吳榮華 胡玲 蔡秀峰 彭靖

【摘 要】物理學(xué)科知識(shí)具有較強(qiáng)的抽象性，需要學(xué)生有較強(qiáng)的抽象思維，物理知識(shí)的教授更多的是要呈現(xiàn)物理思維和物理方法，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室把抽象知識(shí)具象化，同時(shí)通過(guò)學(xué)科工具把具體的物理現(xiàn)象抽象成物理模型。本文分析了虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)及教學(xué)應(yīng)用模式，通過(guò)案例從教學(xué)效果上對(duì)應(yīng)用模式進(jìn)行驗(yàn)證，并整理出適合使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn)室;實(shí)驗(yàn)類(lèi)型;實(shí)驗(yàn)知識(shí)特點(diǎn)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2019）02、03-0114-04

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。數(shù)字化工具把具體的物理現(xiàn)象抽象成物理模型，實(shí)現(xiàn)把物理思維和物理方法教授給學(xué)生，所以數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是教育信息化發(fā)展的需要，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要方法和手段。虛擬實(shí)驗(yàn)室是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的一種，本文聚焦虛擬實(shí)驗(yàn)室與教學(xué)融合，基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，結(jié)合具體案例探究其在教學(xué)中的應(yīng)用模式，并總結(jié)出虛擬實(shí)驗(yàn)室適用的物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

數(shù)字實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[1]。虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種比較常見(jiàn)的數(shù)字實(shí)驗(yàn)室，它借助圖像/圖形、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)可視化虛擬環(huán)境，教師或?qū)W生可以隨時(shí)進(jìn)入其中操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)[2]。

1.虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，更多的是借助傳統(tǒng)儀器設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，以單一的Flash動(dòng)畫(huà)或?qū)嶒?yàn)視頻為支撐。相比這幾種呈現(xiàn)形式，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

（1）實(shí)驗(yàn)器材：虛擬實(shí)驗(yàn)室只需配備計(jì)算機(jī)，基本無(wú)折舊;無(wú)須購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)器材，特別是那些需要高額投資的器材。

（2）實(shí)驗(yàn)條件：虛擬實(shí)驗(yàn)室可以模擬各種條件的實(shí)驗(yàn)，特別是理想條件下（如真空、無(wú)摩擦力）的實(shí)驗(yàn);同時(shí)可以根據(jù)課堂教學(xué)需要調(diào)整實(shí)驗(yàn)時(shí)間，特別是那些反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)或較短的實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：虛擬實(shí)驗(yàn)室不僅可以展示宏觀(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還可以模擬傳統(tǒng)手段無(wú)法直接觀(guān)察的實(shí)驗(yàn)（如電磁波的傳播），或者展示微觀(guān)世界的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而變抽象為形象，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

（4）安全系數(shù)：虛擬實(shí)驗(yàn)室可以進(jìn)行不同危險(xiǎn)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)，特別是危險(xiǎn)性高的實(shí)驗(yàn)，如爆炸、產(chǎn)生有毒氣體的實(shí)驗(yàn)等。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

從上面的分析中可以看出，虛擬實(shí)驗(yàn)室除了可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)的實(shí)驗(yàn)外，還可以進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)中，真實(shí)實(shí)驗(yàn)（即用傳統(tǒng)儀器設(shè)備進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)）是物理教學(xué)的主要形式，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充或支撐，主要用于真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)具備的特征如表1所示。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)應(yīng)用模式

物理實(shí)驗(yàn)可分為測(cè)量性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)性實(shí)驗(yàn)等[3]。在不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)中，虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)應(yīng)用模式會(huì)有不同。

1.測(cè)量性實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用模式

測(cè)量性實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)學(xué)生測(cè)量某種物理量的能力。對(duì)于一個(gè)物理量的測(cè)量可分為直接測(cè)量與間接測(cè)量。直接測(cè)量，如時(shí)間、長(zhǎng)度、力等物理量通過(guò)使用相應(yīng)的測(cè)量工具即可直接得出測(cè)量的值。間接測(cè)量，如加速度、電阻率、折射率等物理量的測(cè)量是通過(guò)一些已知物理規(guī)律進(jìn)行測(cè)量的，在這種測(cè)量中，涉及一些其他物理量的測(cè)量及物理規(guī)律的運(yùn)用。

虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用在這一類(lèi)型實(shí)驗(yàn)課上的教學(xué)，主要包括以下三個(gè)階段：（1）實(shí)驗(yàn)原理的剖析階段。教師一邊利用語(yǔ)言講解測(cè)量原理，一邊用虛擬實(shí)驗(yàn)室演示測(cè)量過(guò)程。（2）學(xué)生自主學(xué)習(xí)階段。學(xué)生根據(jù)教師所講解的實(shí)驗(yàn)原理，利用虛擬物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（3）真實(shí)實(shí)驗(yàn)階段。在使用虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是可以驗(yàn)證的，成為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下，親自操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)完成真實(shí)測(cè)量[4]。

