福建省福州屏東中學(xué) 朱志綠

虛擬實驗室是在計算機端創(chuàng)造一個可輔助或代替?zhèn)鹘y(tǒng)現(xiàn)實實驗的可視化虛擬空間，該虛擬空間可從視覺、聽覺等感官方面，高度模擬真實實驗室的儀器設(shè)備和實驗效果。胡玲等提出了虛擬實驗室在測量性、驗證性、探究性和學(xué)習(xí)性等類型實驗教學(xué)中的應(yīng)用模式。吳榮華和方欽華分析了虛擬實驗室的虛擬呈現(xiàn)功能和微觀可視化視頻的特點，并展開其應(yīng)用于高中物理實驗教學(xué)的研究。嚴(yán)煒和楊曉梅將NOBOOK虛擬實驗室軟件中的初、高中物理實驗進(jìn)行了分類，并展示了其在物理教學(xué)中的應(yīng)用。徐錢欣等對虛擬實驗在初中物理中的實驗特點和教學(xué)類型進(jìn)行了分類，并通過案例具體展示了虛擬實驗在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。李雯君分析虛擬實驗室在初中物理探究性實驗教學(xué)中的可行性，結(jié)合科學(xué)探究的七個關(guān)鍵要素，將其應(yīng)用于實際的物理教學(xué)實踐中。

目前，國內(nèi)多數(shù)研究都是從實驗特點和教學(xué)類型等宏觀角度對虛擬實驗室的應(yīng)用進(jìn)行分析，而對于虛擬實驗室在具體實驗教學(xué)中實施策略設(shè)計的研究較少。鑒于此，以滬科版八年級物理全一冊第四章“科學(xué)探究：凸透鏡成像”為例，結(jié)合中央電教館虛擬實驗室服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計了基于虛擬實驗室的初中物理實驗教學(xué)實施策略，以期為初中物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計提供參考。

一、基于虛擬實驗室的教學(xué)策略設(shè)計案例

（一）教材與學(xué)情分析

1.教材分析

科學(xué)探究“凸透鏡成像規(guī)律”是本章的核心，也是學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)探究過程中的初始端倪，是“凸透鏡”知識的延伸和升華，同時又是學(xué)習(xí)“神奇的眼睛”和“凸透鏡的應(yīng)用”的理論基礎(chǔ)，在本章中起著承上啟下的重要作用。

本節(jié)課教材先是通過介紹凸透鏡在生活中的投影儀、照相機、放大鏡等中的應(yīng)用引入新課，讓學(xué)生使用凸透鏡觀察不同距離物體的成像情況，提出“凸透鏡成像有何規(guī)律”的問題，促使學(xué)生思考并猜想“物、鏡之間的距離是否就是影響凸透鏡成像的主要因素？”針對實驗猜想設(shè)計實驗和制定計劃，根據(jù)計劃完成實驗并對收集的證據(jù)進(jìn)行分析與論證，最終得出結(jié)論。探究過程中需要注重輔助學(xué)生自主探究，這樣才能促進(jìn)學(xué)生對實驗現(xiàn)象的記憶，增進(jìn)學(xué)生對于凸透鏡成像規(guī)律的理解和應(yīng)用。教材探究過程充分實現(xiàn)了物理新課標(biāo)中“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念。

2.學(xué)情分析

本節(jié)課前，學(xué)生知道了如何區(qū)分實像與虛像，認(rèn)識了凸透鏡的結(jié)構(gòu)特征，知道它對光具有會聚作用，學(xué)會了利用平行光聚焦法測量凸透鏡的焦距，但并不了解凸透鏡成像有何規(guī)律。凸透鏡成像性質(zhì)變化多樣，學(xué)生會因此倍感興趣。已有的知識儲備能夠促進(jìn)學(xué)生對凸透鏡成像規(guī)律的認(rèn)識，但部分學(xué)生對如何設(shè)計實驗探究凸透鏡成像規(guī)律會感到困難。

