虚拟实验平台在初中物理电磁实验教学中的应用

摘要

在初中物理电磁实验教学中应用虚拟实验平台，能够创新教学方式，提升教学效率。以物理电磁实验教学为例，借助NOBOOK虚拟实验平台，能有效拓展教学思路、突破教学难点，深挖物理实验教学中蕴含的育人价值，为初中物理实验教学活动的优化设计提供新的方法与策略。借助虚拟实验平台模拟真实情境的实验教学能够激发学生学习物理的兴趣和动机，培养学生创新思维和实践能力，促进学生物理学科核心素养的形成和发展。

Graphical abstract

关键词

NOBOOK / 虚拟实验平台 / 实验教学 / 初中物理

NOBOOK虚拟实验平台是一个虚拟仿真实验教学平台，支持自主设计实验，学生可以在虚拟实验台上经历动手配置、连接、调节和使用实验仪器设备的全过程，从而获得操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识。

1 借助NOBOOK有效拓展教学思路

教师在利用传统实验器材准备实验时，连接电路往往会耗费宝贵的课堂时间。以“探究电流与电压关系”实验教学中的两个教学环节为例，教师应用NOBOOK虚拟实验平台开展教学，整个实验操作简便快捷，能够节约大量时间，释放出充足的学习空间。同时，该平台还能吸引学生的注意力，营造出生动活泼的学习氛围，引领学生在虚拟网络环境中亲身体验实验探究过程，充分激发学生的学习潜能。

1.1 教学环节一：创设情境

教师在NOBOOK虚拟实验平台上展示一个由一节干电池、开关、灯泡、电流表组成的简单电路。闭合开关，灯泡发光，电流表示数为0.15 A。提出问题：让灯泡亮度变得更亮一些的方案有哪些呢？学生回答可以用两节干电池串联作为电源。

教师利用虚拟实验平台为学生提出的方案寻找证据。将电源电压参数修改为3 V，虚拟平台显示为2节干电池。当闭合开关后，灯泡更亮了，电流表示数为0.3 A。

1.2 教学环节二：优化实验方案

在探究当电阻一定时，通过导体的电流与导体两端电压的关系时，学生小组交流讨论了3种改变电阻两端电压的方法，并展示各自的实验方案，教师利用NOBOOK虚拟实验平台模拟这3种实验方案，并讨论实验方案的优缺点，从而选择一个最佳的实验方案。

方案1：通过改变干电池的节数来实现。

方案2：利用学生电源来提供不同的电源电压。

方案3：利用滑动变阻器来调节电阻两端的电压。

方案1学生最容易想到，也最容易实现，然而在用真实实验器材操作时，每次都要增加电池盒和电池的节数，当电池的数量增加到3节以上还要改变电压表的量程，每次实验测量数据的次数也较少。

方案2使用学生电源非常方便，只需要调节输出旋钮即可改变输出电压，实验只需要读取电压表和电流表的数值即可。但是在用真实实验器材操作中，学生电源需要连接220 V的家庭电路，电源输出端有直流和交流之分，输出电压改变时还要改变电压表的量程，测量实验的次数也受限制，基于安全和多次测量实验数据两方面考虑，利用学生电源也不理想。

方案3利用滑动变阻器来调节电阻两端的电压，一是可以温习串联分压的作用；二是利用滑动变阻器可以调节定值电阻两端的电压，由于用电器两端电压可以连续变化，很容易实现多次测量，有利于归纳电流与电压的变化规律；三是熟悉滑动变阻器的连接方法和调节方法，理解滑动变阻器在电路中的作用^［1］。当然方案3实验实物图比较难连接，在实际操作中发生电路故障的概率较大。

探究类实验最重要的价值是让学生在具体情境中去发现问题、提出问题，并探索如何去解决问题。教师利用虚拟实验平台创设实验情境启发学生探究问题，引导学生验证他们提出的3个实验方案，将解决问题的机会留给学生，有效拓展教学思路。让学生去实施实验方案，使其体验解决问题的完整过程，学生经历小组间讨论、交流、评析等环节，能很好地培养学生的发散性思维，真正激活学生的创造思维，培养学生科学、务实、实事求是的科学态度，整个环节节约了宝贵的课堂时间，充分发挥实验探究的作用。

