摘要：文章深入探討了虛擬實(shí)驗(yàn)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要作用，分析了虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題，包括資源限制、教師對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)工具使用不熟悉、教學(xué)評(píng)估困難等.接著，提出了一系列應(yīng)用策略，包括創(chuàng)設(shè)理想實(shí)驗(yàn)、提供自由組合實(shí)驗(yàn)環(huán)境、創(chuàng)設(shè)風(fēng)險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)等，旨在提高虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn).

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；初中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2024）26-0085-03

初中是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要階段，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié).然而，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式由于設(shè)備、場(chǎng)地、安全等多方面的限制，往往難以滿足學(xué)生多元化、個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求，也難以充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究精神［1］.因此，如何更有效地提升學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)操作技能，是當(dāng)前初中物理教育面臨的重要課題.虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種新型的教學(xué)技術(shù)，逐漸引起了教育者的關(guān)注.虛擬實(shí)驗(yàn)不受物理環(huán)境的限制，能夠提供豐富的實(shí)驗(yàn)資源和個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生能夠自主、安全地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和興趣［2］.

1虛擬實(shí)驗(yàn)在初中物理課堂應(yīng)用中存在的問(wèn)題

1.1資源參差不齊

虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種創(chuàng)新的教學(xué)方法，在初中物理教育中扮演著重要的角色.然而，虛擬實(shí)驗(yàn)資源的質(zhì)量參差不齊，可獲取性也大不相同，這對(duì)于想要充分利用這些資源的學(xué)校和教師來(lái)說(shuō)是一大挑戰(zhàn).一方面，高質(zhì)量的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件往往需要較高的成本，這對(duì)于經(jīng)費(fèi)有限的學(xué)校來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)；另一方面，即使學(xué)校愿意投入，市場(chǎng)上也缺乏針對(duì)初中物理課程設(shè)計(jì)的高質(zhì)量虛擬實(shí)驗(yàn)資源.

1.2教師應(yīng)用困難

隨著教育技術(shù)的快速發(fā)展，教師在虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用中面臨著專業(yè)發(fā)展的需求.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷更新要求教師持續(xù)學(xué)習(xí)，以掌握最新的教學(xué)工具和方法.目前，針對(duì)教師的技術(shù)培訓(xùn)項(xiàng)目不夠充分，缺乏系統(tǒng)的培訓(xùn)和指導(dǎo)，使得一些教師難以有效利用虛擬實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行教學(xué).由于教師自身技術(shù)背景的差異，一些教師可能對(duì)于新興技術(shù)的接受和應(yīng)用存在困難，這不僅影響了虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，也可能降低教師使用虛擬實(shí)驗(yàn)的積極性.

2虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)課堂中的應(yīng)用策略分析

2.1創(chuàng)設(shè)理想實(shí)驗(yàn)

理想實(shí)驗(yàn)，也被稱為思想實(shí)驗(yàn)或者純理論實(shí)驗(yàn)，是一種通過(guò)假設(shè)和邏輯推理進(jìn)行的實(shí)驗(yàn).在該類實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者不需要進(jìn)行實(shí)際的操作，而是通過(guò)思考和推理來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.理想實(shí)驗(yàn)所涉及的情況和條件在實(shí)際中難以或無(wú)法實(shí)現(xiàn).例如，真空中的物體運(yùn)動(dòng)、絕對(duì)零度溫度下的物質(zhì)狀態(tài)等，正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，理想實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中扮演著獨(dú)特而重要的角色.學(xué)生可以探索那些在現(xiàn)實(shí)物理?xiàng)l件下無(wú)法或難以觀察和實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，從而拓寬科學(xué)探索的邊界.運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)理想環(huán)境，將理想實(shí)驗(yàn)的思維過(guò)程數(shù)據(jù)化、可視化，可以幫助學(xué)生更好地理解抽象概念和理論原理.

例如，在探究“阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”實(shí)驗(yàn)中，教師可以利用軟件，創(chuàng)設(shè)理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，來(lái)模擬小球在V型導(dǎo)軌上的滾動(dòng)，如圖1.在這個(gè)環(huán)境中，可以隨意調(diào)整阻力、時(shí)間間隔等參數(shù)，使得實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诶硐牖沫h(huán)境中進(jìn)行.在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將小球放在左側(cè)導(dǎo)軌的一定高度處，然后讓其自由滾動(dòng).在沒(méi)有阻力的情況下，小球會(huì)沿著導(dǎo)軌滾動(dòng)到右側(cè)的同樣高度處.接下來(lái)，將右側(cè)導(dǎo)軌的斜率降低，此時(shí)學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)小球依然可以滾動(dòng)到同樣的高度，只不過(guò)在水平方向上滾動(dòng)的距離會(huì)更遠(yuǎn).繼續(xù)降低導(dǎo)軌的斜率，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟.每次降低斜率時(shí)，我們都會(huì)發(fā)現(xiàn)小球在水平方向上滾動(dòng)的距離會(huì)更遠(yuǎn)，但是能滾動(dòng)到的高度始終保持不變.最后，將導(dǎo)軌放置成水平狀態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)小球會(huì)一直滾動(dòng)下去，保持勻速直線運(yùn)動(dòng).通過(guò)這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，可以清晰地看到阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響.在沒(méi)有阻力的理想環(huán)境中，小球的總能量會(huì)保持不變，無(wú)論導(dǎo)軌的斜率如何變化，小球都能滾動(dòng)到同樣的高度.而當(dāng)存在阻力時(shí)，小球的總能量會(huì)逐漸損失，導(dǎo)致其不能滾動(dòng)到原來(lái)的高度.這一實(shí)驗(yàn)有力地展示了能量守恒定律和阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響，對(duì)于學(xué)生理解相關(guān)物理概念有著重要的幫助.

