馬琦

摘要：實驗教學是物理教學的重要組成部分，將NOBOOK虛擬實驗（簡稱NB虛擬實驗）教學納入到中學物理實驗教學系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)實驗教學相互作用，將會對整體物理實驗教學體系的運行和結(jié)果產(chǎn)生新的影響。

關(guān)鍵詞：NB虛擬實驗教學；傳統(tǒng)實驗教學；物理實驗教學系統(tǒng)

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2018.08.002

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671—1580（2018）08—0005—04

一、NB虛擬實驗在物理實驗教學中的功能與作用

（一）理想性

所謂理想性是指排除外界環(huán)境的任何干擾因素和限定條件將事物及其狀態(tài)純凈化和自由化。理想化在現(xiàn)實世界中很難實現(xiàn)，但在科學上可以用理想化的方法來解決問題。在物理實驗教學中，用NB虛擬實驗對“理想實驗”進行形象化處理和對“經(jīng)典實驗”進行理想化處理，為物理實驗教學帶來了很多好處。

理想實驗是在不使用任何器材、設(shè)備的情況下，在思維中進行的實驗，是把客觀的實驗條件和研究對象加以純化，塑造出來的理想化過程的“實驗”，是物理學理論研究的一種科學思維方法。理想實驗的本質(zhì)是邏輯推理，對物理學的發(fā)展、新理論的建立、對已有理論的補充和完善都起到了積極的推動作用。作為中學物理實驗教學體系中的重要組成部分，應(yīng)用理想實驗課使學生了解和學習理想實驗法，幫助學生建立“理想模型”，體會研究過程并理解物理概念、定理和定律。

NB虛擬實驗由于能夠突破客觀因素所帶來的限制、支持任意實驗場景的搭建和物理模型的建立而改變了物理實驗教學的現(xiàn)狀。NB虛擬實驗展現(xiàn)了教材中理想實驗的邏輯過程，化靜為動、變抽象為具體，使看不見摸不到的實驗現(xiàn)象可視化、數(shù)據(jù)化，在理想實驗所謂“操作”的思維過程中，學生可以自由調(diào)節(jié)空氣阻力、重力加速度等實驗環(huán)境，身臨其境感悟物理概念、定理和定律的形成過程，嘗試和檢驗探索物理問題的各種思維方法和實驗手段、帶著看到和聽到的實驗信息進入到物理知識的學習中去。隨著虛擬實驗技術(shù)的推廣運用，實驗教學中的感性知識和理性知識的割裂，直接經(jīng)驗與間接經(jīng)驗脫節(jié)等情況都將得到進一步解決。

NB虛擬實驗理想性的優(yōu)點除了形象展示“理想實驗”之外，還體現(xiàn)在對“經(jīng)典實驗”的理想化處理上。物理許多重要的概念、定理和定律都是建立在“經(jīng)典實驗”基礎(chǔ)上的，但是我們在物理教學中再現(xiàn)這些實驗時，實驗條件，氣候和地點等因素，都可能影響到實驗的效果，在自然條件下所產(chǎn)生的偏差或失敗的實驗可能就會對學生理解造成困難，而教師對出現(xiàn)偏差或失敗原因的解釋往往也是蒼白無力的。NB虛擬實驗就可以通過采取理想化處理的手段使被觀察對象“完美出現(xiàn)”，給了學生反復(fù)進行觀察研究的機會。這種理想化處理可不只是高效，還能讓學生在對虛擬和真實的對比中，意識到必然性和偶然性、確定性和非確定性之間的關(guān)系，體會一些物理定律不過是針對偶然進行大量統(tǒng)計的平均結(jié)果，所期望的物理學思想就在如此的辯證關(guān)系中孕育而生。

（二）靈活性

靈活多變是NB虛擬實驗的另一個重要屬性，而傳統(tǒng)物理實驗由于受課程計劃和實物條件的制約，難以發(fā)揮靈活的功能和作用。利用NB虛擬實驗的靈活性進行輔助教學，可以優(yōu)化課堂實驗演示效果，使單調(diào)繁瑣的實驗課變得更加簡捷高效，更能彰顯物理學科的特點，提高課堂教學的質(zhì)量和效率。