2 利用NOBOOK有效突破教学难点

2.1 开关引起电路连接问题辨析

电路的识别是电学学习的基础。当一个电路有多个开关、多个用电器、电压表、电流表、滑动变阻器时，电路的识别难度将更大，对于初学者来说是一道难以逾越的屏障。如果仅靠教师讲解如同纸上谈兵。而借助NOBOOK虚拟实验平台，可以让学生自主DIY实验，按照题目的选项去分析电路，通过仿真实验显示的电流路径和实验现象，学生能很轻松地掌握习题的解法，提高学生解决实际问题的能力。

示例1：如图1的电路中，下列说法正确的是（　　）。

A. 当闭合开关S₁、S₂、S₃时，电源短路；

B. 当只闭合开关S₁、S₂时，L₁、L₂并联；

C. 当只闭合开关S₂、S₃时，L₁、L₂串联；

D. 当只闭合开关S₁、S₃时，L₁、L₂串联。

借助实验平台搭建图1电路图对应的实物图，利用仿真实验室模拟每一个选项，学生可以逼真地看到结果，加强对电学规律的理解。

A选项：当闭合开关S₁、S₂、S₃时，电源短路，可以判断A选项是正确的；B选项：当只闭合开关S₁、S₂时，只有灯泡L₁亮，电流只流过L₁，灯泡L₂没有电流通过，L₂被S₁、S₂短路了，所以B选项错误；C选项：当只闭合开关S₂、S₃时，L₂发光、L₁被短路，所以C选项错误。对于初学者，仅靠通过分析电流的路径来得出L₁被S₂、S₃短路这个结论还是有难度，所以借助虚拟实验室，先让学生看到现象，再从现象分析L₁不亮的原因就容易些；D选项：当闭合开关S₁、S₃时，两个灯泡都发光，从模拟的实物图也能看出来，电流有两条路径，L₁、L₂并联。

利用NOBOOK虚拟实验平台，一是可以让学生充分练习电路图转实物图的基本方法与技巧。在虚拟实验室中，学生能够反复尝试、不断探索，从而更加熟练地掌握这一重要技能。二是学生可以在这里根据具体的题目要求，大胆进行实验操作，从实现现象中分析问题、解决问题，在实践中锻炼自己解决实际问题的能力。

2.2 动态分析电路

示例2：分析由开关引起的电路变化。

在图2电路中，电源电压保持不变，R₁和R₂为定值电阻。先闭合开关S₁，再闭合开关S₂后，电流表示数，电压表示数。两空均选填（“增大”“不变”“减小”）

根据图2中电路图对应的实物图，电源电压参数设为3 V，R₁、R₂阻值设置的参数分别为10 Ω、20 Ω。闭合开关S₁，电路中只有R₁，电压表示数为3 V，电流表示数为0.15 A，电路中只有一个用电器，用电器两端的电压就等于电源电压。再闭合开关S₂，电路中R₁、R₂均有电流通过，电压表示数为3 V不变，说明R₁、R₂并联，电流表测量干路电流，电流表示数为0.45 A。此时电流表示数增大，电压表示数不变。在实际教学中，从现象到分析本质，通过教师的引导和启发，从电路的连接方式和电表的测量对象入手进行理论分析、归纳和总结，从而建构起对动态电路分析方法的深度理解。

示例3：分析由滑动变阻器引起的电路变化。

如图3所示，电源电压恒定不变，闭合开关后，当滑动变阻器滑片P向右端滑动时，电流表A示数，电压表V示数。两空均选填（“变大”“不变”“变小”）

根据电路图以及搭建的对应实物图，经分析可知，闭合开关后，R和R′串联接入电路中，电流表测电路中的电流，电压表测R′两端的电压；当滑片P向右端滑动时，滑动变阻器接入电路的阻值变大（通过电路中电流的路径，能直观看到滑动变阻器上连入电路的电阻发生变化），电路中总电阻变大，根据欧姆定律可知，电路中的电流变小，即电流表示数变小；根据串联电路的分压特点可知，滑动变阻器分得的电压变大，电压表示数也变大^［2］。

