吳榮華 方欽華

摘?要：高中物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確提出需要將信息技術(shù)與教學(xué)相融合.但是在實(shí)際教學(xué)中由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺、實(shí)驗(yàn)難度大等問題，很難很好地滿足實(shí)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求.因此，本文從虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)案例，分析虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用方式.

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室;虛擬呈現(xiàn);可視化教學(xué);物理教學(xué)

文章編號：1008-4134（2019）21-0027?中圖分類號：G633.7?文獻(xiàn)標(biāo)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(xué);

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(xué).

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

（1）實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及使用成本高：一間獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室，建設(shè)費(fèi)用很高，且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，器材損耗大;高精密的設(shè)備成本高，容易損壞 .

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

（3）部分物理實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性較高，教師在課堂教學(xué)時可能難以掌控.

（4）儀器數(shù)量有限，很多實(shí)驗(yàn)只能分組進(jìn)行，影響教學(xué)效率.

（5）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室學(xué)生主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練不足，動手能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力難以提升.

因此，高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)室通過將信息技術(shù)與教學(xué)進(jìn)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(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，數(shù)字實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 利用數(shù)據(jù)采集器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用電腦來分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用配套教具實(shí)現(xiàn)更高效的實(shí)驗(yàn)，利用網(wǎng)絡(luò)管理整個數(shù)字實(shí)驗(yàn)室的教學(xué).虛擬實(shí)驗(yàn)室是一款由仿真實(shí)驗(yàn)器材和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具產(chǎn)品，包括相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)信息資源等內(nèi)容，通過虛擬實(shí)驗(yàn)室，既可再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)，也可將師生設(shè)想中的實(shí)驗(yàn)以虛擬仿真的方式進(jìn)行操作，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中資源限制、安全顧慮、備課、課堂互動等問題[1].

1.1?虛擬實(shí)驗(yàn)室虛擬呈現(xiàn)功能的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬呈現(xiàn)功能具有以下特點(diǎn)[2]：

（1）安全性.虛擬實(shí)驗(yàn)室可以部分代替那些有危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，通過計(jì)算機(jī)直觀地、生動地把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象再現(xiàn)在學(xué)生面前.

（2）經(jīng)濟(jì)性.虛擬實(shí)驗(yàn)室可以大幅度地降低實(shí)驗(yàn)的材料費(fèi)用，大大降低成本，能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)成本過高的實(shí)驗(yàn)一人一組進(jìn)行，因而虛擬實(shí)驗(yàn)室增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量.

（3）互動性.虛擬實(shí)驗(yàn)室通過交互，在學(xué)生可能困惑的地方，計(jì)算機(jī)就會提出問題，或者是實(shí)驗(yàn)做錯了，屏幕就會指出錯誤及提示如何改正.這種教與學(xué)的靈活交互，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率，實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的雙向交流.

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

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

1.2?微觀可視化視頻的特點(diǎn)

在物理實(shí)驗(yàn)中，很多物理實(shí)驗(yàn)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(xué)模式通常只能對這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行口頭上的講解或視頻、圖片等方式的演示，使得學(xué)生對于這些抽象的知識無法很好地理解.但是，運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程，幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)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(diǎn)[3]：

（1）交互性強(qiáng).微觀可視化視頻可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的操作對實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行真實(shí)模擬，從而完成對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo).

（2）仿真性強(qiáng).微觀可視化視頻可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中肉眼難以觀察到、或抽象不易理解的實(shí)際物理現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出完整的三維可視化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停绻饩€、電場、磁場等，可以進(jìn)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(qiáng).微觀可視化視頻可以將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行直觀的、形象的可視化展示，從而協(xié)助學(xué)生構(gòu)建微觀認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力、認(rèn)識物質(zhì)及其變化規(guī)律、減輕學(xué)生記憶負(fù)擔(dān).

