王婉嬌 李秀燕

(閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 福建 漳州 363000)

1 引言

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2011-2020年)》強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)教育信息化能力體系建設(shè)，推動(dòng)信息技術(shù)與教育雙向融合創(chuàng)新[1].《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：義務(wù)教育物理課程是一門(mén)重視實(shí)驗(yàn)的自然基礎(chǔ)課程[2],物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生良好科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑.隨著信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合日漸加深，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)正逐步進(jìn)入物理課堂.2020年春季受“新型冠狀病毒”疫情的影響，中小學(xué)遠(yuǎn)程線上教學(xué)變成“新常態(tài)”，而開(kāi)展物理課堂演示實(shí)驗(yàn)的線上教學(xué)同樣離不開(kāi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的介入.

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件有瑞典Algoryx Simulation AB公司于2009年推出的Algodoo趣味仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；美國(guó)國(guó)家儀器有限公司推出的主要用于原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件multisim；德國(guó)RWTHAACHEN大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)的一款手機(jī)應(yīng)用軟件Phyphox以及NOBOOK物理實(shí)驗(yàn)等.

2 NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是北京樂(lè)步教育科技有限公司開(kāi)發(fā)的一款虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件.它包含NB物理實(shí)驗(yàn)、NB化學(xué)實(shí)驗(yàn)與NB生物實(shí)驗(yàn).NB物理實(shí)驗(yàn)覆蓋了課程標(biāo)準(zhǔn)中要求的大多數(shù)初中、高中物理實(shí)驗(yàn).

NB物理實(shí)驗(yàn)室支持電腦、平板等多終端平臺(tái)隨意轉(zhuǎn)換，且多終端設(shè)備一帳號(hào)通用；它擁有豐富的實(shí)驗(yàn)儀器模板和實(shí)驗(yàn)器件庫(kù)，實(shí)驗(yàn)者可自由創(chuàng)建與組裝實(shí)驗(yàn)，可以有效彌補(bǔ)學(xué)校缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室器材老化等問(wèn)題，從而打破了時(shí)間、空間上的限制.在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》的通知中明確指出[1]：要將信息技術(shù)真正地融合到教育領(lǐng)域，促進(jìn)學(xué)科教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的真正提高.NB物理實(shí)驗(yàn)提供視頻講解功能，具備逼真的實(shí)驗(yàn)畫(huà)面與聲效，能夠把學(xué)生在真實(shí)情景中無(wú)法觀察到的如電流、磁感線等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象形象地展現(xiàn)出來(lái)；針對(duì)“自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”這一類(lèi)過(guò)程短暫的實(shí)驗(yàn)，還可通過(guò)合理設(shè)置，實(shí)現(xiàn)小球下落過(guò)程的緩慢化，以方便學(xué)生的觀察與思考；此外，針對(duì)無(wú)法在常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)、過(guò)程費(fèi)時(shí)的實(shí)驗(yàn)或者是危險(xiǎn)性高、不適合學(xué)生獨(dú)立操作的實(shí)驗(yàn)等，借助NB物理實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，可突破實(shí)驗(yàn)條件的限制，排除各種干擾因素的影響，清晰快速地呈現(xiàn)出理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而提高課堂效率，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果.

3 NOBOOK應(yīng)用于“探究固體熔化時(shí)溫度的變化規(guī)律”的案例分析

“探究固體熔化時(shí)溫度的變化規(guī)律”實(shí)驗(yàn)是人教版八年級(jí)物理上冊(cè)第三章第2節(jié)的內(nèi)容，課標(biāo)要求：經(jīng)歷物態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，知道物質(zhì)的熔點(diǎn)、凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)，了解物態(tài)變化過(guò)程中的吸熱和放熱現(xiàn)象[2].

“海波熔化實(shí)驗(yàn)”是用于演示晶體在熔化時(shí)溫度保持不變的典型實(shí)驗(yàn)，但是，該實(shí)驗(yàn)的溫度難以控制、對(duì)海波純度要求高、海波自身化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、對(duì)溫度計(jì)的靈敏度要求高、測(cè)溫位置和最佳測(cè)溫區(qū)的選擇要求嚴(yán)格，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程緩慢費(fèi)時(shí)，這些因素都使其成為一個(gè)難以控制的演示實(shí)驗(yàn).目前已有很多學(xué)者對(duì)此物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改裝[3～5]，甚至利用傳感器技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)[6]，但仍未從根本上解決實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不理想、費(fèi)時(shí)等弊端.在線下課堂講解實(shí)驗(yàn)時(shí)，亦或是進(jìn)行線上教學(xué)，師生離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)儀器的支撐時(shí)，可借助NB物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，觀察實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

下面就如何利用NB物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行“探究晶體非晶體熔化實(shí)驗(yàn)”虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程作詳細(xì)介紹.

第一步，添加實(shí)驗(yàn)?zāi)０?在NB物理實(shí)驗(yàn)的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中搜索“觀察晶體非晶體熔化實(shí)驗(yàn)”，插入該實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，?shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.而為了記錄海波與石蠟在熔化過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化情況，提醒學(xué)生添加“秒表”作為計(jì)時(shí)工具，插入記錄數(shù)據(jù)的表格.

圖1 晶體與非晶體熔化實(shí)驗(yàn)裝置

第二步，介紹實(shí)驗(yàn)裝置，重點(diǎn)提醒左側(cè)試管中的固體是石蠟，右側(cè)試管中的固體是海波.設(shè)置好溫度計(jì)量程的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)操作頁(yè)面右上方實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、器材、步驟等，讓學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí).該軟件一大優(yōu)勢(shì)是自帶“探究固體熔化時(shí)溫度變化規(guī)律”的講解視頻，通過(guò)觀看視頻可提高預(yù)習(xí)效率.另一優(yōu)勢(shì)是具備逼真的實(shí)驗(yàn)畫(huà)面與聲效，例如水溫達(dá)到100 ℃時(shí)會(huì)發(fā)出沸騰聲及時(shí)提醒學(xué)生.

