虛擬實(shí)驗(yàn)室在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用
——以《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場的運(yùn)動》為例

胡 玲吳榮華蔡秀鋒彭 靖

（1.福建省華漁教育科技有限公司，福建 福州350000；2.福建師范大學(xué) 教育學(xué)院，福建 福州350000）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以讓學(xué)生獲得物理知識，也能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室在中學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用也越來越廣泛。數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是教育信息化發(fā)展的需要，更是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要方法和手段?！段锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)》指出，“學(xué)校要重視引導(dǎo)教師研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法，研究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)方式，促進(jìn)教學(xué)手段與方式的現(xiàn)代化”。然而，在實(shí)際教學(xué)中，如何促進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室與教學(xué)融合，仍是一個亟待解決的問題。聚焦數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室與教學(xué)融合，基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，結(jié)合具體案例探究其在教學(xué)中的應(yīng)用模式，并總結(jié)出適用的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用模式

《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，數(shù)字實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集數(shù)據(jù)，用計算機(jī)軟件分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗(yàn)室是一種比較常見的數(shù)字實(shí)驗(yàn)室，它借助圖像/圖形、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計算機(jī)上創(chuàng)建一個可視化虛擬環(huán)境，教師或?qū)W生可以隨時進(jìn)入其中操作儀器，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)[1]。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要借助傳統(tǒng)儀器設(shè)備進(jìn)行教學(xué)，以Flash動畫或?qū)嶒?yàn)視頻為支撐。與這幾種形式相比，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有實(shí)驗(yàn)器材無折舊、無實(shí)驗(yàn)條件限制、可展示宏觀和微觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、可進(jìn)行危險實(shí)驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室與其他教學(xué)形式相比，比較適合用于理想的實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)（如勻速直線運(yùn)動過程）、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過快或過慢的實(shí)驗(yàn)（如打點(diǎn)計時器測速度）、危險實(shí)驗(yàn)（如爆炸）、物理現(xiàn)象抽象或不可見的實(shí)驗(yàn)（如電磁場）等。

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，物理實(shí)驗(yàn)主要分為測量性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)性實(shí)驗(yàn)等[2]。虛擬實(shí)驗(yàn)室在不同類型的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用模式有所不同。具體有如下幾種模式。

（一）測量性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用模式

測量性實(shí)驗(yàn)旨在于培養(yǎng)學(xué)生測量某種物理量的能力。應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)，包括三個階段。（1）實(shí)驗(yàn)原理剖析階段。教師一邊利用語言講解測量原理，一邊用虛擬實(shí)驗(yàn)室演示測量過程。（2）學(xué)生自主學(xué)習(xí)階段。學(xué)生根據(jù)教師所講解的實(shí)驗(yàn)原理，利用虛擬物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（3）真實(shí)實(shí)驗(yàn)階段。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生已經(jīng)證實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計是可以驗(yàn)證的，這為真實(shí)實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。學(xué)生在教師的輔導(dǎo)下，操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完成真實(shí)測量[3]。

（二）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用模式

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是指利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已知的物理規(guī)律。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)，包括三個階段。（1）實(shí)驗(yàn)猜想。教師根據(jù)已知的實(shí)驗(yàn)原理，引導(dǎo)學(xué)生猜想可能產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計。（2）真實(shí)實(shí)驗(yàn)階段。教師或?qū)W生進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)原理。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)階段。教師或?qū)W生利用虛擬實(shí)驗(yàn)室，多角度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)原理。

