許慧藝

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210097)

建構(gòu)主義認為，學習者知識的獲取，不是教師傳授的，而是學習者在一定的情境及其所處的社會背景下，利用一定的學習資料，借助其他人的幫助，通過意義建構(gòu)而獲得的．目前，在計算機網(wǎng)絡技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、人機交互技術(shù)的支持下，虛擬實驗應運而生．虛擬實驗具備的虛擬性、實踐性、靈活性等特征為情境學習的實踐應用提供了重要的途徑．在傳統(tǒng)的教學過程中，因教學條件達不到情境學習所需要的生動性、豐富性，很難使學習者對知識進行有意義的建構(gòu)．而一個多媒體技術(shù)支持的情境性的學習環(huán)境，則可為學習者提供研究媒體的多種作用和前景的機會．這意味著資源應該是一個整體，可以進行封閉的監(jiān)視和檢查，而且可以一次又一次的產(chǎn)出大量的信息和豐富的學習情境[1]．虛擬實驗以其形象逼真的教學內(nèi)容和教學環(huán)境，以及容量大、實時處理能力強等特點顯示了其在情境學習中巨大的潛力和發(fā)展前景．

1 虛擬實驗的概述

1.1 虛擬實驗的含義

按照字面上的意義來理解，虛擬實驗是相對于真實實驗而存在的，二者的主要差別在于：實驗過程中所觸及的對象與事物是否真實[2]．關(guān)于虛擬實驗的定義，人們往往會根據(jù)在實際應用中的具體情況，從不同的層面和角度進行思考．從虛擬實驗的技術(shù)和教學應用的角度來描述，虛擬實驗是借助多媒體、仿真，以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實驗模式，以計算機為控制中心，采用軟硬件結(jié)合的方式，利用網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)虛擬實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡化，學習者可以像在真實環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目，取得與真實環(huán)境或甚至優(yōu)于真實環(huán)境的學習效果．

1.2 虛擬實驗的特征

虛擬實驗同虛擬技術(shù)一樣，具有以下的特征：

(1)虛擬性．與真實實驗相比，虛擬實驗顯著而又本質(zhì)的特征就在于它的虛擬性，正是由于具有虛擬性的特征，才使虛擬實驗具備了特殊的優(yōu)勢，在很大程度上減少了對實驗設備和實驗空間的要求，節(jié)約資金、改善實驗教學條件，豐富實驗內(nèi)容，使一些涉及高?；驑O端的實驗環(huán)境或不可及、不可摸、不可逆的操作成為可能．

(2)靈活性．由于虛擬實驗中的設備、儀器、對象都不是實物，可隨意組建，自由連接，所有器材參數(shù)可任意調(diào)節(jié)，實驗器材一旦損壞可隨時修復，可大大提高資源的可重復利用率，具有良好的可擴充性，使得系統(tǒng)的組建更加靈活、簡單．在虛擬實驗過程中，學生能方便地改變實驗條件觀察不同的實驗現(xiàn)象，獲得豐富的感性認識，同時所有的實驗器材可隨時放大、改變儀器方位，使虛擬實驗具有與真實實驗活動系統(tǒng)相同的組成要素、結(jié)構(gòu)和運行程序．

(3)交互性．交互性是指用戶對虛擬實驗環(huán)境內(nèi)對象的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度(包括實時性)[2]．虛擬實驗比較強調(diào)人與虛擬世界的自然交互，學習者可以利用鼠標、鍵盤甚至直接用手指在屏幕上進行交互，這種方式可以使學習者在交互過程中，不需要關(guān)注任務的執(zhí)行過程和方式，只需關(guān)注任務本身，淡化使用認知，強化學習情境和學習任務，提高學習效率．

(4)開放性．虛擬實驗應創(chuàng)建一個開放的實驗環(huán)境，在形式上不受時間和空間的限制，突出學習者的主體地位，讓學習者能夠有機會自己設計實驗內(nèi)容和選擇實驗儀器，有助于發(fā)揮學習者的主動性和能動性．

1.3 虛擬實驗的作用

(1)彌補教學條件不足和避免高危實驗．

在傳統(tǒng)的實驗教學中，由于教學資金投入有限，實驗教學儀器陳舊，一些農(nóng)村地區(qū)實驗設備更是極度缺乏，實驗室開放時間限制等問題，導致了實驗教學內(nèi)容陳舊，無法和現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展程度相契合，學生的知識體系在深度和廣度上的構(gòu)建受到影響；還有一些實驗比如家庭電路實驗，由于具有危險性，一般不敢單獨讓學生自行操作．而虛擬實驗具有虛擬性的特征，可以有效避免實驗儀器的損壞，同時實驗儀器參數(shù)可任意調(diào)節(jié)，改變實驗條件，彌補教學條件的不足，又可讓學生獲得與真實實驗相同的情感體驗，還可以避免由于實驗的危險性而終止學生獲取感性認識的途徑．

