初中物理實驗教學與實踐

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摘要：物理是一門重視實驗教學的學科，但在現實教學中，外界主客觀因素會影響實驗效果，而虛擬實驗平臺在很大程度上解決了這一問題。系統介紹了NOBOOK虛擬實驗平臺在初中物理實驗教學中發揮的優勢，并通過探究凸透鏡成像規律實驗案例，對其在初中物理實驗中的應用做詳細介紹。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；NOBOOK；凸透鏡成像；初中物理

一、研究背景

教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》中指出要持續推動信息技術與教育教學融合，全面提升師生信息素養，為學生提供有效的學習工具和豐富的教育環境[1]。《義務教育物理課程標準(2011年版)》中也指出義務教育物理課程是一門重視實驗的自然基礎課程[2]，明確了實驗教學的重要性。隨著信息化技術的發展，越來越多的虛擬仿真技術被應用在物理實驗中，虛擬仿真實驗平臺可以排除外界因素影響，讓學生可根據需求自主進行實驗，一定程度上更能培養學生的實驗創新精神。目前國內的虛擬仿真實驗平臺大致分為兩類，一類應用于高等教育教學，這類平臺大多數由各高校、研究院自主研發，如中國科學技術大學的幾何光學實驗室、北京交通大學的RECEL平臺、國家虛擬仿真實驗平臺—實驗空間等。另一類應用于基礎教育教學，這一類的虛擬仿真實驗平臺相對較少，主要由企業投入研發，如虛擬仿真實驗室、NOBOOK物理虛擬實驗平臺(簡稱NOBOOK平臺)等。

二、NOBOOK平臺簡介

NOBOOK平臺是一款虛擬實驗應用軟件，主要用于基礎教育各學段的實驗教學互動，主體內容共包括物理、生物、化學以及小學科學四部分。本文主要針對物理部分進行應用闡述。NOBOOK平臺基本包含了物理課程標準要求的所有初高中物理實驗，具有多個版本教材的不同實驗，支持手機、計算機、平板電腦等多終端的數據共享[3]。除了教材要求的固定實驗，學生還可自主創新，利用NOBOOK平臺內的海量實驗儀器模板和實驗器件庫自由創建、組裝實驗，并通過豐富的實驗講解視頻，更好地理解實驗內容。

三、虛擬仿真實驗的優勢

1.生動形象激發學習興趣基于NOBOOK平臺的物理實驗生動形象，畫面、聲音效果逼真，例如水沸騰時會發出聲音提醒學生、碘升華時會在畫面中呈現紫色煙霧。在現實實驗中無法觀測到的一些實驗現象，如電流、磁感線，甚至是分子、原子等均可在虛擬仿真實驗中得到展現，模擬真實的實驗場景，因而具有強大的交互性，可以激發學生對實驗的學習興趣。2.開發思維培養創新能力NOBOOK平臺只需一臺智能終端即可操作，簡單快捷，方便學生重復進行實驗，且擁有海量實驗器材、八大實驗模塊輔助教學，學生可根據需求設計實驗，起到鍛煉學生動手能力和創新思維的作用[4]。3.加速實驗提高學習效率在NOBOOK平臺進行實驗操作所需的時間遠小于現實常規實驗，既能減少實驗反應時間，又能免去前期實驗準備，節約材料成本。學生既可以應用NOBOOK平臺進行預習，也可開展課后復習，這使得學生的學習時間變得更靈活，有助于提高學生的學習效率。4.保證安全彌補現實教學條件的不足在教學實際中，一些實驗危險性較高，實驗中可能用到高熱儀器、藥品可能帶有較強毒性或腐蝕性，如海波融化與凝固實驗、碘的升華與凝華實驗等，不適合學生操作。此外，一些條件要求高或極易受環境因素影響的實驗也使學生難以觀察到現象，但這些都可以借助NOBOOK平臺得到改善，虛擬仿真技術既可以保證實驗安全，也可以突破現實中各種客觀條件的限制，讓學生直觀有效地得出實驗結果。