（二）“科學(xué)探究：凸透鏡成像”教學(xué)策略設(shè)計

1.課前預(yù)習(xí)實施策略

“科學(xué)探究：凸透鏡成像”是探究型實驗，對初中生來說，此類型實驗難度較大。教師在授課過程中往往是指導(dǎo)學(xué)生按照實驗導(dǎo)學(xué)案努力做對實驗，而不是讓學(xué)生設(shè)計合理的實驗方案和進(jìn)行自主探究，最終導(dǎo)致學(xué)生只能死記硬背地“記住”凸透鏡成像的規(guī)律，而不能靈活運用。為了提升學(xué)生設(shè)計實驗方案和自主探究的能力，筆者設(shè)計了虛擬實驗室在課前預(yù)習(xí)的實施策略，如圖1所示。

圖1 虛擬實驗在課前預(yù)習(xí)中的實施策略

教師通過中央電化教育館虛擬實驗室服務(wù)系統(tǒng)的“創(chuàng)編系統(tǒng)”功能，可以創(chuàng)設(shè)一個沉浸式虛擬實驗教學(xué)空間。教師在虛擬實驗教學(xué)空間中可以從用品欄中調(diào)用實驗所需的器材資源，并在步驟選項中編輯了解實驗原理、認(rèn)識實驗器材及作用、理解物距和像距概念、實驗猜想、實驗方案設(shè)計等預(yù)習(xí)任務(wù)，如表1所示。教師可將實驗資源和預(yù)習(xí)任務(wù)發(fā)布并推送給學(xué)生，學(xué)生可以在計算機或手機端開展實驗預(yù)習(xí)，通過實驗任務(wù)引導(dǎo)完成預(yù)習(xí)任務(wù)，并初步完成實驗方案設(shè)計，嘗試進(jìn)行虛擬實驗操作。教師可以對學(xué)生完成預(yù)習(xí)后生成的反饋報告進(jìn)行學(xué)情分析，并及時調(diào)整備課方案。

表1 虛擬實驗課前預(yù)習(xí)任務(wù)單

2.課中授課實施策略

從筆者的教學(xué)經(jīng)歷來看，在現(xiàn)實實驗操作過程中，蠟燭的燭焰通過凸透鏡后在光屏上所承接的像可能會出現(xiàn)不明顯、不穩(wěn)定等現(xiàn)象，點燃的蠟燭在實驗操作時也會存在安全隱患。教師可以采取如圖2所示的虛擬實驗與真實實驗相結(jié)合的實施策略來解決此類問題。

圖2 虛擬實驗在授課中的實施策略

在授課時，教師讓學(xué)生進(jìn)行分組實驗，同組學(xué)生通過交流討論，分析各成員在預(yù)習(xí)任務(wù)中已設(shè)計實驗方案的可行性，優(yōu)化并形成統(tǒng)一的小組實驗方案。教師通過對各小組虛擬實驗情境的設(shè)置，讓各小組調(diào)用不同焦距的凸透鏡進(jìn)行虛擬實驗，并完成對所收集數(shù)據(jù)的分析與論證。完成虛擬實驗后，教師可以把課堂交給學(xué)生，讓學(xué)生自我展示獲取的實驗數(shù)據(jù)和總結(jié)的實驗結(jié)論，分析使用不同焦距的凸透鏡得到的實驗結(jié)論是否一致，從而得到一個具有普遍性的凸透鏡成像規(guī)律。教師可針對學(xué)生在虛擬實驗過程中容易出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行答疑講解，并通過虛擬實驗室服務(wù)系統(tǒng)中的“實驗測試”功能，現(xiàn)場將已編輯好的實驗測試推送給學(xué)生完成。該功能中的AI測試助教將會對學(xué)生的操作過程和實驗記錄進(jìn)行自動批改和解析，并再次生成新的測試題推送給未過關(guān)學(xué)生重新測試，待組內(nèi)同學(xué)全部測試過關(guān)后，方可讓該組學(xué)生進(jìn)入真實分組實驗。

