吳榮華 方欽華

摘?要：高中物理實驗是物理學習的重要基礎，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，《普通高中物理課程標準》明確提出需要將信息技術(shù)與教學相融合.但是在實際教學中由于實驗設備短缺、實驗難度大等問題，很難很好地滿足實現(xiàn)課程標準的要求.因此，本文從虛擬實驗室的虛擬呈現(xiàn)功能和微觀可視化視頻兩個方面開展對虛擬實驗室應用于高中物理實驗教學的研究，結(jié)合虛擬實驗室教學案例，分析虛擬實驗室在高中物理教學中的應用方式.

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室;虛擬呈現(xiàn);可視化教學;物理教學

文章編號：1008-4134（2019）21-0027?中圖分類號：G633.7?文獻標識碼：B

作者簡介：吳榮華（1980-），男，江西人，本科，高級研究員，研究方向：教育研究及信息化教學;

方欽華（1990-），女，福建福州人，本科，高級研究員，研究方向：教育研究及信息化教學.

高中物理是一門以實驗為基礎的學科，主要包括：力學、光學、電學、熱學等等.高中物理實驗教學在高中物理課堂教學中占據(jù)了舉足輕重的地位.《普通高中物理課程標準》指出，學生需要“觀察現(xiàn)象、進行演示和學生實驗，能夠使學生對物理事實獲得具體的、明確的認識，這是理解概念和規(guī)律的必要基礎”，學生獲得物理知識最有效、最簡捷的方式之一就是通過實驗探究來實現(xiàn).但是在實際教學中可以發(fā)現(xiàn)，真實的物理實驗教學中還存在很多困難，實際教學中還難以很好地實現(xiàn)課程標準的要求.分析其原因主要有以下幾點.

（1）實驗室建設及使用成本高：一間獨立的實驗室，建設費用很高，且在實驗教學過程中，器材損耗大;高精密的設備成本高，容易損壞 .

（2）部分實驗現(xiàn)象非直觀性、不易觀察，很多物理實驗在實際操作中存在實驗現(xiàn)象時間短、速度快、不易觀察等特點.如“平拋實驗”，學生很難準確地觀察到平拋運動的軌跡，也就無法理解水平與豎直方向的運動形式等規(guī)律.這就要求盡量將實驗現(xiàn)象能夠通過放慢實驗過程、顯示實驗軌跡等方式，方便學生進行觀察乃至理解.

（3）部分物理實驗危險性較高，教師在課堂教學時可能難以掌控.

（4）儀器數(shù)量有限，很多實驗只能分組進行，影響教學效率.

（5）傳統(tǒng)實驗室學生主要根據(jù)實驗指導書進行驗證性實驗，部分實驗操作訓練不足，動手能力、設計能力和創(chuàng)新能力難以提升.

因此，高中物理實驗教學迫切地需要通過更多的信息技術(shù)來輔助支持.在這種情況下，虛擬實驗室通過將信息技術(shù)與教學進行融合，通過虛擬呈現(xiàn)和微觀可視化視頻的方式，可以很好地解決上述提到的諸多問題.

1?虛擬實驗室的實驗特點

《普通高中物理課程標準》指出，數(shù)字實驗室系統(tǒng)是針對教育信息化改革所研發(fā)的產(chǎn)物，它利用傳感器來測量實驗數(shù)據(jù)， 利用數(shù)據(jù)采集器采集實驗數(shù)據(jù)，利用電腦來分析實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)果，利用配套教具實現(xiàn)更高效的實驗，利用網(wǎng)絡管理整個數(shù)字實驗室的教學.虛擬實驗室是一款由仿真實驗器材和虛擬實驗環(huán)境構(gòu)成的實驗教學工具產(chǎn)品，包括相應的實驗環(huán)境、實驗儀器及實驗信息資源等內(nèi)容，通過虛擬實驗室，既可再現(xiàn)真實實驗，也可將師生設想中的實驗以虛擬仿真的方式進行操作，解決了傳統(tǒng)實驗中資源限制、安全顧慮、備課、課堂互動等問題[1].