四、探究凸透鏡成像規律實驗案例分析

1.教學內容分析探究凸透鏡成像規律實驗是初中物理中的一個重要實驗，在教材中與前后章節知識相連，起到承上啟下的作用。教材由部分生活實例引入，請學生觀察照相機、投影儀等物品的特點及規律，并思考：凸透鏡成像與哪些因素有關？成像的性質與物距有何關系？通過提問，激發學生的興趣，引起學生的探究欲望。2.學情分析學生在進行本課學習前，對光的折射、光的反射相關知識進行了系統學習，對凸透鏡和凹透鏡的作用有所了解，能區分實像與虛像，對生活中常見的透鏡，如望遠鏡、放大鏡、近視鏡、遠視鏡等有了一些感性認識。但對于凸透鏡的應用沒有系統了解，不知道凸透鏡成像具有哪些規律。通過本節課的學習探究，要使學生系統了解凸透鏡成像的規律。為此，可以將生活中應用到凸透鏡成像規律的物品與物理知識關聯起來，了解它們都應用了哪些原理，從而實現理論聯系生活。3.教學目標第一，通過本節實驗課的學習，了解凸透鏡成像與哪些因素有關、有什么規律，掌握本節課的學科知識。第二，通過利用虛擬仿真實驗進行學習，體驗到科學探究過程，了解實驗基本研究方法。第三，了解實驗探究活動在認知過程中的重要性，將物理知識聯系生活實際，激發學生探索物理的興趣。4.教學應用(1)課前預習探究凸透鏡成像規律實驗是探究性實驗，為了提高學生課上的學習效率，請學生利用課余時間，應用NOBOOK平臺，通過相關實驗視頻，結合教材進行自主預習。在預習過程中，可以依據NOBOOK平臺提供的實驗器材對該實驗進行預操作，熟悉實驗目的、原理、器材及實驗步驟等內容。相關實驗界面見圖1。圖1NOBOOK平臺實驗界面(2)實驗教學①新課引入教師引導學生使用放大鏡觀察物品，學生發現物品是正立且放大的，教師改變放大鏡與物體間的距離，讓學生觀察此時用放大鏡看到的物體發生了什么變化。學生發現通過凸透鏡距離的改變，物體還可以呈現倒立的放大或縮小的像。提出問題，引導學生思考物體所成的像的性質與什么因素有關。②實驗講解教師結合NOBOOK平臺介紹凸透鏡成像實驗用具，講解實驗注意事項，在實驗操作中系統講解如何使焰心、凸透鏡的光心、光屏的中心三點處于同一水平線，如何調整焦距與物距的關系得到不同的像，如何記錄實驗數據等問題。③實驗操作學生根據教師講解的實驗內容，以小組為單位進行實驗操作，教師提醒學生：已知凸透鏡對光的折射程度與它的焦距有關，移動蠟燭時，可以參考物距與焦距呈倍數關系，來觀察成像的情況。學生通過調整物距，得到不同實驗結果。學生保持凸透鏡位置不變，移動光屏與蠟燭的位置，使物距、像距改變，得到實驗現象：此時蠟燭呈倒立縮小的實像，記錄物距、像距的大小，重復實驗，記錄數據。再次改變物距、像距，分別得出蠟燭呈倒立等大、倒立放大的實像及正立放大的虛像，記錄實驗數據。學生進行實驗操作后，借助NOBOOK平臺改變凸透鏡的焦距，重復進行實驗，記錄數據。NOBOOK平臺在實驗器材使用次數上沒有限制，學生可針對同一內容重復實驗，以加深對實驗的理解，切實鍛煉實踐動手能力[5]。④規律總結分析實驗數據，總結規律，以小組為單位總結并進行匯總，得出結論，物距與焦距關系共分四種情況，即u<f，f>u>2f，u=2f，u>2f，總結得出凸透鏡成像的規律如下：當u>2f且f<v<2f時，呈倒立縮小的實像。當u=2f時，v=2f，呈倒立等大的實像。當f>u>2f時，v>2f，呈倒立放大的實像。當u<f時，呈正立放大的虛像。當u=f時，不成像，成平行光射出。⑤課后拓展引導學生思考物距與焦距處于不同關系時，這一成像規律在生活中有何應用。例如當物距小于一倍焦距時，與放大鏡原理相同；物距大于兩倍焦距時，與老式照相機原理相同等，可以尋找生活中此類具有凸透鏡成像規律的物品，與學生分享自己的發現。學生在課后也可以通過NOBOOK平臺進行復習鞏固，根據實驗器材資源自主設計實驗，探索其他可能性。⑥設計意圖學生通過NOBOOK平臺的實驗視頻自主進行實驗預習，可以提前熟悉實驗流程，為后續動手操作奠定基礎，規避實際操作中可能出現的錯誤，有效減少實驗器材損壞，同時也可以培養學生的獨立思考及創新能力。通過改變物距呈現不同形式的像來引入，可以引起學生的認知沖突，激發學生的探究興趣；分組進行實驗，可以更好地發揮學生的主體作用；讓學生重復進行實驗可以減小誤差，使實驗結果更具說服力，還能培養學生嚴謹的實驗態度、良好的實驗操作習慣，提高學生的動手能力。課堂最后，引導學生對實驗數據進行總結，培養學生的歸納總結能力。有時間還可以鼓勵學生重新進行實驗，在驗證結論的同時進一步熟悉實驗操作、加深對實驗的理解。引導學生思考實驗規律在生活中的應用，使學生將物理與實際生活相聯系，落實物理核心素養的培養。

五、結語

應用NOBOOK平臺將探究凸透鏡成像規律實驗作為案例進行分析，將信息技術與物理實驗教學相融合，使得兩者相互促進。教師引導學生利用NOBOOK平臺輔助開展實驗，規避了部分實驗的安全性問題，模擬真實的實驗情境，輔助實現實驗效果，提高了物理實驗課堂的教學效率，既將信息技術與物理實驗教學緊密聯系起來，也為線上物理實驗教學提供了參考方案。在內容的選擇上，虛擬仿真實驗的范圍其實還可以擴大到各個學科中。本文描述了許多虛擬仿真實驗的優勢，但對于學生來說，實驗操作的真實體驗是不可替代的，而虛擬仿真實驗的便利性也是常規實驗所不具備的，所以應讓NOBOOK平臺輔助初中物理實驗教學，以發揮更大的價值。

參考文獻

[1]教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知[EB/OL].

[2]教育部.義務教育物理課程標準(2011年版)[S].北京:北京師范大學出版社,2012.

[3]王健濤,劉亞男,蔡開聰.基于NOBOOK虛擬實驗室技術的高中化學實驗教學探究[J].中學化學,2021(2):6-9.

[4]嚴煒,楊曉梅.虛擬實驗室在中學物理教學中的應用[J].物理教學探討,2019(7):70-72.

[5]陳志梅.基于NOBOOK的高中物理探究性實驗教學活動設計與實踐研究[D].蘭州:西北師范大學,2019.

作者：王革 齊海燕