虛擬實驗室適用物理實驗的應用探究

吳榮華 胡玲 蔡秀峰 彭靖

【摘 要】物理學科知識具有較強的抽象性，需要學生有較強的抽象思維，物理知識的教授更多的是要呈現(xiàn)物理思維和物理方法，通過虛擬實驗室把抽象知識具象化，同時通過學科工具把具體的物理現(xiàn)象抽象成物理模型。本文分析了虛擬實驗室的實驗特點及教學應用模式，通過案例從教學效果上對應用模式進行驗證，并整理出適合使用虛擬實驗室的物理實驗知識點。

【關(guān)鍵詞】虛擬實驗室;實驗類型;實驗知識特點

【中圖分類號】G434? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2019）02、03-0114-04

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和應用，數(shù)字化實驗室在中學物理實驗中的應用也越來越廣泛。數(shù)字化工具把具體的物理現(xiàn)象抽象成物理模型，實現(xiàn)把物理思維和物理方法教授給學生，所以數(shù)字實驗系統(tǒng)是教育信息化發(fā)展的需要，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要方法和手段。虛擬實驗室是數(shù)字化實驗的一種，本文聚焦虛擬實驗室與教學融合，基于虛擬實驗室的特點，結(jié)合具體案例探究其在教學中的應用模式，并總結(jié)出虛擬實驗室適用的物理實驗知識點。

虛擬實驗室的實驗特點

數(shù)字實驗室系統(tǒng)是利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集數(shù)據(jù)，用計算機軟件分析實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)果的現(xiàn)代化實驗系統(tǒng)[1]。虛擬實驗室是一種比較常見的數(shù)字實驗室，它借助圖像/圖形、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機上創(chuàng)建一個可視化虛擬環(huán)境，教師或?qū)W生可以隨時進入其中操作儀器，進行各種實驗[2]。

1.虛擬實驗室的優(yōu)點

傳統(tǒng)的物理實驗教學中，更多的是借助傳統(tǒng)儀器設備進行教學，以單一的Flash動畫或?qū)嶒炓曨l為支撐。相比這幾種呈現(xiàn)形式，虛擬實驗室具有以下幾個優(yōu)勢。

（1）實驗器材：虛擬實驗室只需配備計算機，基本無折舊;無須購買實驗器材，特別是那些需要高額投資的器材。

（2）實驗條件：虛擬實驗室可以模擬各種條件的實驗，特別是理想條件下（如真空、無摩擦力）的實驗;同時可以根據(jù)課堂教學需要調(diào)整實驗時間，特別是那些反應時間較長或較短的實驗。

（3）實驗現(xiàn)象：虛擬實驗室不僅可以展示宏觀的實驗現(xiàn)象，還可以模擬傳統(tǒng)手段無法直接觀察的實驗（如電磁波的傳播），或者展示微觀世界的實驗現(xiàn)象，從而變抽象為形象，加深學生對知識的理解。

（4）安全系數(shù)：虛擬實驗室可以進行不同危險系數(shù)的實驗，特別是危險性高的實驗，如爆炸、產(chǎn)生有毒氣體的實驗等。

2.虛擬實驗室的實驗特點

從上面的分析中可以看出，虛擬實驗室除了可以實現(xiàn)真實實驗能夠?qū)崿F(xiàn)的實驗外，還可以進行真實實驗難以完成的實驗。在實際教學中，真實實驗（即用傳統(tǒng)儀器設備進行的實驗）是物理教學的主要形式，虛擬實驗室可以作為真實實驗的補充或支撐，主要用于真實實驗難以進行的實驗。這些實驗具備的特征如表1所示。

虛擬實驗室的教學應用模式

物理實驗可分為測量性實驗、驗證性實驗、探究性實驗、學習性實驗等[3]。在不同類型的實驗中，虛擬實驗室的教學應用模式會有不同。

1.測量性實驗及其應用模式

測量性實驗注重培養(yǎng)學生測量某種物理量的能力。對于一個物理量的測量可分為直接測量與間接測量。直接測量，如時間、長度、力等物理量通過使用相應的測量工具即可直接得出測量的值。間接測量，如加速度、電阻率、折射率等物理量的測量是通過一些已知物理規(guī)律進行測量的，在這種測量中，涉及一些其他物理量的測量及物理規(guī)律的運用。

虛擬實驗室應用在這一類型實驗課上的教學，主要包括以下三個階段：（1）實驗原理的剖析階段。教師一邊利用語言講解測量原理，一邊用虛擬實驗室演示測量過程。（2）學生自主學習階段。學生根據(jù)教師所講解的實驗原理，利用虛擬物理實驗室進行實驗。（3）真實實驗階段。在使用虛擬實驗的教學中，學生提出的實驗設計是可以驗證的，成為真實實驗的基礎(chǔ)。學生可以在老師的指導下，親自操作實驗設備來完成真實測量[4]。

