吳強(qiáng) 吳旭普 李念

摘要：隨著現(xiàn)代教育信息技術(shù)的高速發(fā)展，教學(xué)與信息技術(shù)的融合已經(jīng)成為重要的教學(xué)手段，實(shí)驗(yàn)是在物理教學(xué)不可替代的環(huán)節(jié)，因此，如何將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用信息技術(shù)，使之更好地為教學(xué)服務(wù)是我們今后物理教學(xué)的重要目標(biāo)。虛擬仿真技術(shù)的新起，使得信息化教學(xué)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為現(xiàn)實(shí)，這也為高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供新的方向。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn); 高中物理; 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1.引言

由于設(shè)備短缺等原因使得高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)際教學(xué)中不受重視，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)于學(xué)生的實(shí)踐能力的訓(xùn)練比較薄弱，為此，筆者提出將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行融合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作，豐富了現(xiàn)有的教學(xué)手段。本文從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)的可行性和高中物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)進(jìn)行分析。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，“學(xué)習(xí)，是學(xué)習(xí)者通過(guò)在一定的背景下利用必要的學(xué)習(xí)條件獲得認(rèn)知識(shí)的過(guò)程;知識(shí)不是由教師教給的，而是通過(guò)建構(gòu)的方式獲取的”。由此可見(jiàn)，建構(gòu)主義是通過(guò)學(xué)生自主建構(gòu)的學(xué)習(xí)理念。物理教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)能夠引起學(xué)習(xí)者在認(rèn)知上的共鳴，從而引導(dǎo)學(xué)生的主動(dòng)發(fā)現(xiàn)、建構(gòu)知識(shí)體系。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過(guò)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)，和對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬，可以打破時(shí)間、地域的限制，可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)設(shè)適合建構(gòu)主義教學(xué)的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過(guò)基于虛擬仿真對(duì)教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)，為教學(xué)提供交互條件，通過(guò)教師與學(xué)生的互動(dòng)，學(xué)生能夠自主完成實(shí)驗(yàn);并且針對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題可以及時(shí)與教師進(jìn)行交互，從而促進(jìn)便于學(xué)生自我的知識(shí)體系建構(gòu)。

2.基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的調(diào)查

對(duì)在校高二3個(gè)班179名學(xué)生的學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)興趣進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果進(jìn)行整理如圖1 。

對(duì)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)不感興趣的原因進(jìn)行進(jìn)調(diào)查，原因如圖2

對(duì)不同難度的物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生喜歡的教學(xué)方式調(diào)查180名學(xué)生結(jié)果如圖3、圖4。

3.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的調(diào)查，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于物理教學(xué)具有重要的促進(jìn)作用，因此列出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)流程。

3.1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該遵循以下三個(gè)原則，即科學(xué)性、必要性、教學(xué)性。1、科學(xué)性，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)必須要要以物理規(guī)律為根本，以原理為依據(jù)、以教學(xué)大綱為導(dǎo)向，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不能單純?yōu)閷?shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)，在遵循物理規(guī)律的基礎(chǔ)上，還需要仔細(xì)研讀教學(xué)大綱，遵循教學(xué)規(guī)律進(jìn)行。2、必要性，信息化條件的引入確實(shí)給教學(xué)提供了極大的便利，但是傳統(tǒng)教學(xué)手段也不能摒棄，選擇虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要考慮其必要性，要遵從“能實(shí)不虛”的原則。例如，現(xiàn)象單擺這個(gè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行效果就比虛擬仿真教學(xué)好。主要是因?yàn)?，單擺屬于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，操作比較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，結(jié)論容易獲得，如果將其虛擬化，將是得不償失的。而受限于教室的環(huán)境比如“密立根油滴”實(shí)驗(yàn)，這種價(jià)錢(qián)昂貴無(wú)法獲得的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就可以采取虛擬仿真教學(xué)。3、教學(xué)性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)不僅僅要依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平，還要考慮教師與學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的提升，從而實(shí)現(xiàn)“教學(xué)相長(zhǎng)”的良好局面。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的是為了通過(guò)豐富教學(xué)資源來(lái)促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的建構(gòu)，而不是直接將知識(shí)交給學(xué)生。因此所有的設(shè)計(jì)應(yīng)該以學(xué)生的認(rèn)知能力的基礎(chǔ)，遵循教學(xué)規(guī)律和物理規(guī)律來(lái)進(jìn)行。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一般過(guò)程

依據(jù)上述三個(gè)設(shè)計(jì)原則，按照設(shè)計(jì)的先后順序，可將設(shè)計(jì)的過(guò)程劃分為以下三個(gè)步驟，即選題分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)運(yùn)用與評(píng)價(jià)及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，其一般教學(xué)流程如下圖所示。

1、題目的選取，本環(huán)節(jié)需要對(duì)學(xué)生學(xué)情進(jìn)行分析，明確學(xué)生的認(rèn)知水平、知識(shí)水平的基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，只有做好前期的調(diào)研才能在教學(xué)中收到好的效果。其次是考慮目標(biāo)的設(shè)計(jì)，本節(jié)課需要學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)下達(dá)到什么目標(biāo)。最后是實(shí)驗(yàn)的必要性，如果沒(méi)有必要的實(shí)驗(yàn)就不進(jìn)行虛擬仿真教學(xué)。2、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，教師需要認(rèn)真對(duì)比虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的區(qū)別，并且明確教學(xué)目標(biāo)，從而設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，不一定要遵循實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)里面的固定內(nèi)容，可以針對(duì)學(xué)生易錯(cuò)點(diǎn)、教學(xué)難點(diǎn)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，3、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，本環(huán)節(jié)不僅僅是教師對(duì)于學(xué)生的評(píng)價(jià)，還應(yīng)該有學(xué)生的呼聲，教學(xué)從專(zhuān)業(yè)角度對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程，重點(diǎn)難點(diǎn)的掌握來(lái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，而學(xué)生可以從教師的教學(xué)過(guò)程來(lái)對(duì)教師進(jìn)行評(píng)價(jià)，4、教師對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)。

總之，虛擬仿真教學(xué)在今后的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將起到不可替代的作用，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，它具有可重復(fù)性、趣味性、交互性等優(yōu)勢(shì)，如何讓它更好服務(wù)于教學(xué)是需要更多的探索的。只有充分發(fā)揮“學(xué)生主體，教師主導(dǎo)”的原則下，才能夠使得在信息化高速發(fā)展的今天讓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不流于形式，真正融入教學(xué)，為廣大師生帶來(lái)福音。

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【項(xiàng)目基金】：本文系2019年安順市教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于VR和沉浸式體驗(yàn)技術(shù)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：AS2019B037）