“央馆虚拟实验”在高中物理实验课的应用——以“测定电池电动势和内阻”为例

王 芳

(剑桥中学，内蒙古 呼和浩特 010000)

“央馆虚拟实验”是由中央电教馆主导研制的融合3D、AI、VR前沿科技，覆盖物理、化学、生物学、科学等学科的创新实验教学软件。是一款全新上线的实验模拟教育学习软件，简单的操作方式，不仅有丰富的功能更是支持各种不同的学科实验模拟，功能多样，上手容易，流畅的画面有逼真的特效以及物理引擎。自创立以来，受到教师的喜欢，“央馆虚拟实验”支持手机、电子白板、电脑、平板和电脑一体机等多设备使用，其仿真结果直观、真实和自然。

“央馆虚拟实验”在教学中主要有以下特点：沉浸式、便捷性、开放性、交互性、安全性，如下图1。

图1 “央馆虚拟实验”特点

“测定电池电动势和内阻”是人教版高中物理选修3-1第二章第十节的内容，它是闭合电路欧姆定律的深化和实际应用，学生通过本节课的学习，既能巩固电学问题的分析思路，加深对闭合电路欧姆定律的理解，又能激发学生的学习兴趣，培养学生合作、探究、交流能力，具有很重要的实际意义[4]。

学生掌握了闭合电路欧姆定律，会利用该定律列式求解相关问题，掌握了电流表、电压表的使用方法。学生观察能力、分析能力不断提高，能够初步地、独立地发现事物内在联系和一般规律的能力，学生具有初步的概括归纳总结能力、逻辑推理能力、综合分析能力。

3.1 导入新课

教师：现在有个新的干电池，要测出其电压，把电压表串联在它两端，电压表示数是否为1.5V？

学生：比1.5V 小，约1.1V。

教师：为什么哪？

学生：可能电源有内阻。

教师：是的。电源有内阻，会分一部分电压。那么如何测量电源的内阻哪？电动势又如何测量哪？能否直接测量哪？可以根据哪个学过的知识来测量电源内阻和电动势哪？同学们思考一下，设计一下电路。提出问题，引入主题。