理想化處理能幫助學(xué)生更直觀、更清晰地理解抽象的物理概念和定律.在理想化的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以消除現(xiàn)實(shí)中的復(fù)雜因素，讓學(xué)生更專注于探究物理定律本身.當(dāng)學(xué)生理解了理想環(huán)境中的物理定律后，教師可以引導(dǎo)其進(jìn)一步思考現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的復(fù)雜情況，比如阻力、空氣阻力等因素如何影響物體的運(yùn)動(dòng)，并將理想與現(xiàn)實(shí)進(jìn)行對(duì)比，幫助學(xué)生更深入地理解物理定律，培養(yǎng)他們的批判性思維和問(wèn)題解決能力.

2.2提供自由組合實(shí)驗(yàn)環(huán)境

虛擬實(shí)驗(yàn)相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)最大的區(qū)別就是容易操作.傳統(tǒng)教學(xué)中，在有限的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生通常只能按照一種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作，存在弊端.首先，限制了學(xué)生探索和發(fā)現(xiàn)的空間，抑制了他們的創(chuàng)新思維和解決問(wèn)題的能力.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，錯(cuò)誤和失敗同樣重要，它們是學(xué)習(xí)過(guò)程中不可或缺的一部分.然而，由于時(shí)間和資源的限制，學(xué)生失去了通過(guò)反復(fù)嘗試和錯(cuò)誤來(lái)深入理解實(shí)驗(yàn)原理的機(jī)會(huì).此外，這種單一方案的操作模式難以滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣，導(dǎo)致個(gè)體差異在學(xué)習(xí)過(guò)程中得不到充分體現(xiàn).學(xué)生被迫遵循固定的步驟，無(wú)法根據(jù)自己的興趣和理解來(lái)調(diào)整學(xué)習(xí)路徑，不能夠?qū)W(xué)生的獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)能力進(jìn)行培養(yǎng).相比之下，虛擬實(shí)驗(yàn)提供了更多的靈活性，允許學(xué)生在模擬環(huán)境中嘗試不同的實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行多次重復(fù)操作以加深理解.

例如，在“測(cè)量小石塊密度”實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以創(chuàng)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生不必拘泥于器材選取，只要是力學(xué)工具里提供的器材均可選用，讓學(xué)生自主選擇，自主探究.學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，可能設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)方案.如方案一選取量筒、水、小石塊、標(biāo)尺為器材，利用阿基米德原理，當(dāng)物體完全浸入液體中時(shí)，它所排開(kāi)的液體體積等于物體的體積.步驟為：①在量筒中加入已知體積的水，記錄水位；②將小石塊緩緩放入量筒中，觀察并記錄水位上升后的讀數(shù)；③計(jì)算水位上升的體積，即為小石塊的體積；④使用電子秤測(cè)量石塊的質(zhì)量；⑤根據(jù)密度公式計(jì)算小石塊的密度.方案二選取彈簧秤、水槽、細(xì)線、小石塊.步驟為：①使用彈簧秤測(cè)量小石塊在空氣中的重量；②將石塊用細(xì)線懸掛于彈簧秤下，完全浸入水中測(cè)量其在水中的視重；③計(jì)算石塊在空氣中的重量與在水中的視重之差，得到浮力；④由于浮力等于石塊排開(kāi)水的重量，通過(guò)浮力可以計(jì)算出石塊的體積；⑤根據(jù)密度公式計(jì)算小石塊的密度.方案三選用電子秤、量筒、水、小石塊.步驟為：①使用電子秤準(zhǔn)確測(cè)量小石塊的質(zhì)量；②將小石塊放入量筒中測(cè)量其體積，可以通過(guò)水位上升法確定；③根據(jù)密度的定義公式計(jì)算小石塊的密度.自由組合實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生運(yùn)用了不同的物理原理和實(shí)驗(yàn)工具，展現(xiàn)了創(chuàng)意思維和問(wèn)題解決的能力.通過(guò)這樣的探究活動(dòng)，學(xué)生不僅能學(xué)習(xí)到物理知識(shí)，還能培養(yǎng)科學(xué)探究思維.

