王 芳

(劍橋中學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

1 “央館虛擬實(shí)驗(yàn)”在教學(xué)中的特點(diǎn)

“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”是由中央電教館主導(dǎo)研制的融合3D、AI、VR前沿科技，覆蓋物理、化學(xué)、生物學(xué)、科學(xué)等學(xué)科的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件。是一款全新上線的實(shí)驗(yàn)?zāi)M教育學(xué)習(xí)軟件，簡(jiǎn)單的操作方式，不僅有豐富的功能更是支持各種不同的學(xué)科實(shí)驗(yàn)?zāi)M，功能多樣，上手容易，流暢的畫(huà)面有逼真的特效以及物理引擎。自創(chuàng)立以來(lái)，受到教師的喜歡，“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”支持手機(jī)、電子白板、電腦、平板和電腦一體機(jī)等多設(shè)備使用，其仿真結(jié)果直觀、真實(shí)和自然。

“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”在教學(xué)中主要有以下特點(diǎn)：沉浸式、便捷性、開(kāi)放性、交互性、安全性，如下圖1。

圖1 “央館虛擬實(shí)驗(yàn)”特點(diǎn)

2 教學(xué)內(nèi)容分析

“測(cè)定電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”是人教版高中物理選修3-1第二章第十節(jié)的內(nèi)容，它是閉合電路歐姆定律的深化和實(shí)際應(yīng)用，學(xué)生通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，既能鞏固電學(xué)問(wèn)題的分析思路，加深對(duì)閉合電路歐姆定律的理解，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生合作、探究、交流能力，具有很重要的實(shí)際意義[4]。

學(xué)生掌握了閉合電路歐姆定律，會(huì)利用該定律列式求解相關(guān)問(wèn)題，掌握了電流表、電壓表的使用方法。學(xué)生觀察能力、分析能力不斷提高，能夠初步地、獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)事物內(nèi)在聯(lián)系和一般規(guī)律的能力，學(xué)生具有初步的概括歸納總結(jié)能力、邏輯推理能力、綜合分析能力。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 導(dǎo)入新課

教師：現(xiàn)在有個(gè)新的干電池，要測(cè)出其電壓，把電壓表串聯(lián)在它兩端，電壓表示數(shù)是否為1.5V？

學(xué)生：比1.5V 小，約1.1V。

教師：為什么哪？

學(xué)生：可能電源有內(nèi)阻。

教師：是的。電源有內(nèi)阻，會(huì)分一部分電壓。那么如何測(cè)量電源的內(nèi)阻哪？電動(dòng)勢(shì)又如何測(cè)量哪？能否直接測(cè)量哪？可以根據(jù)哪個(gè)學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)測(cè)量電源內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)哪？同學(xué)們思考一下，設(shè)計(jì)一下電路。提出問(wèn)題，引入主題。

3.2 進(jìn)入新課

3.2.1 設(shè)計(jì)電路

學(xué)生根據(jù)所學(xué)，一般會(huì)設(shè)計(jì)出以下幾種思路，如下圖2。

圖2 同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)的電路圖匯總

教師：老師設(shè)計(jì)的電路圖是這樣的，如下圖3。

圖3 老師設(shè)計(jì)的電路圖

對(duì)照老師的思路進(jìn)行修改電路圖，反思電路設(shè)計(jì)的基本邏輯，并且讓學(xué)生通過(guò)實(shí)物進(jìn)行讀取幾組數(shù)據(jù)，為接下來(lái)的數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。

3.3.2 理論推導(dǎo)

教師：那怎么算E和r哪？可以利用我們?cè)瓉?lái)學(xué)過(guò)的什么知識(shí)計(jì)算？

學(xué)生：閉合回路。如果有兩組數(shù)據(jù)，根據(jù)