NB虛擬實驗可以使每個實驗器材“活”起來，讓其自由擺放，任意組裝、靈活變更，可以將實驗過程化整為零進行分解或讓實驗停留在某一實驗步驟上進行反復(fù)“操作”，強化某些隱性的實驗現(xiàn)象以便于對那些在真實操作中容易被忽視或不易觀察到的實驗現(xiàn)象進行直觀立體的觀察。NB虛擬實驗還可以任意調(diào)節(jié)參數(shù)、設(shè)計各種相互影響的因素并進行疊加運算。如果在傳統(tǒng)的通過物化過程進行的物理實驗中做這些靈活性實驗，不僅意味著物理實驗器材和實驗教學時間的高成本消耗，同時還削弱了可操作性物理實驗真實反映客觀現(xiàn)實世界物質(zhì)運行規(guī)律的功能與作用。

獨具靈活性的NB虛擬實驗教學，其教育意義在于打破現(xiàn)有客觀條件的限定，使教育內(nèi)容，教學的手段和方法現(xiàn)代化，為學生學習物理提供極富動態(tài)感的實驗操作平臺。靈活的虛擬實驗增強了實驗的樂趣，將學生置于一種快樂的學習情緒之中，為他們在教學活動中充分發(fā)揮智能潛力提供最佳的情緒“學習場”，同時不受物理空間、時間的限制，隨時隨地進行實驗探究、自由探究和按需學習。在探究、趣味、多樣和科學等多維度融合的實驗教學中，建立起“嘗試一思考一調(diào)整一再嘗試”的實驗教學模式，然后通過模式的運用啟迪學生的思維。

（三）仿真性

仿真模擬各種真實環(huán)境中的具體物理實驗過程、實驗操作、實驗現(xiàn)象、與之相對應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)、可能出現(xiàn)的實驗誤差甚至仿真模擬真實環(huán)境中實驗事故，并將這些仿真模擬重復(fù)呈現(xiàn)給學生。完整再現(xiàn)真實物化實驗是NB虛擬實驗所擁有的又一個特殊功能。對學生而言，NB虛擬實驗的仿真重復(fù)功能意義重大，它為物理課堂的有效教學、學生自主學習和深度學習提供了另一種方式的資源保障。

首先，物理定律一般都是經(jīng)過大量嚴格的實驗驗證的物理學規(guī)律，學生要真正領(lǐng)悟物理概念、定理和定律，就需要反復(fù)多次觀察實驗。如果學生脫離或缺少這些實證環(huán)境和實證基礎(chǔ)，在空中樓閣中建立起來的概念、定理和定律就成為完全沒有說服力、與現(xiàn)實世界割裂的無意義知識。利用NB虛擬實驗的仿真實驗就可以擺脫目前課堂教學的某些困境來滿足反復(fù)強化學生的教學需求，學生進入NB虛擬實驗室的仿真實驗系統(tǒng)后，在逼真的“實驗空間”學生可以反復(fù)操作、反復(fù)觀察和多次采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)過相應(yīng)實驗信息的加工處理，最終建立概念、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、初步形成理論。這種學習方式的意義不僅僅在于彌補實際教學的不足，關(guān)鍵在于它強調(diào)了學習過程，在清晰可見的實驗過程中，學生們依靠實驗工具、自主參與發(fā)現(xiàn)問題、探究問題和解決問題過程，領(lǐng)悟物理方法的選擇和使用過程，從中獲得過程體驗和情感體驗并產(chǎn)生成就感。

