虛擬實驗室（NOBOOK）融入初中物理習(xí)題課教學(xué)的探索

陳榮清 楊晨琳

（1.福清高山育才中學(xué)，福建 福清 350319；2.福清北亭初級中學(xué)，福建 福清 350323）

在習(xí)題教學(xué)中，虛擬實驗作為一種新的科學(xué)研究方法，可以與傳統(tǒng)教學(xué)方法有效結(jié)合.通過具體的習(xí)題解答，學(xué)生能從各種角度完善對物理概念和物理規(guī)律的理解，并進(jìn)行深化與鞏固，進(jìn)而提高自身的科學(xué)素養(yǎng).NOBOOK實驗室可以作為實驗教學(xué)的高效補(bǔ)充工具，使得抽象的物理規(guī)律直觀化、可視化，創(chuàng)設(shè)平臺，讓學(xué)生展示交流，互動完善，實現(xiàn)知識和方法的溫故知新，培養(yǎng)學(xué)生的開放性思維，促進(jìn)學(xué)生自主進(jìn)行創(chuàng)造性決策.

1 NOBOOK輔助真實實驗

學(xué)生在解題過程中經(jīng)常對問題的分析和已有的知識基礎(chǔ)或知識經(jīng)驗相沖突產(chǎn)生錯誤的認(rèn)知.例如，對物體浸入液體的過程中，液面也隨之上升的現(xiàn)象沒有清晰認(rèn)識，更不易理解液面上升的體積等于物體的體積.通過NOBOOK平臺，調(diào)節(jié)參數(shù)，模擬出物體的運動，精確地完成相關(guān)實驗，實時顯示數(shù)據(jù)變化，為學(xué)生呈現(xiàn)一種動態(tài)的視覺效果，讓學(xué)生們反省、評價，來達(dá)成思維的轉(zhuǎn)化，從而迅速、簡捷地解決問題.

例1.如圖1所示，圓柱形薄壁容器底面積為60 cm2，彈簧測力計下掛一底面積為20 cm2的柱形金屬塊，金屬塊下表面與水面相平時，彈簧測力計示數(shù)為4.5 N，若將金屬塊緩慢下降6 cm，金屬塊的上表面與水面相平（水未溢出）.則金屬塊下降前后容器底受到的液體壓強(qiáng)變化量是_______Pa，金屬塊的密度_______g／cm3.

圖1

初中學(xué)生邏輯思維能力尚待發(fā)展，在設(shè)計習(xí)題當(dāng)中的實驗方案時，思維容易受限制，一開始直接根據(jù)題目中的實驗器材，一個裝有水的燒杯、一個彈簧測力計和金屬塊就開始實驗操作.在學(xué)生交流后，教師適時地介紹能通過對比水位上升的高度和金屬塊在水中下降深度的創(chuàng)新技法，提供再次設(shè)計的機(jī)會.學(xué)生通過NOBOOK虛擬實驗室不斷完善自己的設(shè)計實驗，設(shè)計出多種實驗方案，發(fā)展創(chuàng)造思維，展示最終的實驗方案.如圖2所示，模擬在空燒杯中金屬塊上表面與水位線相平時，下表面應(yīng)到達(dá)燒杯“40”刻度線的位置.而實際情況下，金屬塊在水中下降的過程中，水面會隨之上升.教師再通過希沃白板編輯（如圖3），學(xué)生清晰地看到當(dāng)金屬塊上表面與水面相平時，金屬塊的下表面在水中下降的距離比在之前在空燒杯中下降的距離小.在活動過程中，可以利用評價單要求學(xué)生從創(chuàng)造思維、設(shè)計實驗方案、行為規(guī)范3個維度進(jìn)行自我評價，激勵學(xué)生在設(shè)計過程中不斷改進(jìn)，發(fā)展創(chuàng)造思維.同時，學(xué)生查看評價單后，能根據(jù)自己的表現(xiàn)，總結(jié)和反思自己哪方面表現(xiàn)得好，哪方面還有欠缺，需要改進(jìn).

圖2 金屬塊下降過程

圖3 水位變化情況

伴隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，利用仿真實驗軟件在虛擬情況下開展實驗，探究物理規(guī)律，與真實實驗形成有效互補(bǔ)，教師講解方便、直觀，打破了學(xué)生長期形成的固有思維模式，提高認(rèn)知水平.

2 NOBOOK實現(xiàn)可視化實驗

物理習(xí)題課的實驗教學(xué)，重在讓學(xué)生在有限的課堂學(xué)習(xí)時間里盡可能多地掌握實驗操作技能、物理知識以及提高科學(xué)素養(yǎng).傳統(tǒng)的電學(xué)實驗器材容易老化造成實驗誤差大，不利于習(xí)題的講解.在分析復(fù)雜電路時，使用傳統(tǒng)的多媒體手段無法實時呈現(xiàn)電路在不同情況下的工作狀態(tài)，并且連接好的電路由于距離和視角的關(guān)系，學(xué)生無法看清，教學(xué)難點不易突破.此時借助NOBOOK虛擬實驗室，有效地縮短實驗時間.

例2.小靈小組利用如圖4所示電路進(jìn)行電學(xué)實驗，選用的電源電壓為4.5 V，滑動變阻器規(guī)格為“20Ω 1 A”.

