初中物理實驗教學(xué)與實踐
時間:2022-01-06 09:26:15
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摘要:物理是一門重視實驗教學(xué)的學(xué)科,但在現(xiàn)實教學(xué)中,外界主客觀因素會影響實驗效果,而虛擬實驗平臺在很大程度上解決了這一問題。系統(tǒng)介紹了NOBOOK虛擬實驗平臺在初中物理實驗教學(xué)中發(fā)揮的優(yōu)勢,并通過探究凸透鏡成像規(guī)律實驗案例,對其在初中物理實驗中的應(yīng)用做詳細介紹。
關(guān)鍵詞:虛擬仿真實驗;NOBOOK;凸透鏡成像;初中物理
一、研究背景
教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動計劃》中指出要持續(xù)推動信息技術(shù)與教育教學(xué)融合,全面提升師生信息素養(yǎng),為學(xué)生提供有效的學(xué)習(xí)工具和豐富的教育環(huán)境[1]。《義務(wù)教育物理課程標準(2011年版)》中也指出義務(wù)教育物理課程是一門重視實驗的自然基礎(chǔ)課程[2],明確了實驗教學(xué)的重要性。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展,越來越多的虛擬仿真技術(shù)被應(yīng)用在物理實驗中,虛擬仿真實驗平臺可以排除外界因素影響,讓學(xué)生可根據(jù)需求自主進行實驗,一定程度上更能培養(yǎng)學(xué)生的實驗創(chuàng)新精神。目前國內(nèi)的虛擬仿真實驗平臺大致分為兩類,一類應(yīng)用于高等教育教學(xué),這類平臺大多數(shù)由各高校、研究院自主研發(fā),如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的幾何光學(xué)實驗室、北京交通大學(xué)的RECEL平臺、國家虛擬仿真實驗平臺—實驗空間等。另一類應(yīng)用于基礎(chǔ)教育教學(xué),這一類的虛擬仿真實驗平臺相對較少,主要由企業(yè)投入研發(fā),如虛擬仿真實驗室、NOBOOK物理虛擬實驗平臺(簡稱NOBOOK平臺)等。
二、NOBOOK平臺簡介
NOBOOK平臺是一款虛擬實驗應(yīng)用軟件,主要用于基礎(chǔ)教育各學(xué)段的實驗教學(xué)互動,主體內(nèi)容共包括物理、生物、化學(xué)以及小學(xué)科學(xué)四部分。本文主要針對物理部分進行應(yīng)用闡述。NOBOOK平臺基本包含了物理課程標準要求的所有初高中物理實驗,具有多個版本教材的不同實驗,支持手機、計算機、平板電腦等多終端的數(shù)據(jù)共享[3]。除了教材要求的固定實驗,學(xué)生還可自主創(chuàng)新,利用NOBOOK平臺內(nèi)的海量實驗儀器模板和實驗器件庫自由創(chuàng)建、組裝實驗,并通過豐富的實驗講解視頻,更好地理解實驗內(nèi)容。
三、虛擬仿真實驗的優(yōu)勢
1.生動形象激發(fā)學(xué)習(xí)興趣基于NOBOOK平臺的物理實驗生動形象,畫面、聲音效果逼真,例如水沸騰時會發(fā)出聲音提醒學(xué)生、碘升華時會在畫面中呈現(xiàn)紫色煙霧。在現(xiàn)實實驗中無法觀測到的一些實驗現(xiàn)象,如電流、磁感線,甚至是分子、原子等均可在虛擬仿真實驗中得到展現(xiàn),模擬真實的實驗場景,因而具有強大的交互性,可以激發(fā)學(xué)生對實驗的學(xué)習(xí)興趣。2.開發(fā)思維培養(yǎng)創(chuàng)新能力NOBOOK平臺只需一臺智能終端即可操作,簡單快捷,方便學(xué)生重復(fù)進行實驗,且擁有海量實驗器材、八大實驗?zāi)K輔助教學(xué),學(xué)生可根據(jù)需求設(shè)計實驗,起到鍛煉學(xué)生動手能力和創(chuàng)新思維的作用[4]。3.加速實驗提高學(xué)習(xí)效率在NOBOOK平臺進行實驗操作所需的時間遠小于現(xiàn)實常規(guī)實驗,既能減少實驗反應(yīng)時間,又能免去前期實驗準備,節(jié)約材料成本。學(xué)生既可以應(yīng)用NOBOOK平臺進行預(yù)習(xí),也可開展課后復(fù)習(xí),這使得學(xué)生的學(xué)習(xí)時間變得更靈活,有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。4.保證安全彌補現(xiàn)實教學(xué)條件的不足在教學(xué)實際中,一些實驗危險性較高,實驗中可能用到高熱儀器、藥品可能帶有較強毒性或腐蝕性,如海波融化與凝固實驗、碘的升華與凝華實驗等,不適合學(xué)生操作。此外,一些條件要求高或極易受環(huán)境因素影響的實驗也使學(xué)生難以觀察到現(xiàn)象,但這些都可以借助NOBOOK平臺得到改善,虛擬仿真技術(shù)既可以保證實驗安全,也可以突破現(xiàn)實中各種客觀條件的限制,讓學(xué)生直觀有效地得出實驗結(jié)果。