其次，NB虛擬實驗中的仿真實驗，不僅實驗現(xiàn)象“真實”，還遵循實驗事實，可直接在電腦上在線模擬操作，教學內(nèi)容的呈現(xiàn)直觀、形象、高效。學生在真實的實驗中不被注意到的種種失誤和問題，在仿真實驗操作中都會被發(fā)現(xiàn)并逐步得到改善，反復(fù)的仿真操作會讓學生知道什么樣的操作是規(guī)范的，怎樣采集數(shù)據(jù)才能精準無誤，哪些物理方法和手段更加有利于解決實際問題等等。反過來，來自于虛擬仿真實驗的技能訓(xùn)練又作用于現(xiàn)實物理教學之中，當學生把從虛擬仿真實驗中學到的技能和方法運用到實際的學習實踐活動中時，就會去關(guān)注怎樣優(yōu)選器材和如何優(yōu)化操作，還會發(fā)現(xiàn)真正意義的動手操作和仿真實驗中的“動手”操作是有差別的，注意到這一點之后，學生就要在學習中考慮如何消除這種差別并想辦法進行無障礙轉(zhuǎn)化，這無疑對開發(fā)學生的學習潛能是有幫助的。

最后，NB虛擬實驗的仿真性還可以避免學生與現(xiàn)實世界的脫節(jié)，在NB虛擬仿真實驗中，也會有真實實驗中所生成的各種誤差，真實實驗中可能出現(xiàn)的各種實驗故障，這有利于學生以一個研究者的姿態(tài)去面對現(xiàn)實問題，然后試著在虛擬仿真實驗中找出設(shè)計的缺欠、事故的成因，去思考解決問題的辦法，獲得一定的經(jīng)驗之后再應(yīng)用到現(xiàn)實的學習中去。NB虛擬實驗的仿真功能對于培養(yǎng)學生誠實地面對現(xiàn)實世界、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和正確的科學價值觀都是有幫助的。

（四）創(chuàng)新性

NB虛擬實驗室和實驗教學軟件的開發(fā)和利用，為物理實驗教學注入了新環(huán)境、新形式和新資源。NB虛擬實驗自身所擁有的新技術(shù)突破了許多現(xiàn)實物理教學中無力解決的難題，給物理實驗教學帶來了活力和創(chuàng)新力。

其一，在NB虛擬實驗室里，理想實驗被設(shè)計成“具體的實驗步驟”，學生要完成這些“具體操作”，就必須要先調(diào)出原有知識并重新組織知識，還要運用邏輯推理，創(chuàng)造性地使用物理方法。而在傳統(tǒng)實驗教學中，僅憑閱讀教材或教師語言講解就不會有這樣的機會和過程去有效發(fā)展學生的思維。

其二，對于微觀世界中物理現(xiàn)象的理解需要學生發(fā)揮想象力。在傳統(tǒng)實驗教學中，教師枯燥無味的講解、空洞的抽象和感應(yīng)材料不足對激發(fā)學生的想象力都是不利因素。但是NB虛擬實驗借助于它的高新信息技術(shù)，將微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和高能條件下，這些物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，以及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因和規(guī)律形象地揭示了出來。在NB虛擬實驗室里，當學生突破時空從宏觀進入微觀世界時，會在短時間內(nèi)調(diào)動多種感官參與活動，從而形成感性認識，為進一步形成概念，上升為理論奠定基礎(chǔ)。

其三，在現(xiàn)實的物理教學中，學生儲存的知識容量和結(jié)構(gòu)以及對知識的需要各不相同，面對學習對象和實驗題目學生有自己的一套辦法，也會產(chǎn)生不一樣的想法，同時還很好奇自己的辦法是否奏效、想法是否合理。但是在統(tǒng)一的實驗課程和有限的實驗教學設(shè)備和時間面前，這些想法都沒有機會進行嘗試。而虛擬實驗解決了實驗器材缺失、設(shè)備陳舊等問題，學生可以發(fā)揮想象，自由創(chuàng)建組裝新實驗、大膽嘗試新想法，檢驗解決問題的新途徑。NB虛擬實驗讓學生經(jīng)歷的同時又滿足了學生的好奇心，為培養(yǎng)學生創(chuàng)新性思維提供了可能。

