李偉 蔡燃 宋偉 馬傳連

摘 要：“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的發(fā)展促使教育形態(tài)不斷變化，混合式教學已成為一種趨勢，傳統(tǒng)的中學物理實驗教學方式輔以線上教學，能夠更加高效地實現(xiàn)教學目標。文章從中學物理實驗教學的重要性出發(fā)，通過分析少數(shù)民族地區(qū)中學物理實驗教學面臨的問題，在虛擬實驗室的概念、優(yōu)勢及主要技術(shù)等方面著手，探討如何構(gòu)建適合少數(shù)民族地區(qū)中學物理虛擬實驗與真實實驗相耦合的實驗教學模式。

關(guān)鍵詞：中學物理;實驗教學模式;虛擬實驗室;云計算

中圖分類號：G642.1;G434? ? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2021）08-0047-05

一、引言

中學物理教學以實驗教學環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，在教學過程中通過理論教學與實驗教學相結(jié)合，提高學生的科學能力與素養(yǎng)[1]。中學物理實驗教學是中學課程改革的重要組成部分，一方面，學生的學習興趣可以通過物理實驗教學來激發(fā);另一方面，學生探索和解決問題的能力能夠得到提高。最重要的是學生自身的創(chuàng)新意識以及創(chuàng)造性思維也得到了培養(yǎng)。然而，由于少數(shù)民族地區(qū)教育信息化發(fā)展落后、教育資源分配不均衡等因素，導(dǎo)致該地區(qū)的中學物理實驗教學存在諸多問題，如實驗儀器不齊全、設(shè)備陳舊老化、實驗室場地擁擠、實驗教學內(nèi)容不完善等等?；诖?，有必要通過中學物理虛擬實驗教學來解決少數(shù)民族地區(qū)在實際教學中遇到的問題，輔助傳統(tǒng)實體實驗教學，兩種教學方式相互增效，高效實現(xiàn)教學目標。

二、少數(shù)民族地區(qū)中學物理實驗教學面臨的問題

我國高度重視少數(shù)民族地區(qū)的教育問題，近年來，少數(shù)民族地區(qū)的教育規(guī)模不斷擴大。截至2019年年底，基礎(chǔ)教育階段全國各級各類學校中，少數(shù)民族在校生共有3466.6萬人，是1951年98.3萬人的35倍之多。其中，普通中學少數(shù)民族在校生有678.6萬人，占全國學生總數(shù)比重的11.87%，而且少數(shù)民族學校和學生規(guī)模還在穩(wěn)步擴大[2]。然而，少數(shù)民族地區(qū)各級各類學校教學中所面臨的問題也不少，其中，中學物理實驗教學所面臨的現(xiàn)狀及問題主要有以下四點：

1.偏遠地區(qū)的教育信息化發(fā)展水平落后，導(dǎo)致實驗教學內(nèi)容常年不變

少數(shù)民族地區(qū)大部分屬于較為偏遠的地區(qū)，受地理位置以及氣候條件的影響，造成一些偏遠地區(qū)交通不便、出入困難，不便于與外界進行信息交流，從而使得這些偏遠地區(qū)的教育信息化水平嚴重滯后。在實驗教學中，實驗內(nèi)容是比較基礎(chǔ)的驗證性實驗，演示型實驗不夠豐富，學生自主設(shè)計型實驗更是少之又少，從而無法激發(fā)學生的理論學習興趣，也無法培養(yǎng)學生的實驗操作能力?？傊?，常年不變的實驗教學內(nèi)容嚴重影響了實驗效果。

2.存在教育資源投入不到位、分配不均衡，實驗室硬件設(shè)施不夠完善的情況

由于少數(shù)民族地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展較為落后，可能會導(dǎo)致很大程度上加劇少數(shù)民族地區(qū)教育資源配置的不平衡和不充分[3]。經(jīng)濟發(fā)展的落后、資源財力的有限都將會在很大程度上導(dǎo)致教育資源的投入不到位，辦學條件需要進一步改善。由于實驗設(shè)備沒有得到及時的完善及更新，不能滿足學生在實驗過程中的切身體驗，不能更全面地提高學生的學習能力，最終呈現(xiàn)的教學效果不佳，預(yù)期的教學目標也無法實現(xiàn)。