第三步，介紹水浴法的原理與目的，預(yù)熱海波和石蠟.

第四步，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).提前告知學(xué)生海波的熔點(diǎn)約為48 ℃.提醒學(xué)生待海波溫度達(dá)到40 ℃左右要開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，并將裝有海波與石蠟的試管與溫度計(jì)進(jìn)行局部放大處理，方便讀數(shù).記錄海波與石蠟的初始溫度后，點(diǎn)擊秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，熔化前每隔10 s記錄一次海波與石蠟的溫度計(jì)示數(shù)；由于熔化時(shí)間較短，熔化時(shí)每隔2 s記錄一次數(shù)據(jù)，直至海波與石蠟完全熔化，之后再每隔10 s記錄一次數(shù)據(jù)，具體的數(shù)據(jù)如圖2所示.期間，可穿插指導(dǎo)學(xué)生如何正確使用溫度計(jì)和酒精燈.

時(shí)間t/s石蠟溫度T/℃海波溫度T/℃040401041412042423043434044445045456046467047478048488248.2488448.448時(shí)間t/s石蠟溫度T/℃海波溫度T/℃8648.6488848.8489049499549.549.51005050110515112052521305353140545415055551605656

(a)數(shù)據(jù)記錄表

(b)數(shù)據(jù)變化曲線圖

第五步，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.以橫軸代表時(shí)間，縱軸代表溫度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成如圖2所示溫度隨時(shí)間的變化曲線.虛擬軟件所得的實(shí)驗(yàn)曲線相對(duì)理想化，因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)曲線呈現(xiàn)的規(guī)律，學(xué)生可直觀獲得晶體與非晶體的熔化特點(diǎn).如海波的溫度變化曲線顯示：當(dāng)海波從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的熔化過(guò)程中，溫度保持48 ℃不變；而石蠟從50 ℃開(kāi)始熔化，溫度卻持續(xù)升高；待海波與石蠟完全熔化后，兩者均持續(xù)吸熱，溫度繼續(xù)升高.學(xué)生經(jīng)歷了虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)海波與石蠟的熔化過(guò)程的仿真體驗(yàn)，理解了有固定熔化溫度的物質(zhì)叫晶體；沒(méi)有固定熔化溫度的物質(zhì)叫非晶體這一概念.也對(duì)熔點(diǎn)的概念以及熔化過(guò)程和熔化吸熱的特性有明確的感性認(rèn)識(shí)，大大提升了教學(xué)效果.

第六步，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，提高實(shí)驗(yàn)觀測(cè)效果.通過(guò)以上的操作，學(xué)生體會(huì)到普通溫度計(jì)示數(shù)的靈敏性，會(huì)影響海波與石蠟的熔化過(guò)程的觀察.此時(shí)，教師可鼓勵(lì)學(xué)生探索可否利用NB實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹匦略O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，克服原有裝置溫度計(jì)的不足.通過(guò)教師的指導(dǎo)與學(xué)生的探索，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)裝置中的“水銀溫度計(jì)”改為“溫度傳感器”，組成如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置.以此裝置重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)溫度傳感器的電子顯示屏可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)兩種材質(zhì)加熱過(guò)程中的溫度變化，清晰地呈現(xiàn)出海波熔化過(guò)程中溫度保持在48 ℃，而石蠟在熔化的過(guò)程中溫度不斷升高的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.可見(jiàn)，借助這一平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合理的科學(xué)探究，有助于學(xué)生從理解與應(yīng)用的低階思維過(guò)渡到分析、創(chuàng)新的高階思維，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).

圖3 晶體與非晶體熔化實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，存在諸多益處.首先，NB物理實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)環(huán)境理想化，可有效規(guī)避海波與空氣中的O2，CO2，H2O等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能，杜絕因海波純度或受熱不均勻或過(guò)冷等因素而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.忽略了這些次要因素，更能突顯實(shí)驗(yàn)探究的主要問(wèn)題.其次，在NB物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，可通過(guò)設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)控制水溫及質(zhì)量；可對(duì)溫度計(jì)示數(shù)、海波與石蠟進(jìn)行局部放大，也能對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行縮小與放大，方便學(xué)生觀察固體熔化過(guò)程.再者，仿真實(shí)驗(yàn)最大限度地呈現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，能根據(jù)不同的參數(shù)給出不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，準(zhǔn)確反映晶體與非晶體的熔化過(guò)程特點(diǎn)，給出理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有助于學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)物理規(guī)律.此外，運(yùn)用NB物理實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，無(wú)實(shí)驗(yàn)裝置成本，不論是正確還是錯(cuò)誤的操作，教師都可重復(fù)演示，有助于加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理解.而且實(shí)驗(yàn)累計(jì)用時(shí)約5 min，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，很好地解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案存在的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，不論是教師講解實(shí)驗(yàn)，還是學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)，都大大提高了課堂效率.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以NB虛擬實(shí)驗(yàn)在探究晶體與非晶體熔化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用為案例，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)設(shè)不同的實(shí)驗(yàn)方案，探究海波與石蠟的熔化特性.模擬利用普通溫度計(jì)與溫度傳感器兩種方案觀察石蠟與海波熔化時(shí)的溫度變化特點(diǎn).該方案克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，極大提高了課堂效率和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，既能為線上教學(xué)提供參考方案，又將信息技術(shù)有效融合到日常教學(xué)之中，還可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng).