虚拟实验作为一种新型的教学技术，逐渐引起了教育者的关注.虚拟实验不受物理环境的限制，能够提供丰富的实验资源和个性化的实验环境，让学生能够自主、安全地进行实验操作，从而提高学生的学习效率和兴趣［2］.

1虚拟实验在初中物理课堂应用中存在的问题

1.1资源参差不齐

虚拟实验作为一种创新的教学方法，在初中物理教育中扮演着重要的角色.然而，虚拟实验资源的质量参差不齐，可获取性也大不相同，这对于想要充分利用这些资源的学校和教师来说是一大挑战.一方面，高质量的虚拟实验软件往往需要较高的成本，这对于经费有限的学校来说是一个不小的负担；另一方面，即使学校愿意投入，市场上也缺乏针对初中物理课程设计的高质量虚拟实验资源.

1.2教师应用困难

随着教育技术的快速发展，教师在虚拟实验的应用中面临着专业发展的需求.虚拟实验技术的不断更新要求教师持续学习，以掌握最新的教学工具和方法.目前，针对教师的技术培训项目不够充分，缺乏系统的培训和指导，使得一些教师难以有效利用虚拟实验资源进行教学.由于教师自身技术背景的差异，一些教师可能对于新兴技术的接受和应用存在困难，这不仅影响了虚拟实验的教学效果，也可能降低教师使用虚拟实验的积极性.

2虚拟实验在实验课堂中的应用策略分析

2.1创设理想实验

理想实验，也被称为思想实验或者纯理论实验，是一种通过假设和逻辑推理进行的实验.在该类实验中，实验者不需要进行实际的操作，而是通过思考和推理来预测实验的结果.理想实验所涉及的情况和条件在实际中难以或无法实现.例如，真空中的物体运动、绝对零度温度下的物质状态等，正是因为这些特点，理想实验在教学中扮演着独特而重要的角色.学生可以探索那些在现实物理条件下无法或难以观察和实验的现象，从而拓宽科学探索的边界.运用虚拟实验，创设理想环境，将理想实验的思维过程数据化、可视化，可以帮助学生更好地理解抽象概念和理论原理.

例如，在探究“阻力对物体运动的影响”实验中，教师可以利用软件，创设理想的实验环境，来模拟小球在V型导轨上的滚动，如图1.在这个环境中，可以随意调整阻力、时间间隔等参数，使得实验能够在理想化的环境中进行.在实验开始时，将小球放在左侧导轨的一定高度处，然后让其自由滚动.在没有阻力的情况下，小球会沿着导轨滚动到右侧的同样高度处.接下来，将右侧导轨的斜率降低，此时学生会发现小球依然可以滚动到同样的高度，只不过在水平方向上滚动的距离会更远.继续降低导轨的斜率，重复上述实验步骤.每次降低斜率时，我们都会发现小球在水平方向上滚动的距离会更远，但是能滚动到的高度始终保持不变.最后，将导轨放置成水平状态时，会发现小球会一直滚动下去，保持匀速直线运动.通过这个虚拟实验，可以清晰地看到阻力对物体运动的影响.在没有阻力的理想环境中，小球的总能量会保持不变，无论导轨的斜率如何变化，小球都能滚动到同样的高度.而当存在阻力时，小球的总能量会逐渐损失，导致其不能滚动到原来的高度.这一实验有力地展示了能量守恒定律和阻力对物体运动的影响，对于学生理解相关物理概念有着重要的帮助.

理想化处理能帮助学生更直观、更清晰地理解抽象的物理概念和定律.在理想化的环境中进行实验，可以消除现实中的复杂因素，让学生更专注于探究物理定律本身.当学生理解了理想环境中的物理定律后，教师可以引导其进一步思考现实环境中的复杂情况，比如阻力、空气阻力等因素如何影响物体的运动，并将理想与现实进行对比，帮助学生更深入地理解物理定律，培养他们的批判性思维和问题解决能力.

2.2提供自由组合实验环境

虚拟实验相较于传统实验最大的区别就是容易操作.传统教学中，在有限的时间内，学生通常只能按照一种实验方案进行操作，存在弊端.首先，限制了学生探索和发现的空间，抑制了他们的创新思维和解决问题的能力.在实验教学中，错误和失败同样重要，它们是学习过程中不可或缺的一部分.然而，由于时间和资源的限制，学生失去了通过反复尝试和错误来深入理解实验原理的机会.此外，这种单一方案的操作模式难以满足不同学生的学习需求和兴趣，导致个体差异在学习过程中得不到充分体现.学生被迫遵循固定的步骤，无法根据自己的兴趣和理解来调整学习路径，不能够对学生的独立思考和自主学习能力进行培养.相比之下，虚拟实验提供了更多的灵活性，允许学生在模拟环境中尝试不同的实验方案，并进行多次重复操作以加深理解.

