基于虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源支持物理信息化教學(xué)研究

摘 要 分析總結(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源的特點(diǎn)及其支持初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和局限，正確處理真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，為企業(yè)設(shè)計(jì)、開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)資源；科學(xué)素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）07-0067-02

1 引言

信息技術(shù)的發(fā)展一日千里，技術(shù)自身以及應(yīng)用方式都在日新月異地發(fā)生變化。在教育中，信息技術(shù)與教育教學(xué)的融合程度在不斷深入，信息技術(shù)帶給課堂教學(xué)的不僅僅是信息傳遞方式的變化，而是更深層次的教學(xué)模式的變化，這種變化在創(chuàng)新應(yīng)用信息技術(shù)的過程中不斷地發(fā)展。

初中物理課程是一門注重實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程，強(qiáng)調(diào)以科學(xué)探究的學(xué)習(xí)方式提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是初中物理教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和動手實(shí)踐能力的重要途徑。教育部在2011年發(fā)布的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》[1]中將初中物理課程中所涉及的物理實(shí)驗(yàn)分為學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)兩種。教師在教學(xué)過程中，利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源所創(chuàng)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以破解在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的一些難題，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，但同時也具有一定的局限性。

本文通過對虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源的定義及其特點(diǎn)、利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源支持初中物理教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和局限性的分析，可以全面認(rèn)識虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源，利于教師正確處理真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，也可以為虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源的設(shè)計(jì)、開發(fā)和利用提供支持。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源的定義及特點(diǎn)

虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源是指可以進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作的一類信息化教學(xué)資源。與其他信息化教學(xué)資源相比，虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源具有虛擬性、實(shí)踐性、靈活性等特點(diǎn)[2]。

虛擬性特點(diǎn) 虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源是通過計(jì)算機(jī)程序模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，令使用者產(chǎn)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過程中的沉浸感。虛擬性是虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源所具有的最重要的特點(diǎn)，也是其區(qū)別其他信息化教學(xué)資源的根本特點(diǎn)，令虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源具有比擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的仿真環(huán)境，也使得虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源具有一些優(yōu)勢，如節(jié)約資金、安全可靠、仿真環(huán)境、節(jié)省實(shí)驗(yàn)空間、改善實(shí)驗(yàn)條件等。

實(shí)踐性特點(diǎn) 利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源所創(chuàng)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，雖然與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的操作有所不同，但也可以觀察完整的實(shí)驗(yàn)過程，提升使用者對實(shí)驗(yàn)過程的認(rèn)知，促進(jìn)對實(shí)驗(yàn)知識的理解，提高對實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的能力，提高實(shí)驗(yàn)操作技能。

靈活性特點(diǎn) 在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，教師或?qū)W生可以隨時根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)儀器等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)整，通過觀察實(shí)驗(yàn)過程中的變化，豐富感性認(rèn)識，便于使用者對實(shí)驗(yàn)假設(shè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源支持初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源支持初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的具體體現(xiàn)，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源支持初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

簡化實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作 在真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，一個實(shí)驗(yàn)的儀器藥品準(zhǔn)備工作往往十分煩瑣，如果是大規(guī)模的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，往往又受到場地的大小、設(shè)備的多少等客觀條件的影響。利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源，只要利用優(yōu)盤或者網(wǎng)盤將資源下載拷貝到教室中的計(jì)算機(jī)上即可，準(zhǔn)備工作簡化為將虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源上傳到網(wǎng)盤或者拷貝到優(yōu)盤中，大大節(jié)約了時間和精力。

提升實(shí)驗(yàn)的可見度 真實(shí)環(huán)境中的物理實(shí)驗(yàn)需要在實(shí)驗(yàn)臺上完成，實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象需要近距離才能清晰地觀察，坐在教室后排的學(xué)生往往不能清晰完整地觀看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程。如果教師利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以通過投影、電子白板或觸控電視清晰地展示給班級中的全體學(xué)生，從而提升實(shí)驗(yàn)的可見度，顯著增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

簡化實(shí)驗(yàn)操作 在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，如果某個實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)儀器很多，并且操作過程很復(fù)雜，教師或?qū)W生就需要花費(fèi)很多的精力和時間對實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行組裝或者對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改造，會浪費(fèi)課堂教學(xué)時間。在利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源所創(chuàng)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)操作過程簡化，復(fù)雜度大大降低，教師或?qū)W生能快速地完成操作。