3.2 进入新课

3.2.1 设计电路

学生根据所学，一般会设计出以下几种思路，如下图2。

图2 同学们设计的电路图汇总

教师：老师设计的电路图是这样的，如下图3。

图3 老师设计的电路图

对照老师的思路进行修改电路图，反思电路设计的基本逻辑，并且让学生通过实物进行读取几组数据，为接下来的数据处理做准备。

3.3.2 理论推导

教师：那怎么算E和r哪？可以利用我们原来学过的什么知识计算？

学生：闭合回路。如果有两组数据，根据

教师：非常好，这是一种方法，但是这种方法计算量太大，误差也相对比较大，还有别的方法吗？

学生：可以根据测得U值和I值，作U-I图像，从而得出的截距是E，斜率是r。

得出方法后，开始进入实验环节。

3.3.3 实验探究

由于电路图会出现短路等电路故障各种事项，为了让同学们先熟悉电路图，安心大胆的实践，先安排虚拟实验做头阵。

虚拟实验步骤设计：

（1）先打开“央馆虚拟实验”虚拟平台如图4。

图4 打开“央馆虚拟实验”界面

（2）按照图5 连接实物电路。注意滑动变阻器连线要遵循“一上一下”，要达到最大阻值，电流表和电压表要“正进负出”，量程要选取合适。

图5 连接好实物电路图

（3）读出电压表和电流表示数并记录在表中，如下图6。

图6 记录数据电流表和电压表示数

（4）改变滑动变阻器五次，分别把数据记录在表中，如下图7。

图7 记录六组数据

（5）处理数据，计算电动势和内阻，如下图8，并描点、连线，如下图9。

图8 处理数据

图9 绘制图像

（6）遇到的问题，由于电流表量程选取的不合适，或者滑动变阻器滑动到最小值，导致电流太大，烧坏电流表或者滑动变阻器，如下图10。

图10 电流太大，烧坏滑动变阻器

通过问题电路，一定好让同学们总结错误的原因，并总结在做实物电路时要注意的事项。遇到的问题和错误，一定不要绕过，是让同学们进步的机会，是成长的机会。

（二）真实实验步骤设计

（1）根据电路图连接实物电路，连接时要注意滑动变阻器、电压表、电流表等仪器的注意事项；

（2）移动滑动变阻器，改变滑动变阻器阻值五次，记录数据；

（3）根据公式 处理数据，计算出电动势和内阻；

（4）绘制电压、电流图像，纵坐标截距为电动势，斜率为内阻。如下图11。

图11 U-I 图像

3.3 得出结论

通过“央馆虚拟实验”和真实实验结合，让同学们充分体验做实验的过程，沉浸其中，从实验中得到结果的快乐。虚拟实验和真实实验从不同角度进行强化。

3.4 教学分析

本节课教学目标的物理观念的培养是想要让学生认识到我们日常的物品很多都是物理模型，电源有内阻，让学生们接受并且亲身感受。本节课的核心素养是培养学生运用数学思维解决物理问题，难点是数据处理。但同学们往往在实验过程中，之所以不敢大胆尝试和大胆做实验，一是做得少，不会做；
二是担心损坏物理实验仪器，造成不必要的麻烦，所以大多同学都是旁观者，看别人做，这对同学们对知识的吸收理解是很不利的。为了打消同学们这种畏难情绪，让同学们心安的一遍遍多做实验，首先先做虚拟实验。经过多次虚拟实验操作，明显感受到同学们自信心和成就感都有所提高，都对真实实验跃跃欲试。在数据处理方面，也是经过虚拟实验快速处理数据，有了对公式的了解，到真实实验数据处理时，同学们也大胆了很多。不仅完成了教师设计的实验并且可以计算出结果，同学们还在虚拟实验平台大胆尝试新的方法，创新思维和独立思考能力都得到了培养和提高，整节课很完整和充实。整个过程如下图12。

图12 “央馆虚拟实验”融入物理实验课的流程图

为了了解学生对于“央馆虚拟实验”应用于高中物理实验课的满意度，笔者对学生进行了问卷调查，问卷发放300 份，回收281 份，有效问卷269 份（图13～图15）。对部分题目做一些摘录。