3 借助NOBOOK模拟带有危险性的实验

在初中物理实验中，偶遇有高压或强电的危险性的电学实验可能伤害学生。在传统的物理课堂教学中，教师基本上采用播放实验视频或者口头讲述等方式给学生讲解分析。在这种实验教学模式下，虽然避免了危险性，但学生也仅仅只是了解实验的结论，失去了物理实验教学真正的育人功能^［3］。NOBOOK虚拟实验平台有高度逼真的模拟环境，能精准还原实验场景，交互功能强大，从而使模拟危险实验可行且有效。学生可自主操作仪器、调参数，观察细微变化，为教学注入新活力，让初中物理教学更具成效。

示例4：在分析电路3种状态中的短路情况时，电源短路电路有瞬间电流、电池也有爆炸的危险。电源短路时实验教学环节就非常危险。如图4所示，教师给学生演示电源直接短路、有开关的电源短路、有用电器的电源短路，在接通电路的瞬间，虚拟平台发出“滋”的响声，电源上出现一个感叹号，此时电源已经损坏。

教师采用NOBOOK软件，可让学生在虚拟实验平台中经历危险实验的探究学习，对电源短路的危险性有深刻的认识，让初中物理实验教学焕发出新的活力。学生在安全的环境中尽情体验危险实验的魅力，真正实现了物理实验教学的育人功能。

示例5：在学习电动机原理实验时，在真实实验中，为了使金属棒在导轨上能受到较大的安培力而运动，教师一般采取电源短接而增加瞬间电流，这一实验操作同样有潜在危险性。而利用虚拟实验平台就可以很安全地探究影响通电导线在磁场中的受力方向与哪些因素有关。

4 利用NOBOOK虚拟实验平台的教学作用

4.1 锻炼实验操作技能

在实际教学中，教学白板的平面显示电路元件，线路连接非常清晰，学生容易在NOBOOK虚拟实验平台上完成实物图的连接，失误率较低。而在实际动手实践操作中，就会遇到接线端接触不良、小灯泡损坏等电路断路、短路故障问题，这时需要学生小组协同配合，依据电路图检查实物图的连接，并借助电压表来排查电路故障，培养学生的实际操作能力和解决实际问题的能力。

4.2 培养误差分析能力

虚拟实验平台呈现的是一种理想状态下的实验环境，然而因其构建方法和过程过于理想而忽略了真实实验存在的误差^［4］。鉴于此，不建议利用NOBOOK虚拟实验平台来完成测量电流、电压的数值实验操作。在实际测量数据中，测量值存在的误差不可避免，理论与现实往往存在一定的差距。

在教学过程中，教师应注重引导学生主动分析实验中的测量误差，并提出解决方案。由于干电池内阻、导线电阻的存在，电表精度的限制会影响测量值与真实值的大小关系。教师要鼓励学生通过查阅资料等方式，尝试分析误差产生的原因，逐步掌握减小误差的方法，从而促进学生树立严谨的科学态度，推动学生进行深度学习。

5 结语

将虚拟实验平台引入日常教学，能够丰富并优化教师的教学方式，开阔学生视野，有效激发学生的学习兴趣，推动学习方式转变。NOBOOK虚拟实验平台的应用，既有效增强了学生对物理原理的感性认识，又深化了学生对科学规律的理解，有助于提升其探索问题、解决问题的迁移创新能力，促进学生物理学科核心素养的发展。

参考文献

[1] 侯发胜，宋守娟.“探究电流与电压、电阻的关系”拓展性设计［J］.实验教学与仪器，2024，41（02）：40-43.

[2] 王革，齐海燕.基于NOBOOK虚拟实验平台的初中物理实验教学实践［J］.中国现代教育装备，2021（24）：70-72.

[3] 丁东炯.基于NOBOOK虚拟实验平台的初中物理教学实践及效果评估［J］.试题与研究，2024（09）：52-54.

[4] 李雯君.NOBOOK虚拟实验室在初中物理探究性实验教学中的应用研究［D］.兰州：西北师范大学，2019.