教師：非常好，這是一種方法，但是這種方法計(jì)算量太大，誤差也相對(duì)比較大，還有別的方法嗎？

學(xué)生：可以根據(jù)測(cè)得U值和I值，作U-I圖像，從而得出的截距是E，斜率是r。

得出方法后，開(kāi)始進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)探究

由于電路圖會(huì)出現(xiàn)短路等電路故障各種事項(xiàng)，為了讓同學(xué)們先熟悉電路圖，安心大膽的實(shí)踐，先安排虛擬實(shí)驗(yàn)做頭陣。

虛擬實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)：

（1）先打開(kāi)“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”虛擬平臺(tái)如圖4。

圖4 打開(kāi)“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”界面

（2）按照?qǐng)D5 連接實(shí)物電路。注意滑動(dòng)變阻器連線要遵循“一上一下”，要達(dá)到最大阻值，電流表和電壓表要“正進(jìn)負(fù)出”，量程要選取合適。

圖5 連接好實(shí)物電路圖

（3）讀出電壓表和電流表示數(shù)并記錄在表中，如下圖6。

圖6 記錄數(shù)據(jù)電流表和電壓表示數(shù)

（4）改變滑動(dòng)變阻器五次，分別把數(shù)據(jù)記錄在表中，如下圖7。

圖7 記錄六組數(shù)據(jù)

（5）處理數(shù)據(jù)，計(jì)算電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，如下圖8，并描點(diǎn)、連線，如下圖9。

圖8 處理數(shù)據(jù)

圖9 繪制圖像

（6）遇到的問(wèn)題，由于電流表量程選取的不合適，或者滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)到最小值，導(dǎo)致電流太大，燒壞電流表或者滑動(dòng)變阻器，如下圖10。

圖10 電流太大，燒壞滑動(dòng)變阻器

通過(guò)問(wèn)題電路，一定好讓同學(xué)們總結(jié)錯(cuò)誤的原因，并總結(jié)在做實(shí)物電路時(shí)要注意的事項(xiàng)。遇到的問(wèn)題和錯(cuò)誤，一定不要繞過(guò)，是讓同學(xué)們進(jìn)步的機(jī)會(huì)，是成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。

（二）真實(shí)實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

（1）根據(jù)電路圖連接實(shí)物電路，連接時(shí)要注意滑動(dòng)變阻器、電壓表、電流表等儀器的注意事項(xiàng)；

（2）移動(dòng)滑動(dòng)變阻器，改變滑動(dòng)變阻器阻值五次，記錄數(shù)據(jù)；

（3）根據(jù)公式 處理數(shù)據(jù)，計(jì)算出電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻；

（4）繪制電壓、電流圖像，縱坐標(biāo)截距為電動(dòng)勢(shì)，斜率為內(nèi)阻。如下圖11。

圖11 U-I 圖像

3.3 得出結(jié)論

通過(guò)“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”和真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，讓同學(xué)們充分體驗(yàn)做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，沉浸其中，從實(shí)驗(yàn)中得到結(jié)果的快樂(lè)。虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)從不同角度進(jìn)行強(qiáng)化。

3.4 教學(xué)分析

本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)的物理觀念的培養(yǎng)是想要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到我們?nèi)粘５奈锲泛芏喽际俏锢砟Ｐ停娫从袃?nèi)阻，讓學(xué)生們接受并且親身感受。本節(jié)課的核心素養(yǎng)是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)思維解決物理問(wèn)題，難點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理。但同學(xué)們往往在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，之所以不敢大膽嘗試和大膽做實(shí)驗(yàn)，一是做得少，不會(huì)做；二是擔(dān)心損壞物理實(shí)驗(yàn)儀器，造成不必要的麻煩，所以大多同學(xué)都是旁觀者，看別人做，這對(duì)同學(xué)們對(duì)知識(shí)的吸收理解是很不利的。為了打消同學(xué)們這種畏難情緒，讓同學(xué)們心安的一遍遍多做實(shí)驗(yàn)，首先先做虛擬實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多次虛擬實(shí)驗(yàn)操作，明顯感受到同學(xué)們自信心和成就感都有所提高，都對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)躍躍欲試。在數(shù)據(jù)處理方面，也是經(jīng)過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)快速處理數(shù)據(jù)，有了對(duì)公式的了解，到真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，同學(xué)們也大膽了很多。不僅完成了教師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)并且可以計(jì)算出結(jié)果，同學(xué)們還在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)大膽嘗試新的方法，創(chuàng)新思維和獨(dú)立思考能力都得到了培養(yǎng)和提高，整節(jié)課很完整和充實(shí)。整個(gè)過(guò)程如下圖12。