(2)有效突破物理教與學中的難點

在物理情境教學中，由于實驗場地、實驗設備、實驗條件不足等原因，使得原本應該開設的實驗教學無法開設，而學生概念的形成一般都是建立在具體的情境之上的．由于缺乏感性認識，學生往往在一些知識點的理解上會存在困難．而利用虛擬實驗恰好可以彌補這些方面的不足，學生足不出戶便可以做各種各樣的實驗，獲得與真實實驗一樣的體會，從而獲得豐富的感性認識[4]，有效突破難點問題，加深對教學內(nèi)容的理解．

(3)打破時間和空間的限制

利用虛擬實驗，可以徹底打破時間、空間的限制，學習者可以隨時隨地、在任意時間都可以做實驗，也可以縮短時間周期，大到宇宙天體，小到原子粒子，學生都可以進入其內(nèi)部觀察．如觀察原子的組成結(jié)構(gòu)、宇宙的行星分布規(guī)律和運動情況等等．還可以突破時間限制，一些需要幾十年甚至幾百年才能觀察到的變化過程，通過虛擬實驗，可以在很短的時間內(nèi)呈現(xiàn)出來．

(4)規(guī)范學生的實驗操作

由于虛擬實驗在設計上采用的是錯誤操作中斷實驗進行的設計，學生在做實驗時如果不按規(guī)范程序進行操作，實驗將被迫中斷[5]．如在電路連接實驗中，若電流或電壓過大，電流表或電壓表就會被燒壞，實驗將中斷，這樣就迫使學生思考中斷原因，重新回到正確操作上來．而對于真實實驗中，為了避免學生出現(xiàn)錯誤操作，指導教師實驗前必須強調(diào)實驗操作規(guī)范和實驗中注意事項．同時反復強調(diào)并仔細檢查，在保證安全的情況下才準許學生動手操作，即使這樣偶爾也會損壞實驗儀器．若在正式進行真實實驗之前利用虛擬實驗先進行一遍實驗模擬，不僅可以使學生的實驗操作規(guī)范化，還可以保護實驗儀器，減少儀器損壞．

2 虛擬實驗應用于情境學習的意義

2.1 創(chuàng)設游戲情境 興趣盎然樂學習

由于虛擬實驗能超越單純的實物教學方法，使微觀實驗、危險性實驗、高成本等實驗成為可能，同時利用虛擬實驗可以使學生擺脫鼠標鍵盤的束縛，在學習體驗和學習效率方面具有明顯的優(yōu)勢[6]．利用虛擬實驗創(chuàng)設游戲情境，將一部分變?yōu)閷W生喜聞樂見的電子游戲，讓虛擬實驗游戲作為一種新的教學工具，豐富了教學環(huán)境．比如通過虛擬實驗繪制圖形，使之具有物理慣性，如“物理蠟筆小游戲”，學習者可以通過控制手勢繪制圖形，使之具有物理特性，比如重力、吸引力等[5]．不僅有利于激發(fā)學習者的學習動機和學習興趣，還有利于知識的保持和遷移．

2.2 創(chuàng)設操作情境 動手體驗愛學習

虛擬實驗在物理情境學習中的應用，使學習者從被動的接受信息變成在情境中自己理解、加工并主動的建構(gòu)信息．對于比較不自信的學生在實際的實驗操作中可能畏手畏腳，擔心損壞實驗儀器或得不到正確的實驗結(jié)論而在實驗操作過程中耽誤太多時間，難以下手或通過先觀察其他學習者的實驗過程．虛擬實驗采用的是中斷錯誤操作的設計，并且操作簡便、實驗儀器可重復使用，學生可放心大膽的操作．同時虛擬實驗以靠其自身所帶的數(shù)據(jù)庫，可預先根據(jù)誤差理論編制好質(zhì)量評估程序，實驗結(jié)束后，只要運行相關(guān)評估程序，就能對實驗數(shù)據(jù)進行實時評估．實驗質(zhì)量高低，根據(jù)評估報告可以及時得出[7]．因此，虛擬實驗所構(gòu)造的虛擬情境鼓勵了學生進行實驗操作，增強學生的自我效能感，避免操作錯誤的尷尬，鼓勵平時不愛動手操作的學生也積極參與，提高實驗意識．