3.實驗室的開放程度和利用率不高

少數(shù)民族地區(qū)中學對物理實驗課的授課方式是“理論+實操”，其中“實操”的時間是在教學課時內(nèi)，教師帶領(lǐng)學生到實驗室開展實驗，而在課余時間，實驗室緊關(guān)大門，不對學生開放。實驗室對學生的開放程度比較低，導(dǎo)致其利用率也比較低，學校應(yīng)該提高開放實驗室的重視程度，增加專職教師負責實驗室的開放工作量[4]。

4.師資力量薄弱、水平不高

受經(jīng)濟發(fā)展落后、地理位置不佳等各種因素影響，少數(shù)民族地區(qū)很難吸引外界優(yōu)秀教師，而本土優(yōu)秀教師也會流入到發(fā)達地區(qū)，從而導(dǎo)致這些欠發(fā)達地區(qū)師資力量不足、師資水平不高。

少數(shù)民族地區(qū)的教師在中學物理實驗教學中主要存在以下一些不足：一是部分教師對示范整個實驗過程的教學效果的重要性認識不夠或不太重視，很少向?qū)W生演示實驗，或較為機械化、形式化地演示實驗，學生最多能夠了解實驗現(xiàn)象和結(jié)論，不能深入理解實驗過程和本質(zhì)，更不能熟練掌握物理實驗過程所體現(xiàn)的思想和方法。二是大多數(shù)教師只是照搬教科書上的實驗，根據(jù)實驗設(shè)計找實驗儀器，如果實驗室沒有對應(yīng)的儀器就略過此實驗，教師不敢甚至不想去改變原本的實驗計劃，以致于無法開展部分實驗。

綜上所述，少數(shù)民族地區(qū)中學進行物理實驗教學需要解決的首要問題是如何更加合理地分配教育資源，然而由于少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展落后，通常很難通過擴充實驗室整體規(guī)模、增加實驗儀器設(shè)備來解決其物理實驗教學所面臨的首要問題，因此在中學階段引入虛擬實驗室來輔助實體實驗教學，成為一個很好的突破口。

三、中學物理虛擬實驗教學的優(yōu)勢

1.虛擬實驗室的概念

虛擬實驗室是一個基于計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及多媒體技術(shù)的無墻實驗中心，它不受時空的束縛，能夠隨時隨地操作使用，學生共同享用虛擬儀器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及學習資源，教師能夠及時給予學生指導(dǎo)，并且?guī)熒g可以隨時進行討論交流[5]。通過虛擬仿真技術(shù)，將真實的物理實驗儀器設(shè)備和實驗場景虛擬化，進而開展實驗教學，對實驗過程和實驗結(jié)果的性能進行預(yù)測和評價。虛擬實驗一方面能夠節(jié)省實驗成本，另一方面又能節(jié)約實驗前期準備工作的時間，提高實驗操作效率[6]。

2.中學物理虛擬實驗教學的優(yōu)勢

中學物理虛擬實驗室運用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改善了實驗教學的條件，在實現(xiàn)教育資源共享的同時，提高了實驗教學的質(zhì)量。最重要的是，中學物理虛擬實驗室可以彌補因?qū)嶒灲虒W資源不足而帶來的問題，節(jié)約了實驗儀器設(shè)備以及實驗室場地等方面的投入，并且能夠有效降低學生開展實體實驗所帶來的風險，提高學生學習物理實驗的興趣和效率[7]。

與傳統(tǒng)的中學物理實體實驗教學相比，虛擬實驗教學主要具有以下五個優(yōu)勢：

第一，節(jié)約教學資源的投入成本，主要體現(xiàn)在中學物理實驗儀器設(shè)備和實驗室場地兩個方面。通過虛擬仿真技術(shù)將實驗室場景、實驗儀器設(shè)備虛擬化，實現(xiàn)教學資源的重復(fù)利用，可以解決少數(shù)民族地區(qū)中學物理實驗教學所面臨的教育資源不充沛的問題。