1.1?虛擬實驗室虛擬呈現(xiàn)功能的特點

與傳統(tǒng)基礎實驗相比，虛擬實驗室的虛擬呈現(xiàn)功能具有以下特點[2]：

（1）安全性.虛擬實驗室可以部分代替那些有危險的實驗，通過計算機直觀地、生動地把實驗現(xiàn)象再現(xiàn)在學生面前.

（2）經(jīng)濟性.虛擬實驗室可以大幅度地降低實驗的材料費用，大大降低成本，能實現(xiàn)實驗成本過高的實驗一人一組進行，因而虛擬實驗室增加了學生實驗的機會，提高了實驗教學的質(zhì)量.

（3）互動性.虛擬實驗室通過交互，在學生可能困惑的地方，計算機就會提出問題，或者是實驗做錯了，屏幕就會指出錯誤及提示如何改正.這種教與學的靈活交互，提高了學生學習的興趣和效率，實現(xiàn)了教與學的雙向交流.

（4）效率性.從時間安排上看，虛擬實驗室能夠縮短實驗時間，能在有限時間里安排更多的實驗，在不增加實驗課總學時的情況下，提高實驗教學的課堂容量.

（5）解決教學重難點.虛擬實驗室可以把原本無法用傳統(tǒng)實驗手段直接觀察到的實驗現(xiàn)象模擬出來，例如電磁波的傳播等，把傳統(tǒng)實驗中一些不易看到或較難講清的實驗難點化難為易.

1.2?微觀可視化視頻的特點

在物理實驗中，很多物理實驗現(xiàn)象是轉(zhuǎn)瞬即逝、甚至是無法用肉眼直接觀察到的，我們只能觀察到其作用力的結(jié)果.傳統(tǒng)教學模式通常只能對這些實驗現(xiàn)象進行口頭上的講解或視頻、圖片等方式的演示，使得學生對于這些抽象的知識無法很好地理解.但是，運用虛擬實驗室的微觀可視化視頻，可以模擬演示出這些無法被肉眼直接觀察到的物理現(xiàn)象、實驗過程，幫助學生更好地理解實驗背后的物理原理.總結(jié)來說，微觀可視化視頻具有以下這些特點[3]：

（1）交互性強.微觀可視化視頻可以根據(jù)實驗者的操作對實驗過程和實驗結(jié)果進行真實模擬，從而完成對應的實驗計劃和實驗目標.

（2）仿真性強.微觀可視化視頻可以模擬真實實驗過程中肉眼難以觀察到、或抽象不易理解的實際物理現(xiàn)象，設計出完整的三維可視化實驗模型，如光線、電場、磁場等，可以進行微觀、假想虛擬形式的輔助呈現(xiàn)（電場、磁場、光路）.

（3）直觀性強.微觀可視化視頻可以將實驗現(xiàn)象、實驗內(nèi)容進行直觀的、形象的可視化展示，從而協(xié)助學生構(gòu)建微觀認知，培養(yǎng)學生的抽象思維能力、認識物質(zhì)及其變化規(guī)律、減輕學生記憶負擔.

2?虛擬實驗室案例分析

本文以人教版高中物理選修3-1第三章第6節(jié)“帶電粒子在勻強磁場中的運動”為例，結(jié)合101教育PPT-虛擬實驗室（https：//ppt.101.com/），探究虛擬實驗室的虛擬呈現(xiàn)功能和微觀可視化視頻在教學中的應用.

2.1?“帶電粒子在勻強磁場中的運動”教學設計與實施

2.1.1?教材分析

2017版普通高中新課程標準對本節(jié)課的要求是：能用洛倫茲力分析帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動.本節(jié)課主要通過實驗和理論探究沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，并討論分析圓周運動規(guī)律的基本過程;了解質(zhì)譜儀的工作原理.

2.1.2?學習者特征分析

學生已經(jīng)學會運用牛頓運動定律分析力與運動的關(guān)系，能分析勻速圓周運動的向心力，會用功能關(guān)系分析物體運動情況.在上一課學習中學生已經(jīng)認識了洛倫茲力，會判斷洛倫茲力的方向，會計算洛倫茲力的大小，并具備一定的三維空間思維能力.但是在認識帶電粒子的圓周運動規(guī)律時，空間想象力仍是本節(jié)最大的障礙.學生對如何顯示帶電粒子的運動軌跡感興趣，故而對洛倫茲力演示儀的工作原理表現(xiàn)出好奇心，并對實驗現(xiàn)象感興趣.對于洛倫茲力的應用也表現(xiàn)出一定的興趣.