2.驗證性實驗及其應用模式

驗證性實驗是指對已知的物理規(guī)律通過實驗加以驗證。通過進行驗證實驗可以加深對物理規(guī)律的理解，提高學生動手實驗的能力，學生可以嘗試從不同角度驗證某一規(guī)律，培養(yǎng)發(fā)散思維。這一類型的實驗課主要包括以下三個階段：（1）實驗猜想。教師根據(jù)已知的實驗原理，剖析可能產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象，并進行實驗設計。（2）真實實驗階段。教師或?qū)W生進行真實實驗，驗證實驗現(xiàn)象、實驗原理。（3）虛擬實驗階段。教師或?qū)W生利用虛擬實驗室，多角度對實驗現(xiàn)象、實驗原理進行驗證。例如，真實實驗現(xiàn)象不明顯的，可以利用虛擬實驗室進一步觀察;需要多角度觀察實驗現(xiàn)象的，可以利用虛擬實驗室進行多角度觀察;也可以利用其他實驗器材，改變實驗條件，進一步探究實驗原理。

3.探究性實驗及其應用模式

探究性實驗是一種開放性實驗，是以學生為主體，對未知物理規(guī)律的設計、操作，從而得出結(jié)論，比起以往的實驗更能鍛煉學生的研究能力。這一類型的實驗課主要包括以下五個階段：（1）提出問題。教師對學生進行引導，讓學生提出問題。（2）猜想與假設。學生猜想可能存在的實驗情況。（3）設計并實施實驗。在教師的引導下學生自主設計實驗。（4）進行實驗及數(shù)據(jù)收集。根據(jù)設計通過虛擬實驗室進行驗證性操作，并收集實驗數(shù)據(jù)。（5）分析結(jié)論并評估。在教師的引導下，學生總結(jié)實驗現(xiàn)象，概括實驗規(guī)律，并評估實驗方案。

4.學習性實驗及其應用模式

學習性實驗是讓學生掌握一種儀器的使用、學會一種實驗方法或理解一個實驗原理的一類實驗。通過這類實驗，學生可以學會實驗儀器的使用及相應的實驗方法，提高學生的基本實驗操作能力。包括以下三個階段：（1）教師演示操作。教師在虛擬實驗室中演示實驗操作步驟，讓學生都清晰地看到操作。（2）學生練習操作。學生在虛擬實驗中鞏固實驗操作步驟，并注意細節(jié)。（3）學生真實實驗。經(jīng)過前兩個階段的熟悉和鞏固，學生已具備操作真實實驗的能力，其實驗動作技能得到進一步提升。

虛擬實驗室在物理教學中的應用

根據(jù)虛擬實驗室的教學應用模式，結(jié)合虛擬實驗室的特點，以高二物理“帶電粒子在勻強磁場中的運動”為例，結(jié)合101教育PPT-虛擬實驗室，對物理現(xiàn)象抽象的驗證性實驗，在虛實結(jié)合模式教學中的應用進行了探究。

1.教學設計與實施

教學設計主要包括以下階段：實驗猜想（提出問題）、真實實驗、虛擬實驗（學科工具-帶電粒子在勻強磁場中的運動顆粒對現(xiàn)象進行呈現(xiàn)）、實驗結(jié)論、課堂練習;實驗猜想（分析粒子運動過程的動力學關(guān)系，設計帶電粒子與速度、半徑的關(guān)系的實驗）、真實實驗、實驗結(jié)論、課堂練習、虛擬實驗（利用虛擬實驗室-洛倫茲力演示儀進行課堂小結(jié)）。

2.教學效果分析

在課程結(jié)束后我們對學生進行了問卷調(diào)查，從學習興趣與態(tài)度、課堂體驗、學習效果、對虛擬實驗室的認可度等四個維度對課堂學習情況進行評價?？傮w情況是，大部分學生對虛擬實驗室在物理學習中持肯定態(tài)度，認為使用虛擬實驗室對學生的興趣、注意力、課堂參與、學習效率上都有比較好的影響，不反對使用這種教學形式。使用虛擬實驗室教學，能夠促進學生對知識的理解，能夠幫助學生掌握實驗知識，同時能夠提高學生的實驗設計能力;大部分學生對虛擬實驗室的認可度相對較高，愿意使用虛擬實驗室，并愿意將虛擬實驗用到其他學科的學習中去。

適合使用虛擬實驗室的物理實驗知識點

除了“帶電粒子在勻強磁場中的運動”外，在中學物理實驗教學中，還有許多物理實驗適合使用虛擬實驗室進行輔助教學。根據(jù)物理實驗的實驗主題、實驗類型，結(jié)合虛擬實驗室實驗知識特點，對適合使用虛擬實驗室的物理實驗知識點（以高中為例）進行了總結(jié)，如表2所示。

總結(jié)與反思

本研究針對虛擬實驗室的實驗特點，總結(jié)了虛擬實驗室在教學中的應用模式，并結(jié)合案例對物理現(xiàn)象抽象的驗證性實驗，在虛實結(jié)合模式教學中的應用進行了探究，同時對虛擬實驗室對學生學習的影響進了驗證分析，以高中為例整理出了適合使用虛擬實驗室的物理實驗知識點。在今后的研究中，還需對其他的實驗類型及應用模式進行驗證，從而更好地完善整個研究主題。

參考文獻

中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

余憲澤，趙楓.云服務環(huán)境下虛擬實驗室在中學物理教學中的應用模式構(gòu)建[J].課程教學研究，2017（9）：50.

彭夢華.中學物理實驗研究[M].北京：高等教育出版社，2016.

邢如玲.虛擬實驗在初中物理實驗教學中的應用策略研究[D].東北師范大學，2011.