第二，不受時間和空間的束縛，教師與學生可以挑選任意時間和地點開展中學物理實驗。近年來，少數(shù)民族地區(qū)學生規(guī)模不斷擴大，導(dǎo)致實驗室場地擁擠，一名教師不可能在有限的時間內(nèi)督促每一位學生的實際操作，也不可能滿足每一位學生的學習需求，以致于實驗教學效果大打折扣。然而，虛擬實驗教學可以靈活安排實驗時間，不受空間的限制，這是傳統(tǒng)實體實驗教學方式所無法比擬的。

第三，不受客觀條件的影響，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的中學物理實體實驗中比較難以開展的綜合性實驗，在較小誤差的情況下進行多次實驗。比如，傳統(tǒng)實驗中驗證機械守恒定律時，由于摩擦和空氣阻力的影響，實驗結(jié)果總會存在一定的誤差;可以防止一些實驗儀器設(shè)備所導(dǎo)致的與實驗?zāi)康牟幌喔傻牟涣家蛩亍１热?，線路接觸不佳、儀器設(shè)備存在故障等;可以有效避免實驗儀器的損壞。比如，在做傳統(tǒng)實驗中短路過載及其防護實驗時，學生的錯誤操作會導(dǎo)致實驗儀器的直接性損壞。

第四，中學物理虛擬實驗室具有開放性，虛擬器材庫品種齊全、虛擬實驗平臺易于操作，能夠有效解決少數(shù)民族地區(qū)中學物理實驗教學內(nèi)容不完善的問題。開放式實驗室管理系統(tǒng)易于管理，整體適應(yīng)性好且受益面廣，能夠幫助少數(shù)民族地區(qū)增強師資力量，提高師資水平。

第五，中學物理虛擬實驗教學能夠有效去除實驗過程中學生自身安全存在的隱患，比如，傳統(tǒng)實驗的托里拆利實驗過程中，玻璃管內(nèi)的水銀存在重大安全隱患。而作為傳統(tǒng)實體實驗的輔助教學途徑，虛擬仿真實驗教學可以帶來比實體實驗教學更佳的實驗效果，且能保證實驗的安全性、精準性，學生可以自主地設(shè)計實驗過程，大膽地探究實驗的本質(zhì)，在培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的同時，保證了學生在實驗過程中的人身安全。

四、基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式

現(xiàn)代教育技術(shù)正在全方位、深層次地融入到教與學的過程中，線上教學顯現(xiàn)出其突破時空限制、資源共享的優(yōu)勢，市場規(guī)模迅速擴大。從艾媒咨詢機構(gòu)公布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示來看，2020年在線教育行業(yè)市場規(guī)模同比增長35.5%至2573億元 ，整體線上化率23%～25%，疫情下教育領(lǐng)域獲融資最多，而其中在線教育最受資本青睞，2020年教育行業(yè)累計融資1164億元，其中在線教育融資金額1034億元，占比 89% [8]。

針對少數(shù)民族地區(qū)中學的物理實驗教學，本文提出了基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式，通過線上與線下相結(jié)合、傳統(tǒng)實體實驗教學與虛擬實驗教學相互補充，高效實現(xiàn)中學物理實驗教學目標。下面，筆者將從教學模式的構(gòu)成要素、教學模式的技術(shù)支持、云計算學習平臺的基本架構(gòu)和功能三個方面著手，探討基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式的基本框架。

1.教學模式的構(gòu)成要素

基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式由五個基本要素構(gòu)成：理論基礎(chǔ)、教學目標、教學程序、實現(xiàn)條件、教學評價。這五個基本要素是將教學理論運用到教學實踐的關(guān)鍵媒介，其具體內(nèi)容分別如下：

（1）理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義理論認為，學習者的認知并不是通過接收傳統(tǒng)教學中教師填鴨式的傳授得到的，而是一種以主體已有的知識和經(jīng)驗為基礎(chǔ)的主動建構(gòu)?；诮?gòu)主義理論的新發(fā)展，國內(nèi)學者創(chuàng)新性地將其冠以“新建構(gòu)主義”的名稱。新建構(gòu)主義理論強調(diào)，網(wǎng)絡(luò)時代的學習是一個零存整取、不斷重構(gòu)的過程[9]。建構(gòu)主義理論的新發(fā)展促進了教學模式的改革與創(chuàng)新。

（2）教學目標

知識與技能目標：學生能夠在新的情境中靈活運用所學的中學物理知識概念進行總結(jié)，并能夠建立合理聯(lián)系;能夠自主完成中學物理實驗操作，并能合理調(diào)整、改進實驗內(nèi)容與操作步驟。