拓展實(shí)驗(yàn)范圍 某些物理實(shí)驗(yàn)由于客觀條件限制，無法在教學(xué)中直接進(jìn)行演示，而且學(xué)生也很難了解這些知識，導(dǎo)致教師無法通過語言表述將該實(shí)驗(yàn)講解清楚，如液壓機(jī)、船閘等大型機(jī)械裝置和設(shè)備的工作過程。在利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源所創(chuàng)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以拓展實(shí)驗(yàn)范圍，具體包括兩方面：

1）對現(xiàn)實(shí)中存在的，由于主客觀條件限制無法或難以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，如上面所說的液壓機(jī)、船閘等；

2）對歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過，由于時過境遷已經(jīng)不存在的對象進(jìn)行模擬再現(xiàn)，可以提高學(xué)生對該事物的認(rèn)識。

提升實(shí)驗(yàn)的靈活性 教師或?qū)W生在利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源創(chuàng)設(shè)的虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要，隨時改變實(shí)驗(yàn)條件觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有利于豐富學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的過程中，可以不依據(jù)一種假設(shè)或理論，而且最終得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為一種理論或假設(shè)提供數(shù)據(jù)支持，這種探究方式可以極大地增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

提高學(xué)生的科學(xué)探究能力和實(shí)驗(yàn)操作技能 虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源創(chuàng)造的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備是相同的，學(xué)生可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動。在科學(xué)探究過程中，學(xué)生可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)假設(shè)或猜想，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提升科學(xué)素養(yǎng)。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中的操作，既可以加深對實(shí)驗(yàn)儀器、操作的了解，也可以提升對實(shí)驗(yàn)過程的認(rèn)識，提高實(shí)驗(yàn)操作技能。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源支持初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性

虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源在支持初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在明顯的局限性，這種局限性體現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)無法替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)上。

無法探索未知的知識 實(shí)驗(yàn)對于物理來說不是簡單地驗(yàn)證已有的理論，更重要的意義在于探索未知的知識。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)需要在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件下才能產(chǎn)生預(yù)設(shè)或未知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而實(shí)驗(yàn)條件的輕微變化往往會導(dǎo)致另一種實(shí)驗(yàn)結(jié)果。虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源創(chuàng)設(shè)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境均是依據(jù)已有的成熟的理論，利用計(jì)算機(jī)程序模擬的真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程，無法對未知的知識進(jìn)行探索。

無法快速提高學(xué)生對真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備操作的水平 利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源所創(chuàng)建的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，雖然可以提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程和儀器設(shè)備的感知和對實(shí)驗(yàn)知識的理解，但畢竟不是真實(shí)操作實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，限制了動手操作能力的培養(yǎng)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有一定的復(fù)雜性，而虛擬實(shí)驗(yàn)大大簡化了這種復(fù)雜性，學(xué)生在沒有接觸過實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的情況下，雖然知道標(biāo)準(zhǔn)的操作要求，但仍不能在真實(shí)環(huán)境中完成標(biāo)準(zhǔn)操作，類似“站在岸上學(xué)游泳”，無法快速提高學(xué)生對真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備操作的水平。

5 總結(jié)

虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源具有簡化實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作、提升實(shí)驗(yàn)可見度、簡化實(shí)驗(yàn)操作、拓展實(shí)驗(yàn)范圍、提升實(shí)驗(yàn)靈活性、提高學(xué)生科學(xué)探究能力和實(shí)驗(yàn)操作技能等優(yōu)點(diǎn)，也具有無法探索未知知識、無法快速提高學(xué)生對真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備操作水平的局限性。充分了解虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源的優(yōu)點(diǎn)和局限，可以全面、客觀地認(rèn)識虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源。教師應(yīng)該正確處理真實(shí)實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)系，科學(xué)利用虛擬實(shí)驗(yàn)類教學(xué)資源，不斷探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，提高初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。■

參考文獻(xiàn)

[1]教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[S/OL].[2016-10-07].http：//www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s8001/201404/167340.html.

[2]梁凱華.教師“整合”適應(yīng)性專長及其發(fā)展研究[D].長春：東北師范大學(xué)，2013.

作者：趙美榮，鄂爾多斯市電化教育館教研員，中學(xué)高級教師，長期從事中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)、培訓(xùn)工作，研究方向?yàn)橹行W(xué)理化生科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理、培訓(xùn)、考試、教研等（017010）。

10.3969/j.issn.1671-489X.2017.07.069