二、傳統(tǒng)物理實驗教學的利與弊

研究NB虛擬實驗教學在物理實驗教學系統(tǒng)中的功能和作用，并不意味著可以忽略或替代傳統(tǒng)實驗教學在物理實驗教學系統(tǒng)中的功能和作用。虛擬實驗教學和傳統(tǒng)實驗教學作為物理實驗教學系統(tǒng)的兩個構(gòu)成要素，各自發(fā)揮著不同的功能和作用，二者缺一不可。

（一）認識現(xiàn)實世界的窗口

在中學物理實驗教學體系中，通過傳統(tǒng)實驗的教學，使學生從物理學的視角認識現(xiàn)實世界，用物理學的思想去理解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律，所以傳統(tǒng)物理實驗成為連接學生個體和現(xiàn)實世界的紐帶。作為學生認識客觀世界的窗口，傳統(tǒng)物理實驗呈現(xiàn)給學生的是真實性的一面和局限性的一面。

傳統(tǒng)物理實驗教學就是把學生完全置身于真實的世界當中，并以此為切入點去觀察他們所生存的現(xiàn)實世界，了解物質(zhì)世界的運行方式，尋找事物的本質(zhì)從而發(fā)現(xiàn)存在于客觀世界中的規(guī)律。傳統(tǒng)物理實驗教學中有限的演示實驗和分組實驗，往往含有更多偶然性的成分在其中，物理學中的很多概念、定理和定律，就是通過對這些偶然實驗的大量累積，對研究對象反復(fù)觀察，對研究過程不斷抽象概括形成的。其意義在于為學生提供理解現(xiàn)實世界的行進人口和操作方法。

局限性是指傳統(tǒng)物理實驗教學所涉及到的實驗范圍和空間尺度只能限定在現(xiàn)實物質(zhì)世界的數(shù)量級層次之內(nèi)，諸多的客觀因素和不確定條件限制之下。在這個前提下，有些實驗會產(chǎn)生意料之外的實驗誤差，有的實驗甚至不能成功。如摩擦起電，若當天空氣濕度大，空氣中塵埃比較多可能造成實驗失敗，造成實驗與所得結(jié)論出入較大。有些實驗在實驗教學中根本不能操作，如汽車拐彎時摩擦力的方向、火車拐彎時所需的向心力、電流的形成、電子的躍遷等。有些實驗客觀條件可能造成實驗失敗，有一些實驗耗時長，教學實驗時間不夠，造成得不到演示實驗的效果。有些實驗由于儀器尺寸不夠大、演示現(xiàn)象瞬間完成、變化量很微弱等原因，達不到實驗教學預(yù)期的效果。而恰恰正是這些實驗告訴了學生客觀世界的不完美，更具有鮮明的現(xiàn)實感。其意義在于為學生提供問題，迫使學生去尋找解決現(xiàn)實問題的新途徑。

（二）親歷探究過程的平臺

美國國家研究理事會在其《國家科學教育標準》中提出：學習科學是一種能動的過程，是要學生親自動手做而不是要別人做給他們看到事情。在這個過程中，學生們需要描述物體和作用的過程，提出問題，獲取知識，對自然現(xiàn)象作出解釋，以多種不同的方式對所作解釋進行檢驗，最后把自己的看法傳遞給別人。

NB虛擬實驗教學為學生理解“物理概念、定理和定律是怎么形成的？”提供了另一條渠道。在NB虛擬實驗室，學生的學習行為更多的是“看”和“模仿”，具有較多的“動腦”體驗。而在傳統(tǒng)物理實驗教學中，重心環(huán)節(jié)是學生親自“動手”的探究實踐活動，是不能由別人代勞的、具有清晰步驟的、實實在在的探究過程。

傳統(tǒng)實驗教學中，教師為學生們準備的實驗大多數(shù)是依據(jù)物理課程來制定的，利用教材提供的相關(guān)材料，按照一定方法和步驟一步步完成操作并得出實驗結(jié)論。雖然這些探究過程是按照教材要求按部就班進行的實驗活動，但卻是學生一定要經(jīng)歷的基本科學研究過程，也是必不可少的實驗技能和實驗知識的原始積累過程，通過這些必須要掌握的經(jīng)典實驗，讓學生體驗探究學習方式、感受物理實驗之魅力。與NB虛擬實驗教學相比，傳統(tǒng)實驗教學中的探究學習方式要求教學時間長、儀器設(shè)備成本高和實驗效率低等問題，學生的物理探究設(shè)計、步驟和結(jié)論也可能不盡如人意，但是卻更加貼近生活，符合學生的認知特點和知識水平。