圖12 “央館虛擬實(shí)驗(yàn)”融入物理實(shí)驗(yàn)課的流程圖

4 央館虛擬實(shí)驗(yàn)”在高中物理實(shí)驗(yàn)課應(yīng)用效果反饋

為了了解學(xué)生對(duì)于“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)課的滿意度，筆者對(duì)學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，問(wèn)卷發(fā)放300 份，回收281 份，有效問(wèn)卷269 份（圖13～圖15）。對(duì)部分題目做一些摘錄。

圖13 “央館虛擬實(shí)驗(yàn)”與實(shí)際器材的相似性的滿意度

圖14 “央館虛擬實(shí)驗(yàn)”界面和操作便捷的滿意度

圖15 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式對(duì)于學(xué)生主動(dòng)性和積極性的影響

第一題、“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”的器材很逼真形象。

A.非常符合 B.符合 C.一般符合 D.不符合

大部分同學(xué)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)物相近比較認(rèn)同，只有少數(shù)同學(xué)認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)器材不逼真，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)器材有差別。

第二題、虛擬實(shí)驗(yàn)界面很大方美觀。

A.非常符合 B.符合 C.一般符合 D.不符合

第三題、虛擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程簡(jiǎn)單，容易上手。

A.非常符合 B.符合 C.一般符合 D.不符合

對(duì)于“央館實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)”界面和操作的便捷性，同學(xué)們也給出了肯定，一般符合和不符合的占10%左右，大部分同學(xué)都比較贊同。

第四題、“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”在高中物理實(shí)驗(yàn)課應(yīng)用的教學(xué)模式提高了我的學(xué)習(xí)積極性。

第五題、“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”在高中物理實(shí)驗(yàn)課應(yīng)用的教學(xué)模式提高了我的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

A.非常符合 B.符合 C.一般符合 D.不符合

第四題和第五題比較相似，得出了的結(jié)果也相近。可以看出來(lái)，大部分同學(xué)都贊成虛實(shí)結(jié)合教學(xué)模式使物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性有所提高，只有小部分同學(xué)不同意。

第六題、我喜歡“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”融入高中物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)模式，如圖16。

圖16 是否喜歡“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”融于高中物理實(shí)驗(yàn)課

可以看出來(lái)，同學(xué)們對(duì)“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”在高中物理實(shí)驗(yàn)課應(yīng)用的教學(xué)模式非常贊同，大多數(shù)對(duì)“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”非常喜歡，認(rèn)可度非常高。

5 “央館虛擬實(shí)驗(yàn)”在高中物理實(shí)驗(yàn)課應(yīng)用教學(xué)效果改觀

“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”在高中物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果很好，得到教師和學(xué)生的廣泛好評(píng)?？傮w來(lái)講，有以下幾點(diǎn)改變。

5.1 增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)信心

首先，動(dòng)手動(dòng)腦是物理實(shí)驗(yàn)課的核心。“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，既彌補(bǔ)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的不足，又更好地發(fā)揮了“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”的優(yōu)勢(shì)。增加了學(xué)生做物理實(shí)驗(yàn)的頻率，既可以繼續(xù)發(fā)揮真實(shí)實(shí)驗(yàn)的在實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐瓿蓪?shí)驗(yàn)，又體現(xiàn)“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”的可以隨時(shí)隨地的完成實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)[3]。