（三）探究性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用模式

探究性實(shí)驗(yàn)屬于開放性實(shí)驗(yàn)，它以學(xué)生為主體，是對未知規(guī)律的設(shè)計、操作，進(jìn)而得出結(jié)論。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)，包括以下五個階段。（1）提出問題。學(xué)生根據(jù)教師的引導(dǎo)提出問題。（2）猜想與假設(shè)。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，猜想可能存在的實(shí)驗(yàn)情況。（3）設(shè)計實(shí)驗(yàn)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)。在教師的引導(dǎo)下自主地設(shè)計實(shí)驗(yàn)。（4）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)。用虛擬實(shí)驗(yàn)室對所設(shè)計的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證性操作，并收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（5）分析結(jié)論并評估。在教師的引導(dǎo)下總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，概括實(shí)驗(yàn)規(guī)律，評估實(shí)驗(yàn)方案。

（四）學(xué)習(xí)性實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用模式

學(xué)習(xí)性實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生掌握一種儀器的使用、學(xué)會一種實(shí)驗(yàn)方法、理解一個實(shí)驗(yàn)原理的一類實(shí)驗(yàn)。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)，包括以下三個階段。（1）教師演示操作。教師在虛擬實(shí)驗(yàn)室中演示實(shí)驗(yàn)操作步驟，讓每個學(xué)生都可以清晰地看到操作。（2）學(xué)生練習(xí)操作。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中鞏固實(shí)驗(yàn)操作步驟，并注意細(xì)節(jié)。（3）學(xué)生真實(shí)實(shí)驗(yàn)。在經(jīng)過前兩個階段的熟悉和鞏固，學(xué)生已具備操作真實(shí)實(shí)驗(yàn)的能力，其實(shí)驗(yàn)動作技能得到進(jìn)一步提升。

二、應(yīng)用案例

筆者結(jié)合上述虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)應(yīng)用模式，以高二物理《帶點(diǎn)粒子在勻強(qiáng)磁場的運(yùn)動》課為例，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)室在教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場的運(yùn)動》的教學(xué)設(shè)計與實(shí)施

1.教學(xué)內(nèi)容分析

這節(jié)課是磁場這一章節(jié)知識的重要應(yīng)用之一，也是力學(xué)知識和電磁學(xué)知識的綜合。通過對這一節(jié)知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠把洛倫茲力和動力學(xué)知識有機(jī)地結(jié)合起來，加深對力、磁場知識的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生用物理規(guī)律解決實(shí)際問題的能力。

2.學(xué)習(xí)者特征分析

學(xué)生已經(jīng)具備運(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。學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識洛倫茲力，會判斷洛倫茲力的方向，會計算洛倫茲力的大小，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，空間想象力問題仍是本節(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)出一定的好奇。

3.教學(xué)目標(biāo)分析

基于對教學(xué)內(nèi)容的分析、學(xué)習(xí)者特征分析和《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，確立了該課程的教學(xué)目標(biāo)：通過課程學(xué)習(xí)，能夠理解帶電粒子垂直進(jìn)入磁場做勻速圓周運(yùn)動；通過觀察洛倫茲力演示儀的結(jié)構(gòu)，定性討論電子束偏轉(zhuǎn)的原理；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；能夠了解質(zhì)譜儀的工作原理。同時，通過先有依據(jù)的猜想，再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的順序，培養(yǎng)科學(xué)探究核心素養(yǎng)。

4《.帶點(diǎn)粒子在勻強(qiáng)磁場的運(yùn)動》的教學(xué)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括實(shí)驗(yàn)猜想、真實(shí)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)論等過程?！稁c(diǎn)粒子在勻強(qiáng)磁場的運(yùn)動》包括兩個實(shí)驗(yàn)，都屬于物理現(xiàn)象抽象類的實(shí)驗(yàn)，就實(shí)驗(yàn)類型而言，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。每個實(shí)驗(yàn)包括實(shí)驗(yàn)猜想、真實(shí)實(shí)驗(yàn)階段和虛擬實(shí)驗(yàn)階段。具體框架如表1。