四、探究凸透鏡成像規(guī)律實驗案例分析
1.教學(xué)內(nèi)容分析探究凸透鏡成像規(guī)律實驗是初中物理中的一個重要實驗,在教材中與前后章節(jié)知識相連,起到承上啟下的作用。教材由部分生活實例引入,請學(xué)生觀察照相機、投影儀等物品的特點及規(guī)律,并思考:凸透鏡成像與哪些因素有關(guān)?成像的性質(zhì)與物距有何關(guān)系?通過提問,激發(fā)學(xué)生的興趣,引起學(xué)生的探究欲望。2.學(xué)情分析學(xué)生在進行本課學(xué)習(xí)前,對光的折射、光的反射相關(guān)知識進行了系統(tǒng)學(xué)習(xí),對凸透鏡和凹透鏡的作用有所了解,能區(qū)分實像與虛像,對生活中常見的透鏡,如望遠鏡、放大鏡、近視鏡、遠視鏡等有了一些感性認識。但對于凸透鏡的應(yīng)用沒有系統(tǒng)了解,不知道凸透鏡成像具有哪些規(guī)律。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)探究,要使學(xué)生系統(tǒng)了解凸透鏡成像的規(guī)律。為此,可以將生活中應(yīng)用到凸透鏡成像規(guī)律的物品與物理知識關(guān)聯(lián)起來,了解它們都應(yīng)用了哪些原理,從而實現(xiàn)理論聯(lián)系生活。3.教學(xué)目標第一,通過本節(jié)實驗課的學(xué)習(xí),了解凸透鏡成像與哪些因素有關(guān)、有什么規(guī)律,掌握本節(jié)課的學(xué)科知識。第二,通過利用虛擬仿真實驗進行學(xué)習(xí),體驗到科學(xué)探究過程,了解實驗基本研究方法。第三,了解實驗探究活動在認知過程中的重要性,將物理知識聯(lián)系生活實際,激發(fā)學(xué)生探索物理的興趣。4.教學(xué)應(yīng)用(1)課前預(yù)習(xí)探究凸透鏡成像規(guī)律實驗是探究性實驗,為了提高學(xué)生課上的學(xué)習(xí)效率,請學(xué)生利用課余時間,應(yīng)用NOBOOK平臺,通過相關(guān)實驗視頻,結(jié)合教材進行自主預(yù)習(xí)。在預(yù)習(xí)過程中,可以依據(jù)NOBOOK平臺提供的實驗器材對該實驗進行預(yù)操作,熟悉實驗?zāi)康?、原理、器材及實驗步驟等內(nèi)容。相關(guān)實驗界面見圖1。圖1NOBOOK平臺實驗界面(2)實驗教學(xué)①新課引入教師引導(dǎo)學(xué)生使用放大鏡觀察物品,學(xué)生發(fā)現(xiàn)物品是正立且放大的,教師改變放大鏡與物體間的距離,讓學(xué)生觀察此時用放大鏡看到的物體發(fā)生了什么變化。學(xué)生發(fā)現(xiàn)通過凸透鏡距離的改變,物體還可以呈現(xiàn)倒立的放大或縮小的像。提出問題,引導(dǎo)學(xué)生思考物體所成的像的性質(zhì)與什么因素有關(guān)。②實驗講解教師結(jié)合NOBOOK平臺介紹凸透鏡成像實驗用具,講解實驗注意事項,在實驗操作中系統(tǒng)講解如何使焰心、凸透鏡的光心、光屏的中心三點處于同一水平線,如何調(diào)整焦距與物距的關(guān)系得到不同的像,如何記錄實驗數(shù)據(jù)等問題。③實驗操作學(xué)生根據(jù)教師講解的實驗內(nèi)容,以小組為單位進行實驗操作,教師提醒學(xué)生:已知凸透鏡對光的折射程度與它的焦距有關(guān),移動蠟燭時,可以參考物距與焦距呈倍數(shù)關(guān)系,來觀察成像的情況。學(xué)生通過調(diào)整物距,得到不同實驗結(jié)果。學(xué)生保持凸透鏡位置不變,移動光屏與蠟燭的位置,使物距、像距改變,得到實驗現(xiàn)象:此時蠟燭呈倒立縮小的實像,記錄物距、像距的大小,重復(fù)實驗,記錄數(shù)據(jù)。