宁夏大学物理与电子电气工程学院(750021) 杨永宏 杨晓梅

《普通高中物理课程标准(2017年版)》中提出积极探索信息技术与物理教育的深度融合，拓宽物理学习的途径，促进教学方式改革，进而落实核心素养的培养[1]。科学思维是物理核心素养的重要组成部分[2]。物理是一门以实验为基础的科学，实验教学在培养学生的探究能力和科学态度，发展学生的科学思维等方面具有重要地位。传统实验由于耗时长、成本高、效果差等原因，在实验教学中教师往往采用“以讲代做”或播放视频的方式取代学生的实际操作。NOBOOK(以下简称NB)虚拟仿真实验以其逼真、准确、交互性强、可重复性高的特点，将信息技术与中学物理实验教学高度整合，弥补了传统实验教学探究过程流于形式以及思维能力培养的不足，拓展实验教学内容广度和深度，延伸实验教学时间和空间，为培养学生科学思维提供了新的实践路径。

1 NB物理虚拟实验平台简介

NB物理虚拟实验平台是由北京乐步科技有限公司开发的用于辅助中学物理教学的虚拟仿真软件[3]。该平台的特点是:仿真度高、兼容性好、交互性强、实验种类丰富、实验现象明显。作为一款教学辅助工具，该软件以学科核心素养以及课程标准为指导，紧密贴合教学需求，将传统实验场景真实再现。NB物理虚拟实验平台涵盖了初高中阶段力学、热学、声学、光学、电磁学、近代物理等8个模块的468个实验资源，此外，学生还能利用平台中的300多个实验器材自由进行DIY实验，可以完成上万种实验搭配，培养学生的创新能力[4]。NB物理虚拟实验平台已有实验个数见表1。

2 NB虚拟仿真实验与传统实物实验比较

相比于传统实验，该虚拟实验的优势与不足主要体现在以下几个方面(见表2)：

对比发现，NB虚拟实验虽然无法完全取代真实实验，在实物感和真实感方面存在一定缺陷，但其效果逼真、参数可调、精确度高、器材易得、平台开放。在提升实验范围的可囊括性、加强实验现象的可视化，促进探究方法的训练以及进行思维过程的培养等方面具有传统实验无法比拟的优势。基于NB虚拟平台从科学思维培养的四个维度出发进行物理实验教学研究，既可以为实物实验的开展搭建思维支架，又能将理论知识与实践操作紧密结合，有效改善传统实验教学中理论与实践脱节、实验效果差的困顿局面，从而架起核心素养视域下科学探究与科学思维发展互促互进的桥梁。

表1 NB物理虚拟仿真平台实验个数统计

表2 NB虚拟实验与传统实验对比

3 NB虚拟实验辅助下科学思维培养的实验教学案例

以人教版高中物理必修第三册“电源电动势和内阻的测量”实验为载体，基于NB物理虚拟平台围绕如何在实验教学中培养学生的科学思维，设计了如图1所示的教学流程图。

图1 NB虚拟实验教学流程图

3.1 创设相关情境，激发学习兴趣

以创意微视频“如何为电量告急的手机充电？”(见图2)创设情境，强化知识与生活实践联系。学生将干电池与水果的共性进行分析，类比推理得出水果可充电这一猜想；通过问题“如何证明水果是电池”引导学生提出验证方案，即通过观察接入电路中的灯泡亮不亮，观察电流表、电压表是否有示数；学生在虚拟平台自主探究完成论证过程、验证猜想。在情境创设中进行思维的初步启发。

图2 情境创设

3.2 激活已有知识，引起认知冲突

以图3中电压、电流表有示数，灯泡却不能发光这一现象引起认知冲突；引导学生对该现象产生的原因进行思考，合理得出水果电池具有电动势和内阻这一推理；进一步提问：如何精确地测量水果电池的电源电动势和内阻？将问题从定性分析上升到定量分析的角度，使学生的科学思维得到进一步启发。