2.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用模式

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是指對(duì)已知的物理規(guī)律通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。通過(guò)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可以加深對(duì)物理規(guī)律的理解，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的能力，學(xué)生可以嘗試從不同角度驗(yàn)證某一規(guī)律，培養(yǎng)發(fā)散思維。這一類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)課主要包括以下三個(gè)階段：（1）實(shí)驗(yàn)猜想。教師根據(jù)已知的實(shí)驗(yàn)原理，剖析可能產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（2）真實(shí)實(shí)驗(yàn)階段。教師或?qū)W生進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)原理。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)階段。教師或?qū)W生利用虛擬實(shí)驗(yàn)室，多角度對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行驗(yàn)證。例如，真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的，可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步觀(guān)察;需要多角度觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的，可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多角度觀(guān)察;也可以利用其他實(shí)驗(yàn)器材，改變實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)一步探究實(shí)驗(yàn)原理。

3.探究性實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用模式

探究性實(shí)驗(yàn)是一種開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，是以學(xué)生為主體，對(duì)未知物理規(guī)律的設(shè)計(jì)、操作，從而得出結(jié)論，比起以往的實(shí)驗(yàn)更能鍛煉學(xué)生的研究能力。這一類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)課主要包括以下五個(gè)階段：（1）提出問(wèn)題。教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，讓學(xué)生提出問(wèn)題。（2）猜想與假設(shè)。學(xué)生猜想可能存在的實(shí)驗(yàn)情況。（3）設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)。在教師的引導(dǎo)下學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。（4）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)收集。根據(jù)設(shè)計(jì)通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證性操作，并收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（5）分析結(jié)論并評(píng)估。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，概括實(shí)驗(yàn)規(guī)律，并評(píng)估實(shí)驗(yàn)方案。

4.學(xué)習(xí)性實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用模式

學(xué)習(xí)性實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生掌握一種儀器的使用、學(xué)會(huì)一種實(shí)驗(yàn)方法或理解一個(gè)實(shí)驗(yàn)原理的一類(lèi)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)這類(lèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)儀器的使用及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法，提高學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)操作能力。包括以下三個(gè)階段：（1）教師演示操作。教師在虛擬實(shí)驗(yàn)室中演示實(shí)驗(yàn)操作步驟，讓學(xué)生都清晰地看到操作。（2）學(xué)生練習(xí)操作。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中鞏固實(shí)驗(yàn)操作步驟，并注意細(xì)節(jié)。（3）學(xué)生真實(shí)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)前兩個(gè)階段的熟悉和鞏固，學(xué)生已具備操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)的能力，其實(shí)驗(yàn)動(dòng)作技能得到進(jìn)一步提升。

虛擬實(shí)驗(yàn)室在物理教學(xué)中的應(yīng)用

根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)應(yīng)用模式，結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，以高二物理“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”為例，結(jié)合101教育PPT-虛擬實(shí)驗(yàn)室，對(duì)物理現(xiàn)象抽象的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在虛實(shí)結(jié)合模式教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探究。

1.教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

教學(xué)設(shè)計(jì)主要包括以下階段：實(shí)驗(yàn)猜想（提出問(wèn)題）、真實(shí)實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)（學(xué)科工具-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)顆粒對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行呈現(xiàn)）、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、課堂練習(xí);實(shí)驗(yàn)猜想（分析粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，設(shè)計(jì)帶電粒子與速度、半徑的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)）、真實(shí)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論、課堂練習(xí)、虛擬實(shí)驗(yàn)（利用虛擬實(shí)驗(yàn)室-洛倫茲力演示儀進(jìn)行課堂小結(jié)）。

2.教學(xué)效果分析

在課程結(jié)束后我們對(duì)學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，從學(xué)習(xí)興趣與態(tài)度、課堂體驗(yàn)、學(xué)習(xí)效果、對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可度等四個(gè)維度對(duì)課堂學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)?？傮w情況是，大部分學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室在物理學(xué)習(xí)中持肯定態(tài)度，認(rèn)為使用虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生的興趣、注意力、課堂參與、學(xué)習(xí)效率上都有比較好的影響，不反對(duì)使用這種教學(xué)形式。使用虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，能夠幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)，同時(shí)能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力;大部分學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可度相對(duì)較高，愿意使用虛擬實(shí)驗(yàn)室，并愿意將虛擬實(shí)驗(yàn)用到其他學(xué)科的學(xué)習(xí)中去。

適合使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)

除了“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”外，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還有許多物理實(shí)驗(yàn)適合使用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行輔助教學(xué)。根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)主題、實(shí)驗(yàn)類(lèi)型，結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)知識(shí)特點(diǎn)，對(duì)適合使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)（以高中為例）進(jìn)行了總結(jié)，如表2所示。

總結(jié)與反思

本研究針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，總結(jié)了虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的應(yīng)用模式，并結(jié)合案例對(duì)物理現(xiàn)象抽象的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在虛實(shí)結(jié)合模式教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探究，同時(shí)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響進(jìn)了驗(yàn)證分析，以高中為例整理出了適合使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)。在今后的研究中，還需對(duì)其他的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型及應(yīng)用模式進(jìn)行驗(yàn)證，從而更好地完善整個(gè)研究主題。

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