圖4 電學(xué)實驗圖

（2）在探究“電流與導(dǎo)體兩端電壓的關(guān)系”實驗中，選用5Ω的定值電阻，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片無法使電壓表示數(shù)為0.5 V，你認(rèn)為原因可能是__________.

傳統(tǒng)習(xí)題教學(xué)中，當(dāng)計算出滑動變阻器的最大阻值至少為40Ω，電壓表示數(shù)才能減小到0.5 V時，學(xué)生仍無法理解是因為滑動變阻器的最大阻值太小導(dǎo)致電壓表無法達(dá)到0.5 V.在解決這類物理臨界狀態(tài)問題，可運用NOBOOK平臺，按照題目要求設(shè)置電源電壓、定值電阻、滑動變阻器的最大值等數(shù)值，完成電路的連接后，閉合開關(guān)，就能看到電流流動的動態(tài)畫面（如圖5所示）.學(xué)生觀察物理量的變化，由一般推向極端，做出在極端條件下的判斷，通過理論分析臨界狀態(tài)和極值解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力.［2］在NOBOOK實驗室中同時還能直觀看到，滑動變阻器阻值在變大的過程中，電壓表示數(shù)在變小，當(dāng)滑動變阻器的阻值達(dá)到最大值20Ω時，電壓表只能減小至0.9 V，未能減小至題中要求的0.5 V.單擊電壓表后，轉(zhuǎn)動鼠標(biāo)滾輪還能縮放實驗畫面（如圖6所示），方便學(xué)生讀數(shù).同時，NOBOOK打破時間限制，跨越空間障礙，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的資源共享，提高實驗資源的利用率，便于學(xué)生利用課余時間鞏固物理知識.可以微信掃描如圖7的二維碼.）

圖5 電流流動畫面

圖6 電壓表放大圖

圖7 二維碼

3 運用NOBOOK提升思維躍遷

在使用NOBOOK時，教師的教學(xué)不再局限于講臺附近，學(xué)生可利用手機(jī)中的學(xué)生端并通過希沃授課助手，遠(yuǎn)距離控制希沃，開展合作互動式學(xué)習(xí)，獲得良好的體驗.

例如在解決單個物體在豎直方向上運動受到3個力的物理問題，可以提出一個原始的問題：在彈簧測力計下掛著一個重物，將其緩慢勻速地浸入裝有水的燒杯中，彈簧測力計示數(shù)將如何變化？學(xué)生在聽完問題后，對手機(jī)中的NOBOOK物理實驗學(xué)生端進(jìn)行一系列設(shè)置（如圖8），觀察示數(shù)變化.接著，教師給出一個臺秤，提問：在重物勻速地浸入過程中彈簧測力計的示數(shù)和燒杯對桌面的壓力將如何變化？這時，學(xué)生馬上就想到可以使用臺秤來測量壓力，并觀察到浸入過程中彈簧測力計示數(shù)先變小的同時臺秤的示數(shù)在變大（如圖9）.當(dāng)學(xué)生看到希沃白板上展示的練習(xí)題：若將彈簧測力計下掛的重物勻速地浸入裝滿水的溢水杯中，彈簧測力計的示數(shù)和桌面受到溢水杯的壓力將如何改變？學(xué)生通過NOBOOK把上一個實驗中的燒杯替換成溢水杯，如圖10所示，得到答案.最后，教師可讓學(xué)生利用NOBOOK虛擬實驗室學(xué)生端解決：若將彈簧測力計下掛的重物勻速地浸入沒有裝滿水的溢水杯中，彈簧測力計的示數(shù)和桌面受到溢水杯的壓力將如何改變？（圖11），進(jìn)而提升學(xué)生的高階思維能力.［3］

圖8 NOBOOK實驗參數(shù)設(shè)置

圖9 使用臺秤測量壓力

圖10 用裝滿水的溢水杯進(jìn)行實驗

圖11 用未裝滿水的溢水杯進(jìn)行實驗

教師在教學(xué)中利用相近的題目，關(guān)注學(xué)生的討論和虛擬實驗儀器的選擇，讓學(xué)生通過變式題目的分析、評價從而加強(qiáng)師生互動和學(xué)生間的交流和實踐，提高思維能力，解題過程中感悟分析問題的思路和方法.活動的4個階段中，學(xué)生經(jīng)歷了多次方案設(shè)計，從一開始金屬塊在水中拉力的變化到最后金屬塊在浸入未裝滿水的溢水杯過程中拉力和桌面受溢水杯壓力的示數(shù)變化，創(chuàng)造思維得到鍛煉與提升.教師通過步步設(shè)問，既能讓學(xué)生及時明了自己的不足之處，又能便于教師縱向觀察學(xué)生設(shè)計能力的發(fā)展情況，檢驗自己設(shè)計的教學(xué)活動對培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力的有效性，有助于對學(xué)生出現(xiàn)的問題對癥下藥，進(jìn)行有針對性和持久地訓(xùn)練.

4 總結(jié)與展望

NOBOOK虛擬實驗室融入傳統(tǒng)的物理習(xí)題教學(xué)中，使學(xué)生在理解知識點時能看到直觀現(xiàn)象的畫面，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和可持續(xù)發(fā)展的潛能.但在習(xí)題教學(xué)中僅有NOBOOK虛擬實驗室是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如何與傳統(tǒng)教具、傳感器相結(jié)合，提高習(xí)題教學(xué)的有效性，需要進(jìn)一步研究.