2.3 創(chuàng)設問題情境 思維活躍會學習

虛擬實驗營造高度真實的學習情境，在一定程度上改善了傳統(tǒng)課堂學習的去情境化的弊端，讓學習者回歸到真實問題情境中學習．虛擬實驗可以人為地加入一些干擾因素或參數(shù)設置，通過改變實驗條件得到不同的實驗現(xiàn)象，而這些實驗現(xiàn)象的背后包含著一個個有待于解決的問題，只有學生對實驗原理、實驗儀器的熟悉掌握，才能解決“實際問題”，活躍學生思維，培養(yǎng)學生的學習熱情和對學習的積極態(tài)度．

3 虛擬實驗在物理情境學習中的應用

3.1 虛擬實驗用于新課教學

(1)用于知識點講解，有效突破教學難點

一般的物理概念或原理概括性比較強，相對來說比較抽象，對于中學生來說在理解上存在一定的困難．教師講得口干舌燥，學生還是云里霧里，若能運用虛擬實驗，將直觀、形象又富有啟發(fā)性的實驗現(xiàn)象配合教師的講授，將會很好地幫助學生理解抽象的物理概念，豐富學生的感性認識，有效地突破教學難點．虛擬實驗在知識點講解中有兩個應用：一是在現(xiàn)實際生活中無法觀察到的自然現(xiàn)象或事物的變化過程，為學生提供生動、逼真的感性學習材料，幫助學生解決學習中的知識難點[7]．比如，在講授凸透鏡或凹透鏡對光線的作用或近視眼的矯正(圖1)時，若用兩束平行的激光照射，在正常的環(huán)境下難以觀察到光路的傳播方向，未能達到實驗目的．而借助虛擬實驗則可清晰呈現(xiàn)可視化的動態(tài)光路，這樣逼真的學習情景，既可激發(fā)學生的學習興趣，又能將抽象的概念形象化、具體化．虛擬實驗在知識學習中的另一個應用是使抽象的概念直觀化、形象化，方便學生對抽象概念的理解．比如，在講解電場線時，由于電場線并不是客觀真實存在的，因此演示實驗也未能模擬電場線，利用虛擬實驗，可清晰地觀察到電場線的分布情況(圖2)，更能反映物理現(xiàn)象的過程，將抽象的問題具體化、形象化，符合學生的認知發(fā)展特點．通過這種圖文具備、聲像并茂、動態(tài)生成的情境創(chuàng)設，能夠更好地吸引學生的注意力，激發(fā)學生的學習興趣，誘發(fā)和強化學生學習的內(nèi)在動力．

圖1 透鏡對光線的作用及近視眼的矯正

圖2 模擬電場線

(2)用于演示物理過程，彌補教學條件的缺失

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以創(chuàng)設各種“虛擬實驗室”，學生可自由自在地在里面做各種實驗，當前虛擬實驗軟件功能強大、可擴展性強，囊括了初高中幾乎所有的實驗，主要由力學、熱學、聲學、光學、電學、電磁學等部分組成．同時虛擬實驗軟件還提供實驗室沒有的器材，學生可個性化自主設計實驗，可自由選擇體驗和操作實驗，實驗器材可任意拖動、組裝，仿佛置身于真實實驗環(huán)境之中，可全面滿足學生的探索欲望．甚至真實實驗無法做到的，利用虛擬實驗的靈活性和多樣性可靈活組裝實驗儀器，完成探究任務．比如在力學虛擬實驗中，具有真實的重力環(huán)境的特點，同時重力加速度可隨意調(diào)節(jié)．在驗證單擺實驗中周期與擺長、擺球質(zhì)量和重力加速度的關(guān)系中，若是真實實驗，雖然可以改變擺長或擺球質(zhì)量，分析和推斷出周期和擺長的平方根成正比、與擺球質(zhì)量無關(guān)的結(jié)論，但無法得出周期與重力加速度的平方根成反比的結(jié)論．而利用虛擬實驗可以通過調(diào)節(jié)重力加速度的值，改變重力加速度，又可改變擺球質(zhì)量和擺長，在實驗中可根據(jù)需要控制實驗條件，同時利用數(shù)據(jù)表格準確地記錄下相應狀態(tài)的數(shù)據(jù)，通過多組數(shù)據(jù)的對比、分析，達到探究目的．

3.2 虛擬實驗用于習題課教學

初高中的學生大部分處于具體運算階段，對知識的理解需要建立在具體的情境之中．而有一部分的物理習題，由于學生缺乏生活經(jīng)驗難以想象它的物理過程和物理想象，所以常常感到無從下手．

