初中物理实验教学与实践

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摘要：物理是一门重视实验教学的学科，但在现实教学中，外界主客观因素会影响实验效果，而虚拟实验平台在很大程度上解决了这一问题。系统介绍了NOBOOK虚拟实验平台在初中物理实验教学中发挥的优势，并通过探究凸透镜成像规律实验案例，对其在初中物理实验中的应用做详细介绍。

关键词：虚拟仿真实验；NOBOOK；凸透镜成像；初中物理

一、研究背景

教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》中指出要持续推动信息技术与教育教学融合，全面提升师生信息素养，为学生提供有效的学习工具和丰富的教育环境[1]。《义务教育物理课程标准(2011年版)》中也指出义务教育物理课程是一门重视实验的自然基础课程[2]，明确了实验教学的重要性。随着信息化技术的发展，越来越多的虚拟仿真技术被应用在物理实验中，虚拟仿真实验平台可以排除外界因素影响，让学生可根据需求自主进行实验，一定程度上更能培养学生的实验创新精神。目前国内的虚拟仿真实验平台大致分为两类，一类应用于高等教育教学，这类平台大多数由各高校、研究院自主研发，如中国科学技术大学的几何光学实验室、北京交通大学的RECEL平台、国家虚拟仿真实验平台—实验空间等。另一类应用于基础教育教学，这一类的虚拟仿真实验平台相对较少，主要由企业投入研发，如虚拟仿真实验室、NOBOOK物理虚拟实验平台(简称NOBOOK平台)等。

二、NOBOOK平台简介

NOBOOK平台是一款虚拟实验应用软件，主要用于基础教育各学段的实验教学互动，主体内容共包括物理、生物、化学以及小学科学四部分。本文主要针对物理部分进行应用阐述。NOBOOK平台基本包含了物理课程标准要求的所有初高中物理实验，具有多个版本教材的不同实验，支持手机、计算机、平板电脑等多终端的数据共享[3]。除了教材要求的固定实验，学生还可自主创新，利用NOBOOK平台内的海量实验仪器模板和实验器件库自由创建、组装实验，并通过丰富的实验讲解视频，更好地理解实验内容。

三、虚拟仿真实验的优势

1.生动形象激发学习兴趣基于NOBOOK平台的物理实验生动形象，画面、声音效果逼真，例如水沸腾时会发出声音提醒学生、碘升华时会在画面中呈现紫色烟雾。在现实实验中无法观测到的一些实验现象，如电流、磁感线，甚至是分子、原子等均可在虚拟仿真实验中得到展现，模拟真实的实验场景，因而具有强大的交互性，可以激发学生对实验的学习兴趣。2.开发思维培养创新能力NOBOOK平台只需一台智能终端即可操作，简单快捷，方便学生重复进行实验，且拥有海量实验器材、八大实验模块辅助教学，学生可根据需求设计实验，起到锻炼学生动手能力和创新思维的作用[4]。3.加速实验提高学习效率在NOBOOK平台进行实验操作所需的时间远小于现实常规实验，既能减少实验反应时间，又能免去前期实验准备，节约材料成本。学生既可以应用NOBOOK平台进行预习，也可开展课后复习，这使得学生的学习时间变得更灵活，有助于提高学生的学习效率。4.保证安全弥补现实教学条件的不足在教学实际中，一些实验危险性较高，实验中可能用到高热仪器、药品可能带有较强毒性或腐蚀性，如海波融化与凝固实验、碘的升华与凝华实验等，不适合学生操作。此外，一些条件要求高或极易受环境因素影响的实验也使学生难以观察到现象，但这些都可以借助NOBOOK平台得到改善，虚拟仿真技术既可以保证实验安全，也可以突破现实中各种客观条件的限制，让学生直观有效地得出实验结果。