例如，在“测量小石块密度”实验时，教师可以创设虚拟实验，让学生不必拘泥于器材选取，只要是力学工具里提供的器材均可选用，让学生自主选择，自主探究.学生根据实验原理，可能设计出多种实验方案.如方案一选取量筒、水、小石块、标尺为器材，利用阿基米德原理，当物体完全浸入液体中时，它所排开的液体体积等于物体的体积.步骤为：①在量筒中加入已知体积的水，记录水位；②将小石块缓缓放入量筒中，观察并记录水位上升后的读数；③计算水位上升的体积，即为小石块的体积；④使用电子秤测量石块的质量；⑤根据密度公式计算小石块的密度.方案二选取弹簧秤、水槽、细线、小石块.步骤为：①使用弹簧秤测量小石块在空气中的重量；②将石块用细线悬挂于弹簧秤下，完全浸入水中测量其在水中的视重；③计算石块在空气中的重量与在水中的视重之差，得到浮力；④由于浮力等于石块排开水的重量，通过浮力可以计算出石块的体积；⑤根据密度公式计算小石块的密度.方案三选用电子秤、量筒、水、小石块.步骤为：①使用电子秤准确测量小石块的质量；②将小石块放入量筒中测量其体积，可以通过水位上升法确定；③根据密度的定义公式计算小石块的密度.自由组合实验，让学生运用了不同的物理原理和实验工具，展现了创意思维和问题解决的能力.通过这样的探究活动，学生不仅能学习到物理知识，还能培养科学探究思维.

2.3创设风险性实验

在初中物理教学中，一些实验因涉及安全风险，往往不适合直接由学生操作.为了确保安全并帮助学生更好地理解实验原理和过程，这些实验通常由教师进行演示.教师的演示不仅可以减少安全事故的风险，还能通过详细讲解，加深学生对物理概念的理解，培养观察能力和科学思维.但这样的操作模式，会导致学生在实际操作技能和实验经验上的缺失.虽然教师演示能有效保障实验的安全性和准确性，帮助学生理解复杂的物理原理，但同时也限制了学生动手操作的机会，可能会影响学生对物理实验的兴趣和主动探索精神的培养.此外，亲身经历实验过程能加深学生对理论知识的理解和记忆，缺少这种经验可能会使得学生对物理概念的掌握不够深刻.虚拟实验提供了一个良好的教育平台，帮助教师在安全性和资源有限或实验操作复杂的情况下，有效向学生传授物理知识和实验技能.

例如，在“探究固体熔化时温度变化规律”时，因为实验具有一定的危险性且设备数量有限，无法让学生亲自进行操作.此时就可以借助AR虚拟现实技术，打破传统教育局限，借助AR智慧课桌搭建的虚拟实验环境，组装实验设备进行操作.虚拟实验环境提供了一个安全且便捷的平台，使学生能够在没有实际实验室设备的情况下，进行实验操作和观察.首先，学生会选择一个固体物质来进行研究，比如冰.学生可以通过拖拽的方式，将选定的固体放置在加热器上.随后，学生需要调整加热器的温度，开始加热过程.这一过程中，虚拟实验环境会实时显示固体表面和内部的温度变化，让学生能够直观地观察到固体从固态转变为液态的整个过程.在固体开始熔化的那一刻，学生会注意到温度计上的读数在一段时间内保持不变，这个特定的温度就是所研究固体的熔点.通过这个实验，学生能够理解到，物质在熔化过程中，温度会保持恒定，直到所有的固体都转变为液态.此外，虚拟实验还允许学生探索不同物质的熔点.例如，学生可以选择海波和石蜡进行实验，发现海波经过缓慢加热，温度逐渐上升，当温度达到48 ℃，海波开始熔化.在熔化过程中，虽然继续加热，但海波的温度不变，直到完全熔化后，温度才继续上升.石蜡则随着不断加热，石蜡的温度升高，在此过程中，石蜡变软变稀，最后熔化为液体.通过比较和分析，学生可以发现不同物质熔点的差异，进而去了解差异背后的科学原理.

虚拟实验课堂为学生提供了一个既安全又有效的学习平台，让学生可以在零风险的情况下探索和学习，极大地提升了实验的安全性.此外，初中学生可能因为缺乏实验经验或操作不熟练而导致实验错误操作，物理实验中可能会引发安全问题.虚拟实验通过模拟操作界面，指导学生逐步完成实验步骤，有效避免了因操作不当而导致的安全隐患.进行虚拟实验后再进行实际操作，虚实结合，为学生提供了一个安全、全面、深入的学习体验.

3结束语

虚拟实验与传统实验在初中物理教学中应并行不悖，相辅相成.虚拟实验以其独特优势补充了传统实验的不足，提供了安全、便捷的实验环境，而传统实验则通过实际操作加深学生对物理现象的理解.教师应灵活运用两种实验方式，优化教学策略，有效提升物理教学的质量和效率，为学生构建全面、深入的物理学习体验.

参考文献：［1］ 李欣悦.基于NOBOOK平台的初中物理虚拟实验教学实践［D］.呼和浩特：内蒙古师范大学，2021.

［2］ 许淼. 虚拟实验翻转课堂对学生实验操作能力的影响研究［D］.南昌：南昌大学，2023.

［责任编辑：李璟］