其次，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”軟件生動(dòng)活潑浸感強(qiáng)，學(xué)生在“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”環(huán)境下進(jìn)行操作時(shí)，猶如在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室操作，學(xué)生仿佛置身其中，物理現(xiàn)象清晰的呈現(xiàn)在眼前，給學(xué)生真實(shí)的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上的刺激，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

再次，“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”打破了時(shí)間空間的限制，即使在不同地點(diǎn)不同時(shí)間，也可以進(jìn)行信息的交互，學(xué)生可以與移動(dòng)設(shè)備實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象交互，AI 智能助教在線提供實(shí)驗(yàn)步驟指導(dǎo)、知識(shí)講解、錯(cuò)誤提醒等，幫助學(xué)生規(guī)范學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作步驟，快速掌握實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也是增加生生互動(dòng)、師生互動(dòng)的途徑和平臺(tái)。

最后，在計(jì)算機(jī)等硬件條件的支持下，軟件正常安裝的情況下，學(xué)生可以隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，做傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生離開(kāi)了實(shí)驗(yàn)室，便無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”則具有更好的開(kāi)放性，即使學(xué)生不具備真實(shí)實(shí)驗(yàn)器材也可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。增加了學(xué)生學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)、操作的可能性。開(kāi)放的學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)信心會(huì)起到巨大的作用。

5.2 增強(qiáng)教師對(duì)于教學(xué)軟件的充分開(kāi)發(fā)利用

教學(xué)軟件既不是過(guò)于籠統(tǒng)的教育信息化整體解決方案，也不僅僅指網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)，而是教學(xué)軟件、課程資源開(kāi)發(fā)軟件、課件、網(wǎng)絡(luò)課程等的集合。首先，熟練應(yīng)用專(zhuān)業(yè)化軟件至關(guān)重要。教師將信息技術(shù)與學(xué)科深度融合的能力必然會(huì)提高。將“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”平臺(tái)應(yīng)用于課前備課、課中授課、課后復(fù)習(xí)、寒暑假假期作業(yè)，充分在教學(xué)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”等信息技術(shù)等優(yōu)越性，增強(qiáng)教學(xué)效果。其次，彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)的不足，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦的習(xí)慣，增強(qiáng)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的熱愛(ài)。尤其是對(duì)危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)實(shí)條件不能完成只有在特殊條件下才能做的實(shí)驗(yàn)起到了非常大的作用，提高了教師完成教學(xué)目標(biāo)的信心。最后，多一與學(xué)生互動(dòng)交互軟件，更了解學(xué)生，因材施教，升華感情。

5.3 讓教學(xué)模式創(chuàng)新且高效

“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”在高中物理實(shí)驗(yàn)課應(yīng)用的這種教學(xué)模式大大提高了教學(xué)效果?，F(xiàn)代信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的深度融合是教師觀念的改變和進(jìn)階，使教學(xué)模式和授課方式不斷多樣化、層次化、廣闊化；教學(xué)過(guò)程也不再拘泥于教師和學(xué)生一唱一和，現(xiàn)代信息技術(shù)與學(xué)科融合給教學(xué)多了很多可能性，只要老師肯學(xué)習(xí)，肯鉆研，上課的教學(xué)模式會(huì)更高效。

6 結(jié)論

本研究是在“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”平臺(tái)下，以相關(guān)研究方法和基本理論為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)將“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”應(yīng)用于測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻教學(xué)實(shí)踐中，并通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)并得出結(jié)論?！把腽^虛擬實(shí)驗(yàn)”在高中物理實(shí)驗(yàn)課的應(yīng)用方案是合理可行的。“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”的融入，并不是取代傳統(tǒng)物理真實(shí)實(shí)驗(yàn)，而是將兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)是“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)和前提，“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和延伸。虛擬實(shí)驗(yàn)要使用合理，要遵循“虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)互補(bǔ)、以虛輔實(shí)”的原則。“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)課提升了學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)也提升了教師的信息化教學(xué)水平。