四、探究凸透镜成像规律实验案例分析

1.教学内容分析探究凸透镜成像规律实验是初中物理中的一个重要实验，在教材中与前后章节知识相连，起到承上启下的作用。教材由部分生活实例引入，请学生观察照相机、投影仪等物品的特点及规律，并思考：凸透镜成像与哪些因素有关？成像的性质与物距有何关系？通过提问，激发学生的兴趣，引起学生的探究欲望。2.学情分析学生在进行本课学习前，对光的折射、光的反射相关知识进行了系统学习，对凸透镜和凹透镜的作用有所了解，能区分实像与虚像，对生活中常见的透镜，如望远镜、放大镜、近视镜、远视镜等有了一些感性认识。但对于凸透镜的应用没有系统了解，不知道凸透镜成像具有哪些规律。通过本节课的学习探究，要使学生系统了解凸透镜成像的规律。为此，可以将生活中应用到凸透镜成像规律的物品与物理知识关联起来，了解它们都应用了哪些原理，从而实现理论联系生活。3.教学目标第一，通过本节实验课的学习，了解凸透镜成像与哪些因素有关、有什么规律，掌握本节课的学科知识。第二，通过利用虚拟仿真实验进行学习，体验到科学探究过程，了解实验基本研究方法。第三，了解实验探究活动在认知过程中的重要性，将物理知识联系生活实际，激发学生探索物理的兴趣。4.教学应用(1)课前预习探究凸透镜成像规律实验是探究性实验，为了提高学生课上的学习效率，请学生利用课余时间，应用NOBOOK平台，通过相关实验视频，结合教材进行自主预习。在预习过程中，可以依据NOBOOK平台提供的实验器材对该实验进行预操作，熟悉实验目的、原理、器材及实验步骤等内容。相关实验界面见图1。图1NOBOOK平台实验界面(2)实验教学①新课引入教师引导学生使用放大镜观察物品，学生发现物品是正立且放大的，教师改变放大镜与物体间的距离，让学生观察此时用放大镜看到的物体发生了什么变化。学生发现通过凸透镜距离的改变，物体还可以呈现倒立的放大或缩小的像。提出问题，引导学生思考物体所成的像的性质与什么因素有关。②实验讲解教师结合NOBOOK平台介绍凸透镜成像实验用具，讲解实验注意事项，在实验操作中系统讲解如何使焰心、凸透镜的光心、光屏的中心三点处于同一水平线，如何调整焦距与物距的关系得到不同的像，如何记录实验数据等问题。③实验操作学生根据教师讲解的实验内容，以小组为单位进行实验操作，教师提醒学生：已知凸透镜对光的折射程度与它的焦距有关，移动蜡烛时，可以参考物距与焦距呈倍数关系，来观察成像的情况。学生通过调整物距，得到不同实验结果。学生保持凸透镜位置不变，移动光屏与蜡烛的位置，使物距、像距改变，得到实验现象：此时蜡烛呈倒立缩小的实像，记录物距、像距的大小，重复实验，记录数据。再次改变物距、像距，分别得出蜡烛呈倒立等大、倒立放大的实像及正立放大的虚像，记录实验数据。学生进行实验操作后，借助NOBOOK平台改变凸透镜的焦距，重复进行实验，记录数据。NOBOOK平台在实验器材使用次数上没有限制，学生可针对同一内容重复实验，以加深对实验的理解，切实锻炼实践动手能力[5]。④规律总结分析实验数据，总结规律，以小组为单位总结并进行汇总，得出结论，物距与焦距关系共分四种情况，即u<f，f>u>2f，u=2f，u>2f，总结得出凸透镜成像的规律如下：当u>2f且f<v<2f时，呈倒立缩小的实像。当u=2f时，v=2f，呈倒立等大的实像。当f>u>2f时，v>2f，呈倒立放大的实像。当u<f时，呈正立放大的虚像。当u=f时，不成像，成平行光射出。⑤课后拓展引导学生思考物距与焦距处于不同关系时，这一成像规律在生活中有何应用。例如当物距小于一倍焦距时，与放大镜原理相同；物距大于两倍焦距时，与老式照相机原理相同等，可以寻找生活中此类具有凸透镜成像规律的物品，与学生分享自己的发现。学生在课后也可以通过NOBOOK平台进行复习巩固，根据实验器材资源自主设计实验，探索其他可能性。⑥设计意图学生通过NOBOOK平台的实验视频自主进行实验预习，可以提前熟悉实验流程，为后续动手操作奠定基础，规避实际操作中可能出现的错误，有效减少实验器材损坏，同时也可以培养学生的独立思考及创新能力。通过改变物距呈现不同形式的像来引入，可以引起学生的认知冲突，激发学生的探究兴趣；分组进行实验，可以更好地发挥学生的主体作用；让学生重复进行实验可以减小误差，使实验结果更具说服力，还能培养学生严谨的实验态度、良好的实验操作习惯，提高学生的动手能力。课堂最后，引导学生对实验数据进行总结，培养学生的归纳总结能力。有时间还可以鼓励学生重新进行实验，在验证结论的同时进一步熟悉实验操作、加深对实验的理解。引导学生思考实验规律在生活中的应用，使学生将物理与实际生活相联系，落实物理核心素养的培养。

五、结语

应用NOBOOK平台将探究凸透镜成像规律实验作为案例进行分析，将信息技术与物理实验教学相融合，使得两者相互促进。教师引导学生利用NOBOOK平台辅助开展实验，规避了部分实验的安全性问题，模拟真实的实验情境，辅助实现实验效果，提高了物理实验课堂的教学效率，既将信息技术与物理实验教学紧密联系起来，也为线上物理实验教学提供了参考方案。在内容的选择上，虚拟仿真实验的范围其实还可以扩大到各个学科中。本文描述了许多虚拟仿真实验的优势，但对于学生来说，实验操作的真实体验是不可替代的，而虚拟仿真实验的便利性也是常规实验所不具备的，所以应让NOBOOK平台辅助初中物理实验教学，以发挥更大的价值。

参考文献

[1]教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[EB/OL].

[2]教育部.义务教育物理课程标准(2011年版)[S].北京:北京师范大学出版社,2012.

[3]王健涛,刘亚男,蔡开聪.基于NOBOOK虚拟实验室技术的高中化学实验教学探究[J].中学化学,2021(2):6-9.

[4]严炜,杨晓梅.虚拟实验室在中学物理教学中的应用[J].物理教学探讨,2019(7):70-72.

[5]陈志梅.基于NOBOOK的高中物理探究性实验教学活动设计与实践研究[D].兰州:西北师范大学,2019.

作者：王革 齐海燕