2.1.3?教學目標分析

（1）通過理論分析結(jié)合實驗探討帶電粒子沿不同方向進入勻強磁場的運動，理解帶電粒子在勻強磁場中做圓周運動，培養(yǎng)學生有依據(jù)的猜想及實驗驗證的科學探究核心素養(yǎng).

（2）通過學生自己動手畫圖，認識找圓半徑和圓心的重要性，再引導學生學會規(guī)范化畫圓軌跡，提高學生對圓半徑大小影響因素的學習興趣.

（3）通過理論分析和實驗驗證帶電粒子在勻強磁場中軌跡圓大小影響因素，會求帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動半徑、周期以及運動時間，培養(yǎng)科學論證思維能力.

（4）通過先分析無邊界磁場的運動到有邊界磁場的運動，先分析同一粒子在勻強磁場中的運動到不同粒子進入勻強磁場中的運動，靈活掌握分析帶電粒子的運動規(guī)律和分析方法，并初步認識質(zhì)譜儀的工作原理，引導認識知識的應用與社會責任，培養(yǎng)學生利用知識推動社會發(fā)展的責任感.

2.1.4?教學設計

本次實驗中，實驗班使用虛擬實驗室的洛侖茲力演示儀進行實驗儀器的介紹和演示，對比班使用真實的洛侖茲力演示儀進行演示.教學設計見表1.

2.2?教學效果分析

為了探究虛擬實驗室對學生學習情況帶來的影響，采用由授課教師設計的同一份試卷，分別對實驗班和對比班同學進行前后測對比測驗.實施前后測的實驗的目的是為了檢測虛擬實驗室顆粒、微觀視頻及學科工具所帶來的價值點，通過檢測卷來分析顆粒的使用是否對學生學習的知識點有幫助.

2.2.1?學習效果總結(jié)

結(jié)論：對比傳統(tǒng)教學方式，使用虛擬實驗室工具對學生整體學習效果提升不明顯.

測試結(jié)果見表2，使用虛擬實驗室教學和使用傳統(tǒng)教學方式對學生的學習效果都有提升作用.

從正確率來看，實驗班在前后測正確率上均高于對比班，因此效果的差異來源于班級本身的差別.對兩班的提高效果進行獨立樣本T檢驗.結(jié)果顯示，采用虛擬實驗室顆粒教學和傳統(tǒng)教學方式所產(chǎn)生的學習效果的差異不太顯著（t=1.555，p=0.123>0.05），即使用虛擬實驗室顆粒對學生的學習效果有提升，但是提升不明顯.

2.2.2?微觀可視化視頻對教學效果的影響

結(jié)論：對比傳統(tǒng)教學方式，使用微觀視頻呈現(xiàn)微觀粒子的運動軌跡（如圖1），對學生學習對應知識的效果提升明顯.

測試結(jié)果見表3，使用微觀視頻演示對學生的學習效果有提升作用;而使用傳統(tǒng)教學方式反而造成學生學習效果下降.

從正確率來看，實驗班在前后測正確率上均高于對比班，因此效果的差異來源于班級本身的差別.對兩班的提高效果進行獨立樣本T檢驗.結(jié)果顯示，采用虛擬實驗室工具教學和傳統(tǒng)教學方式所產(chǎn)生的學習效果的差異非常顯著（t=9.186，p=0.000<0.05），使用微觀視頻呈現(xiàn)微觀粒子的運動軌跡，對學生學習對應知識的效果提升明顯.

2.2.3?虛擬實驗室的虛擬呈現(xiàn)對教學效果的影響

結(jié)論：對比傳統(tǒng)教學方式，使用虛擬實驗室顆粒進行虛擬呈現(xiàn)電流方向和磁感應線（如圖2），對學生學習電流方向和磁感線知識的效果沒有顯著提升.

測試結(jié)果見表4，使用虛擬實驗室演示和使用傳統(tǒng)教學方式對學生的學習效果都有提升作用.