再次改變物距、像距,分別得出蠟燭呈倒立等大、倒立放大的實像及正立放大的虛像,記錄實驗數(shù)據(jù)。學(xué)生進行實驗操作后,借助NOBOOK平臺改變凸透鏡的焦距,重復(fù)進行實驗,記錄數(shù)據(jù)。NOBOOK平臺在實驗器材使用次數(shù)上沒有限制,學(xué)生可針對同一內(nèi)容重復(fù)實驗,以加深對實驗的理解,切實鍛煉實踐動手能力[5]。④規(guī)律總結(jié)分析實驗數(shù)據(jù),總結(jié)規(guī)律,以小組為單位總結(jié)并進行匯總,得出結(jié)論,物距與焦距關(guān)系共分四種情況,即u<f,f>u>2f,u=2f,u>2f,總結(jié)得出凸透鏡成像的規(guī)律如下:當(dāng)u>2f且f<v<2f時,呈倒立縮小的實像。當(dāng)u=2f時,v=2f,呈倒立等大的實像。當(dāng)f>u>2f時,v>2f,呈倒立放大的實像。當(dāng)u<f時,呈正立放大的虛像。當(dāng)u=f時,不成像,成平行光射出。⑤課后拓展引導(dǎo)學(xué)生思考物距與焦距處于不同關(guān)系時,這一成像規(guī)律在生活中有何應(yīng)用。例如當(dāng)物距小于一倍焦距時,與放大鏡原理相同;物距大于兩倍焦距時,與老式照相機原理相同等,可以尋找生活中此類具有凸透鏡成像規(guī)律的物品,與學(xué)生分享自己的發(fā)現(xiàn)。學(xué)生在課后也可以通過NOBOOK平臺進行復(fù)習(xí)鞏固,根據(jù)實驗器材資源自主設(shè)計實驗,探索其他可能性。⑥設(shè)計意圖學(xué)生通過NOBOOK平臺的實驗視頻自主進行實驗預(yù)習(xí),可以提前熟悉實驗流程,為后續(xù)動手操作奠定基礎(chǔ),規(guī)避實際操作中可能出現(xiàn)的錯誤,有效減少實驗器材損壞,同時也可以培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考及創(chuàng)新能力。通過改變物距呈現(xiàn)不同形式的像來引入,可以引起學(xué)生的認知沖突,激發(fā)學(xué)生的探究興趣;分組進行實驗,可以更好地發(fā)揮學(xué)生的主體作用;讓學(xué)生重復(fù)進行實驗可以減小誤差,使實驗結(jié)果更具說服力,還能培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度、良好的實驗操作習(xí)慣,提高學(xué)生的動手能力。課堂最后,引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行總結(jié),培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)能力。有時間還可以鼓勵學(xué)生重新進行實驗,在驗證結(jié)論的同時進一步熟悉實驗操作、加深對實驗的理解。引導(dǎo)學(xué)生思考實驗規(guī)律在生活中的應(yīng)用,使學(xué)生將物理與實際生活相聯(lián)系,落實物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。
五、結(jié)語
應(yīng)用NOBOOK平臺將探究凸透鏡成像規(guī)律實驗作為案例進行分析,將信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)相融合,使得兩者相互促進。教師引導(dǎo)學(xué)生利用NOBOOK平臺輔助開展實驗,規(guī)避了部分實驗的安全性問題,模擬真實的實驗情境,輔助實現(xiàn)實驗效果,提高了物理實驗課堂的教學(xué)效率,既將信息技術(shù)與物理實驗教學(xué)緊密聯(lián)系起來,也為線上物理實驗教學(xué)提供了參考方案。在內(nèi)容的選擇上,虛擬仿真實驗的范圍其實還可以擴大到各個學(xué)科中。本文描述了許多虛擬仿真實驗的優(yōu)勢,但對于學(xué)生來說,實驗操作的真實體驗是不可替代的,而虛擬仿真實驗的便利性也是常規(guī)實驗所不具備的,所以應(yīng)讓NOBOOK平臺輔助初中物理實驗教學(xué),以發(fā)揮更大的價值。
參考文獻
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作者:王革 齊海燕