表1 《帶點(diǎn)粒子在勻強(qiáng)磁場的運(yùn)動》的教學(xué)實(shí)施

圖1 學(xué)科工具-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動圖

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室（洛倫茲力演示儀）

在案例中，學(xué)生不能直觀地“看到”洛倫茲力始終保持跟速度垂直，難以理解這一知識點(diǎn)。利用學(xué)科工具-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動圖，學(xué)生動態(tài)地看到“洛倫茲力始終保持跟速度垂直”，使學(xué)生獲得關(guān)于洛倫茲力運(yùn)動規(guī)律的感性認(rèn)識，從而加深學(xué)生對這一知識點(diǎn)的記憶與理解。

在實(shí)驗(yàn)演示課的復(fù)習(xí)鞏固環(huán)節(jié)，由于教師沒有足夠的時間通過實(shí)驗(yàn)演示總結(jié)教學(xué)重難點(diǎn)，只能通過口頭講述重復(fù)教學(xué)重點(diǎn)。這樣的復(fù)習(xí)，不夠直觀，難以加深學(xué)生的記憶，總結(jié)效率低下。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室，教師可以快速地演示實(shí)驗(yàn)過程，直觀地回顧教學(xué)內(nèi)容。同時，教學(xué)的目的不僅僅在于讓學(xué)生理解知識點(diǎn)，更多的是知識應(yīng)用與拓展。在實(shí)驗(yàn)拓展環(huán)節(jié)，教學(xué)時間比較有限，教師一般采用口頭描述，如改變實(shí)驗(yàn)條件會出現(xiàn)怎樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但這樣的方式，學(xué)生無法直觀地看到這一拓展實(shí)驗(yàn)的過程，可能難以想象或推演實(shí)驗(yàn)想象。此時，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室，教師可以快速地改變實(shí)驗(yàn)條件，如案例中改變粒子進(jìn)入磁場的方向，直接演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并讓學(xué)生多角度（如側(cè)面）觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這樣可以快速地引導(dǎo)學(xué)生思考，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而拓展知識內(nèi)容。

（二）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)情況的影響，研究者在課程結(jié)束后對學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，問卷共計17道題，4個評價維度，即學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與態(tài)度、課堂體驗(yàn)、學(xué)習(xí)效果、對虛擬實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可度。每道題代表1個觀點(diǎn)，學(xué)生從“完全同意”“部分同意”“中立”“部分不同意”“完全不同意”中選擇最合適的答案。其中，每個答案分別對應(yīng)5分、4分、3分、2分、1分。

問卷采用隆巴赫系數(shù)進(jìn)行內(nèi)在一致性信度分析，信度系數(shù)為0.926，說明問卷信度非常好，17個項(xiàng)目之間具有很高的內(nèi)部一致性。問卷發(fā)放43份，回收43份，有效問卷34份。

1.總體情況

從問卷數(shù)據(jù)來看，除1個題目外，其他題目的均值都在4.0以上，這說明幾乎所有題目的均值在4.0以上，其中“完全同意”及“部分同意”的學(xué)生占總?cè)藬?shù)70%以上。這說明大部分學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)室在物理學(xué)習(xí)中持肯定態(tài)度。

2.學(xué)習(xí)興趣與態(tài)度

在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與態(tài)度上，包括在增加學(xué)習(xí)興趣、提高課堂注意力、提高課堂參與度和提升課堂效率上的均值在4.2-4.5之間，均值在“部分同意”（4分）以上。從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)“完全同意”及“部分同意”的學(xué)生占總?cè)藬?shù)70%以上。這說明大部分學(xué)生認(rèn)為使用虛擬實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生的興趣、注意力、課堂參與、學(xué)習(xí)效率上都有比較好的影響。

3.課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)

在學(xué)生課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)上，包括在促進(jìn)知識理解、解決近期遇到的問題和對虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式的喜愛方面的均值在3.9-4.6之間，均值趨向于“部分同意”（4分）；從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)“完全同意”及“部分同意”的學(xué)生占總?cè)藬?shù)70%以上。這說明大部分學(xué)生認(rèn)為使用虛擬實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，能夠幫助自己理解知識內(nèi)容，能夠幫助解決近期遇到的問題，同時大部分學(xué)生比較喜歡結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)上課的教學(xué)模式。