傳統(tǒng)實驗教學中的某些過于固定、單一的實驗方式，確實造成了學生們對實驗的興趣大大降低的局面。還有一些傳統(tǒng)的驗證性實驗其儀器集成度過高，學生動手做實驗的步驟被忽略，學生只需要按幾個按鈕，觀察一下結(jié)果就可以完成，沒有給學生提供探究“為什么會出現(xiàn)如此的實驗現(xiàn)象和結(jié)論”的實驗過程，致使學生不能深刻理解實驗原理和實驗方法，這大大削弱了傳統(tǒng)實驗教學的親自“動手”和“探究”功能。

三、傳統(tǒng)實驗教學與NB虛擬實驗的有機結(jié)合

傳統(tǒng)教學方法和NB虛擬實驗教學都有其自身的優(yōu)勢和價值，在進行物理實驗教學中，如果合理運用交替使用使其優(yōu)勢互補，將現(xiàn)代化的教學手段與傳統(tǒng)教學有效結(jié)合，將更加有利于課堂教學，提高教學質(zhì)量和教學效果。盡管NB虛擬實驗有許多優(yōu)勢，也只能作為一種輔助手段，一種能幫助學生更好地理解學習內(nèi)容的方式，其價值在于它能幫助師生進行整體實驗設(shè)計和優(yōu)化，不足之處則是始終無法反映按照該實驗體系進行實驗時的真實情況。

利用技術(shù)促進教學，既是一個古老的話語，又是一個富有前景的課題。要想創(chuàng)新性地利用NB虛擬實驗技術(shù)去助推物理實驗教學，讓技術(shù)與教材無縫對接而發(fā)揮潛力，不僅要了解虛擬實驗技術(shù)的本質(zhì)、作用和局限性，還要不斷進行實踐以便積累經(jīng)驗。

NB虛擬實驗的操作過程是設(shè)定在特定條件下的思維中進行的，是在傳統(tǒng)的真實實驗基礎(chǔ)上的延伸，對現(xiàn)實中無法完成的實驗，通過虛擬的方式呈現(xiàn)給學生，以幫助學生理解物理知識。

NB虛擬實驗蘊含著與“實際實驗”對應(yīng)的諸多物理規(guī)律，有的規(guī)律運用數(shù)學方法推導(dǎo)不僅繁雜且無必要，理想實驗則可解決這些問題。通過兩者的結(jié)合，不僅學生對物理規(guī)律有了更深理解，而且使理解的過程提升為進行創(chuàng)造的過程，變理解為創(chuàng)造。

總之，物理教學離不開實驗教學的啟發(fā)和幫助，NB虛擬實驗教學是在現(xiàn)代化信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的大環(huán)境下發(fā)展起來的一種新型的教學模式，能解決一些傳統(tǒng)實驗教學中無法解決的教學問題。筆者認為：合理利用NB虛擬實驗將會優(yōu)化整體物理實驗教學，有利于物理實驗教學效率和教學質(zhì)量的提升，但是不能追求“為用而用”，應(yīng)根據(jù)實驗類型、功能和特點找準切入點，把握“適時”和“適度”。如何把NB虛擬實驗教學與傳統(tǒng)教學完美結(jié)合，虛擬與實踐相結(jié)合的教學形式具有一定的優(yōu)勢，對學生而言也是一種值得探討的新型學習方式；如何運用系統(tǒng)方法和系統(tǒng)思想，考察并設(shè)計物理實驗教學系統(tǒng)的運行方式、具體步驟和環(huán)節(jié)，達到有機結(jié)合將是未來教育技術(shù)研究的一個重要課題。

[責任編輯：黃可心]