過程與方法目標：學生通過中學物理探究，能夠掌握科學探究的基本方法，進而發(fā)現(xiàn)、探索與認識物理規(guī)律的科學過程;學生在學習過程中能夠認識到與同學、教師交流合作的重要性，通過團隊協(xié)作能解決物理探究過程中所遇到的實際問題。

情感、態(tài)度與價值觀目標：學生具有勇于探索、堅持真理的科學態(tài)度以及主動與他人交流合作的團隊精神，在探究實踐中不斷提高自身的科研能力與科學素養(yǎng)。

（3）教學程序

課前預(yù)習→課中提出問題→做出假設(shè)→實踐驗證→討論合作→分享成果→課后評價反饋→總結(jié)提高。此教學模式的教學程序是根據(jù)中學物理實驗教學基本流程，基于“引導(dǎo)—發(fā)現(xiàn)式”教學模式的教學程序創(chuàng)新性變化而確立的。

（4）實現(xiàn)條件

在教學活動中，以學生為中心，支持學生自主學習、獨立思考，教師通過引導(dǎo)學生主動獲得知識，教學過程中給予學生幫助與輔導(dǎo)，搭建云計算學習平臺作為輔助傳統(tǒng)實體實驗教學的教學環(huán)境。

（5）教學評價

以教學目標為依據(jù)，以自我評價為重點。學生課后總結(jié)未解決的疑惑以及學習需求，并對教師教學工作作出評價，主要包括教學內(nèi)容、教學方式、教學質(zhì)量;教師課后總結(jié)課中存在的問題，反思教學過程中的不足之處，通過布置課后作業(yè)或組織測驗考試來對學生學習效果作出評價。

2.教學模式的技術(shù)支持

云計算技術(shù)是以互聯(lián)網(wǎng)為中心，利用Web提供快速且安全的訪問服務(wù)及數(shù)據(jù)存儲等，使服務(wù)器的管理和應(yīng)用虛擬化。云計算技術(shù)可以解決有些學校計算機設(shè)備落后、運行速度慢的問題。云計算技術(shù)的主要特點是客戶端的維護成本低、實驗數(shù)據(jù)的處理高效率、容錯及負載能力高可用，最重要的是極其便捷，各種具有瀏覽器的設(shè)備都可以通過云計算技術(shù)實現(xiàn)對虛擬實驗室的運行訪問，這就為少數(shù)民族地區(qū)的遠程教育提供了有力的技術(shù)支持。

3.云計算學習平臺的基本架構(gòu)和功能

云計算學習平臺是一種依托于計算機仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云計算技術(shù)的虛擬實驗教學平臺。平臺通過實物仿真技術(shù)，具備中學物理實驗所需的各種儀器及實驗工具，集實驗資源信息、實驗結(jié)果自動批改、實驗教學管理于一體，滿足了中學物理實驗教學的需求。

云計算學習平臺的總體架構(gòu)分為五層，每一層都為上一層提供服務(wù)：數(shù)據(jù)層涉及到多種類型虛擬實驗組件及數(shù)據(jù);支撐層是整個平臺的核心框架，負責整個基礎(chǔ)系統(tǒng)的運行、維護和管理;服務(wù)層提供虛擬實驗教學環(huán)境的一些通用支持組件;仿真層最后為上層提供實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出;應(yīng)用層最終實現(xiàn)基站部署，利用服務(wù)層提供的功能及仿真層提供的器材進行實驗。其總體架構(gòu)如圖1所示。

構(gòu)建中學物理虛擬實驗室環(huán)境的關(guān)鍵步驟：首先，利用云計算技術(shù)搭建云教育數(shù)據(jù)中心，并配置應(yīng)用程序和用戶終端服務(wù);其次，通過虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)創(chuàng)建中學物理虛擬實驗室場景，主要包括中學物理實驗所需的虛擬儀器設(shè)備和虛擬實驗工具;再次，將中學物理虛擬機實驗室資源轉(zhuǎn)化為云服務(wù)資源，同時整合云教育平臺的優(yōu)勢;最后，學生通過云終端進入中學物理虛擬實驗環(huán)境[10]。