4.學(xué)習(xí)效果

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，在學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果的影響中，每個題目的均值在 4.0-4.6 之間，均值在“部分同意”（4分）以上；從圖3中可以發(fā)現(xiàn)“完全同意”及“部分同意”的學(xué)生占總?cè)藬?shù)70%以上。這說明大部分學(xué)生愿意在課前與課后使用虛擬實(shí)驗(yàn)室；同時使用虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，能夠促進(jìn)學(xué)生對知識的理解，能夠幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)知識，能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力。同時，所有學(xué)生對“虛擬實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)步驟更清晰，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀”上保持中立及其以上的態(tài)度。這說明所有學(xué)生都不否定虛擬實(shí)驗(yàn)室的這一價值。

表2 學(xué)習(xí)效果評價數(shù)據(jù)表

圖3 學(xué)習(xí)效果評價數(shù)據(jù)圖

5.對虛擬實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可度

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，在學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)認(rèn)可度上，每個題目的均值在4.0-4.7之間，均值在“部分同意”（4分）以上；從圖4中可以發(fā)現(xiàn)“完全同意”及“部分同意”的學(xué)生占總?cè)藬?shù)70%以上。這說明大部分學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可度相對較高，愿意使用虛擬實(shí)驗(yàn)室，并愿意將虛擬實(shí)驗(yàn)用到其他學(xué)科的學(xué)習(xí)中去。同時，所有學(xué)生對“將虛擬實(shí)驗(yàn)用到其他學(xué)科中去”的問題上持中立及其以上的態(tài)度。這說明，所有學(xué)生都不反對將虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于其他學(xué)科。

表3 虛擬實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可度評價數(shù)據(jù)表

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可度評價數(shù)據(jù)圖

三、總結(jié)與反思

本研究基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)，總結(jié)出不同實(shí)驗(yàn)類型的應(yīng)用模式，并結(jié)合舉例案例《帶粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動》探究虛擬實(shí)驗(yàn)室的具體應(yīng)用。同時，利用問卷法探究虛擬實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生學(xué)習(xí)的影響。虛擬實(shí)驗(yàn)室除了適用于真實(shí)實(shí)驗(yàn)可以演示的實(shí)驗(yàn)外，還可以適用于實(shí)驗(yàn)條件理想化、物理現(xiàn)象抽象、瞬間物理現(xiàn)象、危險物理現(xiàn)象、宏觀、微觀物理現(xiàn)象等特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)。在測量性、驗(yàn)證性、探究性、學(xué)習(xí)性實(shí)驗(yàn)中，其應(yīng)用模式有一定的差別，特別是在虛擬實(shí)驗(yàn)室與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系上，虛擬實(shí)驗(yàn)室可作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)，作為學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)的工具；也可以作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的輔助，快速重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、輔助實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的講解。本文通過案例研究發(fā)現(xiàn)，絕大部分學(xué)生喜歡老師用虛擬實(shí)驗(yàn)上課，也同意將虛擬實(shí)驗(yàn)用到其他的學(xué)科中去。他們認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)步驟更清晰，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀。所以，從總體來看，學(xué)生對虛擬實(shí)驗(yàn)室持肯定的態(tài)度。由于受課型、研究條件的限制，在研究方法上，本研究未對學(xué)生學(xué)習(xí)成績進(jìn)行分析，研究不夠深入；并且在案例分析上，只分析了教師演示實(shí)驗(yàn)，尚未對學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析；另外，適用虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)還需課堂驗(yàn)證。在今后的研究中，還需要進(jìn)一步完善研究方法，進(jìn)一步完善案例，或者以專題的形式對應(yīng)用案例進(jìn)行深入探討。