图3 验证水果是否为电池电路图

3.3 搭建探究支架，完善实验方案

以“在所学的物理公式中，哪个公式中既含有电动势E，又含有内阻r？”搭建思维支架引导学生回忆闭合电路欧姆定律及其变形式，以问题串的方式进一步牵动思维链条引导学生思考：电路图如何搭建、实验器材如何选择、需要测量的物理量有哪些、是否只测一组数据就可以？实验步骤是什么、有哪些注意事项、实验记录表格如何绘制等；学生利用虚拟实验平台模拟建构电路图模型，将思维可视化呈现，展示思考讨论结果并做总结(见表3)，经过层层推进的科学推理，实验思维在潜移默化中得以形成。

表3 测量电池电动势和内阻实验方案

3.4 开展实验探究，数据处理分析

学生在NB虚拟平台独立进行仿真实验，经历探究过程并记录数据；教师用类比推理以及问题串的方式引导学生用公式法和图像法处理数据，在进行科学论证的过程中获得思维的完整呈现。以伏阻法为例，实验过程中电路连接、数据记录以及图像拟合如图4、图5所示。误差允许的范围内，得到苹果电池内阻约为420 Ω，电动势为0.90 V与该电池的实际值相近。此外，仿真实验中发现利用伏安法、伏阻法进行探究电表示数变化不明显。安阻法中调节电阻箱，电流计示数变化明显，学生在采用实物实验开展探究时，可选择用安阻法测量电池的电动势和内阻，进行实践操作能力的训练。

图4 伏阻法测电池电动势和内阻示意图

图5 水果电池电动势及内阻实际值

3.5 实验拓展应用，发展创新思维

对于开放性问题的探究和思考是培养创新能力的重要方式[5]。通过引导学生进一步探究“水果电池的电动势和内阻与哪些因素有关”巩固所学知识，加强认知体验，拓展学生的思维，增强创新能力，在实验的再探究中获得思维的提升。探究活动相应环节的设计如下。

3.5.1 教师活动

(1)问题引导：各个小组测出的电动势和内阻不尽相同。水果电池的电动势和内阻与哪些因素有关？

(2)提供材料：NB虚拟仿真实验平台。

(3)水果果酸知识科普，提供不同水果pH值，指导学生进行实验，完成记录表格。

(4)引导学生对探究结果进行分析，得出结论。

3.5.2 学生活动

小组间思考交流，比较各自得到的电动势和内阻，并提出猜想：①与水果的种类、成熟程度有关;②与两电极的插入深度有关;③与两电极的间距有关;④与两电极的材料种类有关。

(1)改变水果种类，搭建测量电池电动势和内阻的实验电路，进行探究,测得数据见表4。

表4 探究电动势和内阻与水果类型的关系

(2)改变电池两电极插入深度，搭建实验电路图，展开探究,测得数据见表5。

表5 探究电动势和内阻与电极插入深度的关系

(3)改变电池两电极间距，搭建实验电路图，展开探究，测得数据见表6。

表6 探究电动势和内阻与电极间距的关系

(4)改变两电极材料类型，搭建实验电路图，展开探究，测得数据见表7。

表7 探究电动势和内阻与电极材料类型的关系

分析数据，得出结论:

①水果的种类不同,电动势不同，酸性越强的水果，其电动势越高；②水果电池电动势与两极板间距离无关，两极板间距离越小，内阻越小；③水果电池电动势与两极板插入深度无关，两极板插入深度越深，内阻越小；④水果电池电动势与两极材料有关，电极材料不同，电动势不同。

3.5.3 设计意图

采用控制变量的方法设计实验，对水果电池电动势及其内阻影响因素进行探究，将一个复杂的问题分解为若干问题，加深对电池电动势和内阻相关概念的理解，提升学习兴趣的同时培养学生的科学探究能力，促进思维的发散。

4 结语

物理实验是在科学思维指导下的实践操作[6]。本研究依托NB虚拟平台的独特优势对标物理科学思维培养的四个维度对“电池电动势和内阻的测量”实验进行教学路径重构。在课堂引导学生自主建构完整知识图景的同时进行了虚拟实验设计与操作的训练，既改善了传统实验教学理论与实践脱节的弊端，又为实物实验的进一步开展搭建支架。在提升了科学探究能力的同时有效促进科学思维的发展，对于提高学生的核心素养有着重要的借鉴意义。