2?虛擬實(shí)驗(yàn)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(qiáng)磁場中的運(yùn)動”為例，結(jié)合101教育PPT-虛擬實(shí)驗(yàn)室（https：//ppt.101.com/），探究虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬呈現(xiàn)功能和微觀可視化視頻在教學(xué)中的應(yīng)用.

2.1?“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1.1?教材分析

2017版普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)課的要求是：能用洛倫茲力分析帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的圓周運(yùn)動.本節(jié)課主要通過實(shí)驗(yàn)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(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，并討論分析圓周運(yùn)動規(guī)律的基本過程;了解質(zhì)譜儀的工作原理.

2.1.2?學(xué)習(xí)者特征分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)會運(yùn)用牛頓運(yùn)動定律分析力與運(yùn)動的關(guān)系，能分析勻速圓周運(yùn)動的向心力，會用功能關(guān)系分析物體運(yùn)動情況.在上一課學(xué)習(xí)中學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識了洛倫茲力，會判斷洛倫茲力的方向，會計(jì)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(rèn)識帶電粒子的圓周運(yùn)動規(guī)律時，空間想象力仍是本節(jié)最大的障礙.學(xué)生對如何顯示帶電粒子的運(yùn)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象感興趣.對于洛倫茲力的應(yīng)用也表現(xiàn)出一定的興趣.

2.1.3?教學(xué)目標(biāo)分析

（1）通過理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)探討帶電粒子沿不同方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場的運(yùn)動，理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運(yùn)動，培養(yǎng)學(xué)生有依據(jù)的猜想及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的科學(xué)探究核心素養(yǎng).

（2）通過學(xué)生自己動手畫圖，認(rèn)識找圓半徑和圓心的重要性，再引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會規(guī)范化畫圓軌跡，提高學(xué)生對圓半徑大小影響因素的學(xué)習(xí)興趣.

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

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

2.1.4?教學(xué)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)班使用虛擬實(shí)驗(yàn)室的洛侖茲力演示儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器的介紹和演示，對比班使用真實(shí)的洛侖茲力演示儀進(jìn)行演示.教學(xué)設(shè)計(jì)見表1.

2.2?教學(xué)效果分析

為了探究虛擬實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生學(xué)習(xí)情況帶來的影響，采用由授課教師設(shè)計(jì)的同一份試卷，分別對實(shí)驗(yàn)班和對比班同學(xué)進(jìn)行前后測對比測驗(yàn).實(shí)施前后測的實(shí)驗(yàn)的目的是為了檢測虛擬實(shí)驗(yàn)室顆粒、微觀視頻及學(xué)科工具所帶來的價(jià)值點(diǎn)，通過檢測卷來分析顆粒的使用是否對學(xué)生學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)有幫助.

2.2.1?學(xué)習(xí)效果總結(jié)

結(jié)論：對比傳統(tǒng)教學(xué)方式，使用虛擬實(shí)驗(yàn)室工具對學(xué)生整體學(xué)習(xí)效果提升不明顯.

測試結(jié)果見表2，使用虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)和使用傳統(tǒng)教學(xué)方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果都有提升作用.

從正確率來看，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn).結(jié)果顯示，采用虛擬實(shí)驗(yàn)室顆粒教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果的差異不太顯著（t=1.555，p=0.123>0.05），即使用虛擬實(shí)驗(yàn)室顆粒對學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)效果的影響

結(jié)論：對比傳統(tǒng)教學(xué)方式，使用微觀視頻呈現(xiàn)微觀粒子的運(yùn)動軌跡（如圖1），對學(xué)生學(xué)習(xí)對應(yīng)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(xué)生的學(xué)習(xí)效果有提升作用;而使用傳統(tǒng)教學(xué)方式反而造成學(xué)生學(xué)習(xí)效果下降.

從正確率來看，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn).結(jié)果顯示，采用虛擬實(shí)驗(yàn)室工具教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)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(yùn)動軌跡，對學(xué)生學(xué)習(xí)對應(yīng)知識的效果提升明顯.