從正確率來看，實驗班在前后測正確率低于對比班.對兩班的提高效果進行獨立樣本T檢驗.結(jié)果顯示，采用虛擬實驗室工具教學和傳統(tǒng)教學方式所產(chǎn)生的學習效果的差異不顯著（t=0.741，p=0.460>0.05），即使用虛擬實驗室顆粒（虛擬呈現(xiàn)電流方向和磁感應線），對學生學習電流方向和磁感線知識的效果沒有顯著提升.

2.2.4?虛擬實驗室儀器結(jié)構(gòu)介紹對教學效果的影響

結(jié)論：對比傳統(tǒng)教學方式，使用虛擬實驗室顆粒進行儀器結(jié)構(gòu)介紹（如圖3），對學生掌握儀器結(jié)構(gòu)沒有顯著提升.

測試結(jié)果見表5，使用虛擬實驗室和真實儀器教學，對學生的學習效果都有提升作用.

從正確率來看，實驗班在前后測正確率上均高于對比班，因此效果的差異來源于班級本身的差別.對兩班的提高效果進行獨立樣本T檢驗.結(jié)果顯示，采用虛擬實驗室工具教學和傳統(tǒng)教學方式所產(chǎn)生的學習效果的差異不顯著（t=1.332，p=0.186>0.05），即使用虛擬實驗室顆粒進行儀器結(jié)構(gòu)介紹，對學生掌握儀器結(jié)構(gòu)沒有顯著提升.

3?研究結(jié)論與總結(jié)

3.1?研究結(jié)論

在理論方面，本文梳理了虛擬實驗室的虛擬呈現(xiàn)和微觀可視化視頻在物理實驗教學中的特點，二者對于高中物理實驗教學有著很好的結(jié)合.通過對虛擬實驗室的虛擬呈現(xiàn)在物理教學中的應用研究，對于豐富高中物理課堂教學實踐，推進物理教學模式優(yōu)化與改革來說有著深遠的意義.

在物理實踐活動實施現(xiàn)狀方面，本次實驗根據(jù)前后測學習效果評測的綜合分析可知，目前使用虛擬實驗室顆粒和微觀視頻教學，對學生的整體學習效果提升不是非常明顯.但不同維度的表現(xiàn)有所差異，具體來看：

（1）使用微觀視頻呈現(xiàn)微觀粒子的運動軌跡，對學生學習對應知識的效果提升明顯;驗證了微觀視頻對知識進行微觀表征的過程，能夠培養(yǎng)學生的抽象思維能力、邏輯思維能力和空間想象能力，有利于提高學生這方面的學習績效;

（2）使用虛擬實驗室顆粒（虛擬呈現(xiàn)電流方向和磁感線），對學生學習電流方向和磁感線知識的效果沒有顯著提升;

（3）使用虛擬實驗室顆粒進行儀器結(jié)構(gòu)介紹，對學生掌握儀器結(jié)構(gòu)沒有顯著提升.

3.2?研究反思

本次實驗課程中，虛擬實驗室僅作為儀器結(jié)構(gòu)的補充講解，甚至是簡單引入，沒有觸及更深的教學難點，因此對于該工具能否良好解決教學難點等維度存在質(zhì)疑.建議后期實驗中，在進行教學設計時能夠更好地將工具多維度的功能加入到教學中，并盡可能讓學生也嘗試該工具的練習、使用，從而提高學生對虛擬實驗室的認知，也提升實驗的準確度;建議后期進行學生實驗及運用自主探究的模式進行驗證.對于虛擬實驗室的虛擬呈現(xiàn)和微觀可視化視頻如何在課堂實驗實踐中更好地輔助學生的學習、支持教師的教學，如何更好地培養(yǎng)學生的實踐能力、拓寬實驗思維，還需要我們在以后的研究中繼續(xù)探索.

參考文獻：

[1] 廖婷.基于3D和EON的中學虛擬化學實驗的研究與設計[D].成都：四川師范大學，2007.

[2] 張曉英，祖大栩.基于虛擬儀器的虛擬實驗[J].高師理科學刊，2002（04）：11.

[3] 袁建平.中學物理教學的三維可視化模型課件的設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2016.

（收稿日期：2019-06-26）