云計算學習平臺可實現(xiàn)的內(nèi)容有：①實驗教學管理，主要包括中學物理實驗的發(fā)布、增加、修改、刪除、答疑以及用戶信息的管理;②中學物理虛擬實驗儀器工具的共享、實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的分析及自動批改;③中學物理虛擬實驗的設(shè)計與配置，主要指可提供DIY工具的設(shè)計型實驗;④師生之間或生生之間實時的互動交流討論模塊、教學效果評價模塊。

4.基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式

基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式主要分為：課前自主學習、課中合作探究、課后反思總結(jié)階段，詳見圖2所示。

（1）課前自主學習階段

以學習任務(wù)為導(dǎo)向，主要通過云計算學習平臺來進行。教學者在實驗課前設(shè)計并發(fā)布實驗指南，再根據(jù)課程內(nèi)容適量地布置一些課前學習任務(wù)，然后搜集匯總有關(guān)輔助資源，統(tǒng)一將這些內(nèi)容以模塊的形式放在學習平臺上，通過發(fā)布通告、設(shè)置階段性的學習目標以實時監(jiān)督學習者的學習進度，及時與學習者進行線上交流，進而對其進行個性化指導(dǎo)。學習者根據(jù)教學者發(fā)布的實驗指南、學習任務(wù)以及輔助資源，合理安排時間進行線上學習，理解實驗?zāi)康?、熟悉實驗步驟，完成教師布置的學習任務(wù)，存在不理解的問題應(yīng)及時與其他學生、教師進行線上交流討論。

（2）課中合作探究階段

以答疑解惑為目的，可以通過云計算學習平臺、線下或兩者結(jié)合的形式進行。教學者在正式組織進行教學之前，根據(jù)課前學習者在完成學習任務(wù)的過程中所存在的共同問題進行統(tǒng)一講授，然后有針對性地對學習者遇到的個別問題進行個性化指導(dǎo);在講授完課程內(nèi)容后，調(diào)動學習者的主動性、督促小組討論，最后解決存在的問題。學習者在教師正式組織進行教學前，大膽提出課前線上學習所遺留的疑惑，探究存在的問題，在教師授課的同時，學習者也要進行實踐操作，做到邊學邊做，然后積極參與小組交流討論，最后分享學習成果以及實驗心得。

（3）課后反思總結(jié)階段

主要以自我評價為重點，同樣也可以通過多種形式來進行。課后，教學者應(yīng)該根據(jù)學習者在課堂中的表現(xiàn)以及學習情況布置課后學習任務(wù)，以鞏固學習者存在問題較多的實驗環(huán)節(jié)或較為薄弱的基礎(chǔ)知識;然后總結(jié)授課過程中存在的問題、反思教學過程中的不足之處，以完善教學內(nèi)容和反饋教學資源的建設(shè);還應(yīng)與學習者及時交流，了解學習者對實驗理論內(nèi)容的掌握情況以及對實驗過程的理解程度。學習者在課后可以通過撰寫實驗報告的方式，針對實驗環(huán)節(jié)進行總結(jié)和反思，這樣不僅可以明了自身的學習需求，還可以鞏固基礎(chǔ)知識;如果學習者存在對實驗實操環(huán)節(jié)掌握不熟練的情況，課后可以在云計算學習平臺進行線上實踐操作;此外，學習者還應(yīng)自主完成教學者布置的學習任務(wù)。

五、總結(jié)

本文通過分析少數(shù)民族地區(qū)中學物理實驗教學面臨的問題，提出了基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式，為當前少數(shù)民族地區(qū)中學物理實驗教學提供了有力支持。云計算學習平臺的應(yīng)用不應(yīng)僅局限于中學物理實驗教學，還可通過調(diào)整功能模塊，實現(xiàn)生物、化學等其他基礎(chǔ)教育學科在虛擬實驗教學方面的具體應(yīng)用。在少數(shù)民族地區(qū)中學物理實驗教學過程中，應(yīng)用真實實驗與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合的虛擬仿真實驗教學，能夠帶來更佳的教學效果，而虛擬仿真實驗教學與傳統(tǒng)實驗教學相結(jié)合的混合式教學模式，是物理實驗教學的一種延續(xù)性創(chuàng)新，有助于高效實現(xiàn)教學目標。

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