2.2.3?虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬呈現(xiàn)對教學(xué)效果的影響

結(jié)論：對比傳統(tǒng)教學(xué)方式，使用虛擬實(shí)驗(yàn)室顆粒進(jìn)行虛擬呈現(xiàn)電流方向和磁感應(yīng)線（如圖2），對學(xué)生學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)室演示和使用傳統(tǒng)教學(xué)方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果都有提升作用.

從正確率來看，實(shí)驗(yàn)班在前后測正確率低于對比班.對兩班的提高效果進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn).結(jié)果顯示，采用虛擬實(shí)驗(yàn)室工具教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果的差異不顯著（t=0.741，p=0.460>0.05），即使用虛擬實(shí)驗(yàn)室顆粒（虛擬呈現(xiàn)電流方向和磁感應(yīng)線），對學(xué)生學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)室儀器結(jié)構(gòu)介紹對教學(xué)效果的影響

結(jié)論：對比傳統(tǒng)教學(xué)方式，使用虛擬實(shí)驗(yàn)室顆粒進(jìn)行儀器結(jié)構(gòu)介紹（如圖3），對學(xué)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(shí)驗(yàn)室和真實(shí)儀器教學(xué)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果都有提升作用.

從正確率來看，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn).結(jié)果顯示，采用虛擬實(shí)驗(yàn)室工具教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果的差異不顯著（t=1.332，p=0.186>0.05），即使用虛擬實(shí)驗(yàn)室顆粒進(jìn)行儀器結(jié)構(gòu)介紹，對學(xué)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(shí)驗(yàn)室的虛擬呈現(xiàn)和微觀可視化視頻在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的特點(diǎn)，二者對于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著很好的結(jié)合.通過對虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬呈現(xiàn)在物理教學(xué)中的應(yīng)用研究，對于豐富高中物理課堂教學(xué)實(shí)踐，推進(jìn)物理教學(xué)模式優(yōu)化與改革來說有著深遠(yuǎn)的意義.

在物理實(shí)踐活動實(shí)施現(xiàn)狀方面，本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)前后測學(xué)習(xí)效果評測的綜合分析可知，目前使用虛擬實(shí)驗(yàn)室顆粒和微觀視頻教學(xué)，對學(xué)生的整體學(xué)習(xí)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(yùn)動軌跡，對學(xué)生學(xué)習(xí)對應(yīng)知識的效果提升明顯;驗(yàn)證了微觀視頻對知識進(jìn)行微觀表征的過程，能夠培養(yǎng)學(xué)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(xué)生這方面的學(xué)習(xí)績效;

（2）使用虛擬實(shí)驗(yàn)室顆粒（虛擬呈現(xiàn)電流方向和磁感線），對學(xué)生學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)室顆粒進(jìn)行儀器結(jié)構(gòu)介紹，對學(xué)生掌握儀器結(jié)構(gòu)沒有顯著提升.

3.2?研究反思

本次實(shí)驗(yàn)課程中，虛擬實(shí)驗(yàn)室僅作為儀器結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充講解，甚至是簡單引入，沒有觸及更深的教學(xué)難點(diǎn)，因此對于該工具能否良好解決教學(xué)難點(diǎn)等維度存在質(zhì)疑.建議后期實(shí)驗(yàn)中，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時能夠更好地將工具多維度的功能加入到教學(xué)中，并盡可能讓學(xué)生也嘗試該工具的練習(xí)、使用，從而提高學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)知，也提升實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度;建議后期進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)及運(yùn)用自主探究的模式進(jìn)行驗(yàn)證.對于虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬呈現(xiàn)和微觀可視化視頻如何在課堂實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中更好地輔助學(xué)生的學(xué)習(xí)、支持教師的教學(xué)，如何更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、拓寬實(shí)驗(yàn)思維，還需要我們在以后的研究中繼續(xù)探索.

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（收稿日期：2019-06-26）