【例1】凸透鏡成像的規(guī)律實驗中，蠟燭隨著燃燒而變短，光屏上的像將向______(選填“上”或“下”)移動．

學生在正常的實驗操作中可能未能注意到隨著蠟燭的燃燒，蠟燭的像是如何變化，而若要在課堂中當場做實驗，可能需要花費較多的時間，若通過虛擬實驗(圖3)，讓學生動手操作，實現(xiàn)現(xiàn)象明顯直觀，同時也可以給學生留下深刻的印象．同時為了培養(yǎng)學生的發(fā)散思維，教師可將問題變?yōu)槿魧⑼雇哥R往下移動，則蠟燭的像如何變化．培養(yǎng)學生舉一反三的能力，有助于學生知識的遷移，提高學生的學習效率．

圖3 蠟燭的像隨著蠟燭變短的變化圖像

【例2】一物體通過凸透鏡成像在光屏上，若將透鏡的下部分遮住，則下列說法中正確的是( )

(1)像只剩下部分

(2)像變得模糊不清

(3)像下半部分變暗，上半部分亮度不變

(4)像依然完整，只是整個像亮度變暗了

對于該類題型，理論推理只會把問題復雜化，同時也不利于學生理解．利用真實實驗演示，若要觀察到蠟燭清晰的像的變化情況不僅費時，對實驗環(huán)境的要求也較高，而利用虛擬實驗，只要通過簡單的操作，現(xiàn)象便清晰可見，如圖4所示．

圖4 凸透鏡遮擋前與遮擋后蠟燭像的變化

3.3 虛擬實驗用于學生自主學習和課堂練習

鑒于各種原因的影響，實驗室的開放時間一般都是有限制的，學生只能在教師的帶領(lǐng)下進入實驗室做實驗，因此學生一般只能通過課本或?qū)嶒炛v義進行課前的預習或課后的復習，但是由于不能動手進行實驗操作，實驗現(xiàn)象無法呈現(xiàn)，因此對實驗的理解只能停留在思維層面，顯然不利于學生對實驗原理、實驗內(nèi)容以及實驗過程中的注意事項的理解和掌握．利用虛擬實驗軟件，學生可以在家里進行課前預習和復習，進行自主學習，有助于激發(fā)學生的學習積極性，讓學生真正成為學習的主體．目前很多學校都有多媒體教室，也就是具備讓學生利用虛擬實驗進行物理學習的硬件設施條件，教師應充分利用多媒體資源，強化信息技術(shù)在中學物理教學中的應用．比如，學生進行電路連接內(nèi)容的學習，利用虛擬實驗學生可在課堂上練習電路連接，進行實驗探究，得出實驗規(guī)律，體驗成功的喜悅．

4 結(jié)束語

將虛擬實驗引進中學物理教學課堂是響應新課程改革的號召，中學物理課堂強調(diào)知識的基礎性、系統(tǒng)性和實踐性，加上初高中的學生的認知還處于具體運算階段，因此教師應積極創(chuàng)設教學情境，化抽象為形象、具體，促進學生知識的保持和遷移．虛擬實驗可以節(jié)約成本、改善教學條件，突破時間和空間的限制，提高學習者的自主性和創(chuàng)新性，改變了傳統(tǒng)的教學模式，為教學改革服務，同時也為中學物理實驗教學的新探索提供了實踐依據(jù)．但是虛擬實驗教學也存在不足之處，比如降低了學生對真實電子元器件認知的程度和對真實實驗儀器的訓練力度，因此虛擬實驗是中學物理教學中一種很好的輔助工具，并不能完全代替真實實驗．

參 考 文 獻

1 高文.情境學習的關(guān)鍵特征及其對多媒體教學設計的啟示.外國教育資料,1997(06):58～62

2 單美賢. 虛擬實驗系統(tǒng)在教學中的應用探析：[碩士學位論文].南京：南京師范大學,2002

3 李耀麟，張呂彥. 虛擬實驗的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景.隴東學院學報，2009

4 曹賢鐘. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下的情景學習.中國教育技術(shù)裝備,2006(02):19～22

5 范紅斐. 虛擬實驗教學利與弊. 網(wǎng)絡財富, 2010(12): 147～148

6 廖宏建,楊玉寶. 體感交互設計及其在三維虛擬實驗中的應用.遠程教育雜志,2013(01):54～59

7 曹賢鐘. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下的情景學習.中國教育技術(shù)裝備,2006(02):19～22