2.3創(chuàng)設(shè)風(fēng)險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)

在初中物理教學(xué)中，一些實(shí)驗(yàn)因涉及安全風(fēng)險(xiǎn)，往往不適合直接由學(xué)生操作.為了確保安全并幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理和過(guò)程，這些實(shí)驗(yàn)通常由教師進(jìn)行演示.教師的演示不僅可以減少安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，還能通過(guò)詳細(xì)講解，加深學(xué)生對(duì)物理概念的理解，培養(yǎng)觀察能力和科學(xué)思維.但這樣的操作模式，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際操作技能和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)上的缺失.雖然教師演示能有效保障實(shí)驗(yàn)的安全性和準(zhǔn)確性，幫助學(xué)生理解復(fù)雜的物理原理，但同時(shí)也限制了學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，可能會(huì)影響學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣和主動(dòng)探索精神的培養(yǎng).此外，親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過(guò)程能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶，缺少這種經(jīng)驗(yàn)可能會(huì)使得學(xué)生對(duì)物理概念的掌握不夠深刻.虛擬實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)良好的教育平臺(tái)，幫助教師在安全性和資源有限或?qū)嶒?yàn)操作復(fù)雜的情況下，有效向?qū)W生傳授物理知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能.

例如，在“探究固體熔化時(shí)溫度變化規(guī)律”時(shí)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性且設(shè)備數(shù)量有限，無(wú)法讓學(xué)生親自進(jìn)行操作.此時(shí)就可以借助AR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，打破傳統(tǒng)教育局限，借助AR智慧課桌搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，組裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行操作.虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供了一個(gè)安全且便捷的平臺(tái)，使學(xué)生能夠在沒(méi)有實(shí)際實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的情況下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀察.首先，學(xué)生會(huì)選擇一個(gè)固體物質(zhì)來(lái)進(jìn)行研究，比如冰.學(xué)生可以通過(guò)拖拽的方式，將選定的固體放置在加熱器上.隨后，學(xué)生需要調(diào)整加熱器的溫度，開(kāi)始加熱過(guò)程.這一過(guò)程中，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境會(huì)實(shí)時(shí)顯示固體表面和內(nèi)部的溫度變化，讓學(xué)生能夠直觀地觀察到固體從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的整個(gè)過(guò)程.在固體開(kāi)始熔化的那一刻，學(xué)生會(huì)注意到溫度計(jì)上的讀數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，這個(gè)特定的溫度就是所研究固體的熔點(diǎn).通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠理解到，物質(zhì)在熔化過(guò)程中，溫度會(huì)保持恒定，直到所有的固體都轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài).此外，虛擬實(shí)驗(yàn)還允許學(xué)生探索不同物質(zhì)的熔點(diǎn).例如，學(xué)生可以選擇海波和石蠟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)海波經(jīng)過(guò)緩慢加熱，溫度逐漸上升，當(dāng)溫度達(dá)到48 ℃，海波開(kāi)始熔化.在熔化過(guò)程中，雖然繼續(xù)加熱，但海波的溫度不變，直到完全熔化后，溫度才繼續(xù)上升.石蠟則隨著不斷加熱，石蠟的溫度升高，在此過(guò)程中，石蠟變軟變稀，最后熔化為液體.通過(guò)比較和分析，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)不同物質(zhì)熔點(diǎn)的差異，進(jìn)而去了解差異背后的科學(xué)原理.

虛擬實(shí)驗(yàn)課堂為學(xué)生提供了一個(gè)既安全又有效的學(xué)習(xí)平臺(tái)，讓學(xué)生可以在零風(fēng)險(xiǎn)的情況下探索和學(xué)習(xí)，極大地提升了實(shí)驗(yàn)的安全性.此外，初中學(xué)生可能因?yàn)槿狈?shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)或操作不熟練而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤操作，物理實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題.虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬操作界面，指導(dǎo)學(xué)生逐步完成實(shí)驗(yàn)步驟，有效避免了因操作不當(dāng)而導(dǎo)致的安全隱患.進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)后再進(jìn)行實(shí)際操作，虛實(shí)結(jié)合，為學(xué)生提供了一個(gè)安全、全面、深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn).

3結(jié)束語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在初中物理教學(xué)中應(yīng)并行不悖，相輔相成.虛擬實(shí)驗(yàn)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)補(bǔ)充了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，提供了安全、便捷的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)則通過(guò)實(shí)際操作加深學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的理解.教師應(yīng)靈活運(yùn)用兩種實(shí)驗(yàn)方式，優(yōu)化教學(xué)策略，有效提升物理教學(xué)的質(zhì)量和效率，為學(xué)生構(gòu)建全面、深入的物理學(xué)習(xí)體驗(yàn).

參考文獻(xiàn)：［1］ 李欣悅.基于NOBOOK平臺(tái)的初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，2021.

［2］ 許淼. 虛擬實(shí)驗(yàn)翻轉(zhuǎn)課堂對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的影響研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2023.

［責(zé)任編輯：李璟］