图13 “央馆虚拟实验”与实际器材的相似性的满意度

图14 “央馆虚拟实验”界面和操作便捷的满意度

图15 虚实结合教学模式对于学生主动性和积极性的影响

第一题、“央馆虚拟实验”的器材很逼真形象。

A.非常符合 B.符合 C.一般符合 D.不符合

大部分同学对虚拟实验器材和实物相近比较认同，只有少数同学认为虚拟实验器材不逼真，与真实实验器材有差别。

第二题、虚拟实验界面很大方美观。

A.非常符合 B.符合 C.一般符合 D.不符合

第三题、虚拟实验操作过程简单，容易上手。

A.非常符合 B.符合 C.一般符合 D.不符合

对于“央馆实验实验”界面和操作的便捷性，同学们也给出了肯定，一般符合和不符合的占10%左右，大部分同学都比较赞同。

第四题、“央馆虚拟实验”在高中物理实验课应用的教学模式提高了我的学习积极性。

第五题、“央馆虚拟实验”在高中物理实验课应用的教学模式提高了我的学习主动性。

A.非常符合 B.符合 C.一般符合 D.不符合

第四题和第五题比较相似，得出了的结果也相近。可以看出来，大部分同学都赞成虚实结合教学模式使物理实验学习积极性和主动性有所提高，只有小部分同学不同意。

第六题、我喜欢“央馆虚拟实验”融入高中物理实验课的教学模式，如图16。

图16 是否喜欢“央馆虚拟实验”融于高中物理实验课

可以看出来，同学们对“央馆虚拟实验”在高中物理实验课应用的教学模式非常赞同，大多数对“央馆虚拟实验”非常喜欢，认可度非常高。

“央馆虚拟实验”在高中物理实验课教学效果很好，得到教师和学生的广泛好评。总体来讲，有以下几点改变。

5.1 增强学生学习体验和学习信心

首先，动手动脑是物理实验课的核心。“央馆虚拟实验”与真实实验相结合，既弥补了真实实验的不足，又更好地发挥了“央馆虚拟实验”的优势。增加了学生做物理实验的频率，既可以继续发挥真实实验的在实验室严谨的完成实验，又体现“央馆虚拟实验”的可以随时随地的完成实验的优势[3]。

其次，增强学生的学习体验，“央馆虚拟实验”软件生动活泼浸感强，学生在“央馆虚拟实验”环境下进行操作时，犹如在真实实验室操作，学生仿佛置身其中，物理现象清晰的呈现在眼前，给学生真实的视觉和听觉上的刺激，提高学生学习兴趣。

再次，“央馆虚拟实验”打破了时间空间的限制，即使在不同地点不同时间，也可以进行信息的交互，学生可以与移动设备实验现象交互，AI 智能助教在线提供实验步骤指导、知识讲解、错误提醒等，帮助学生规范学习实验操作步骤，快速掌握实验，同时也是增加生生互动、师生互动的途径和平台。

最后，在计算机等硬件条件的支持下，软件正常安装的情况下，学生可以随时进行实验操作，做传统真实实验时，学生离开了实验室，便无法进行实验操作。“央馆虚拟实验”则具有更好的开放性，即使学生不具备真实实验器材也可以进行实验。增加了学生学习和复习、操作的可能性。开放的学习环境对于学生的学习信心会起到巨大的作用。

5.2 增强教师对于教学软件的充分开发利用

教学软件既不是过于笼统的教育信息化整体解决方案，也不仅仅指网上教学平台，而是教学软件、课程资源开发软件、课件、网络课程等的集合。首先，熟练应用专业化软件至关重要。教师将信息技术与学科深度融合的能力必然会提高。将“央馆虚拟实验”平台应用于课前备课、课中授课、课后复习、寒暑假假期作业，充分在教学设计中体现“央馆虚拟实验”等信息技术等优越性，增强教学效果。其次，弥补物理实验室物理实验的不足，充分调动学生动手、动脑的习惯，增强对物理实验的热爱。尤其是对危险性实验、现实条件不能完成只有在特殊条件下才能做的实验起到了非常大的作用，提高了教师完成教学目标的信心。最后，多一与学生互动交互软件，更了解学生，因材施教，升华感情。

5.3 让教学模式创新且高效

“央馆虚拟实验”在高中物理实验课应用的这种教学模式大大提高了教学效果。现代信息技术与学科教学的深度融合是教师观念的改变和进阶，使教学模式和授课方式不断多样化、层次化、广阔化；
教学过程也不再拘泥于教师和学生一唱一和，现代信息技术与学科融合给教学多了很多可能性，只要老师肯学习，肯钻研，上课的教学模式会更高效。

本研究是在“央馆虚拟实验”平台下，以相关研究方法和基本理论为指导，设计将“央馆虚拟实验”应用于测定电池的电动势和内阻教学实践中，并通过问卷调查对教学效果进行评价并得出结论。“央馆虚拟实验”在高中物理实验课的应用方案是合理可行的。“央馆虚拟实验”的融入，并不是取代传统物理真实实验，而是将两者有机结合起来。真实实验是“央馆虚拟实验”的基础和前提，“央馆虚拟实验”是真实实验的补充和延伸。虚拟实验要使用合理，要遵循“虚实结合、虚实互补、以虚辅实”的原则。“央馆虚拟实验”应用于高中物理实验课提升了学生对物理学习的兴趣，同时也提升了教师的信息化教学水平。