3.課后復(fù)習(xí)實施策略

課堂虛擬實驗與真實實驗相結(jié)合教學(xué)后，部分同學(xué)可能出現(xiàn)對課堂上的實驗現(xiàn)象記憶不深刻或?qū)嶒灢僮鞑襟E不熟練等現(xiàn)象，教師可通過如圖3所示的實施策略指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課后復(fù)習(xí)。

圖3 虛擬實驗在課后復(fù)習(xí)中的實施策略

教師可以在“實驗測試”功能設(shè)置虛擬考核情境，發(fā)布并推送虛擬實驗課后練習(xí)。AI測試助教會生成學(xué)生課后練習(xí)的反饋報告，并對學(xué)生練習(xí)情況進(jìn)行分析，針對不同學(xué)情的同學(xué)再次發(fā)送個性化習(xí)題資源，對優(yōu)生進(jìn)行提高性訓(xùn)練，對差生進(jìn)行基礎(chǔ)鞏固學(xué)習(xí)，使絕大部分同學(xué)都能熟練掌握探究凸透鏡成像的實驗過程和規(guī)律。

（三）教學(xué)效果分析

為了探究實施基于虛擬實驗室的教學(xué)策略對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響，分別對筆者任教的實驗班和對照班進(jìn)行前、后測對比實驗。

1.實驗前檢測成績的差異分析

在對比實驗開展前，利用第三章適應(yīng)性訓(xùn)練試卷作為檢測工具，讓實驗班與對照班開展實驗前檢測，并對前測成績進(jìn)行獨立樣本T檢驗分析，分析結(jié)果如表2所示。從平均分來看，實驗班與對照班前測的平均分差別較小，兩個班前測成績差異不顯著（t=-0.073，p=0.942＞0.05），即說明在對比實驗開展之前，兩個班學(xué)生的物理學(xué)習(xí)基礎(chǔ)是相當(dāng)?shù)摹?/p>

表2 實驗前檢測成績差異分析表

2.實驗后檢測成績的差異分析

筆者對實驗班采取基于虛擬實驗室的教學(xué)策略，對照班采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，并在完成教學(xué)的當(dāng)天，對兩個班進(jìn)行測試，測試內(nèi)容為“科學(xué)探究：凸透鏡成像”的相關(guān)知識。對成績進(jìn)行獨立樣本T檢驗分析，分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，對照班的平均分明顯低于實驗班的平均分，兩個班后測成績差異顯著（t=2.510，p=0.014＜0.05），說明采取基于虛擬實驗室的教學(xué)策略能夠較為有效地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

表3 實驗后檢測成績差異分析表

二、實驗總結(jié)

本文結(jié)合中央電教館虛擬實驗室，并以“科學(xué)探究：凸透鏡成像”教學(xué)為例，通過引入虛擬實驗室進(jìn)行實驗情境的創(chuàng)設(shè)，從課前預(yù)習(xí)、課中授課和課后復(fù)習(xí)三個環(huán)節(jié)，設(shè)計了基于虛擬實驗室的初中物理實驗教學(xué)實施策略。采用獨立樣本T檢驗對筆者所任教的實驗班和對照班進(jìn)行后測成績差異對比實驗，在實驗班和對照班前測成績相當(dāng)?shù)那疤嵯?，采取基于虛擬實驗室的教學(xué)策略的實驗班后測平均分明顯高于對照班，且存在顯著差異。實驗結(jié)果表明，采取基于虛擬實驗室的教學(xué)策略不僅能使實驗內(nèi)容、現(xiàn)象與條件直觀呈現(xiàn)在學(xué)生面前，還能增進(jìn)學(xué)生對于凸透鏡成像規(guī)律的理解和應(yīng)用，有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。