央館虛擬實驗輔助高中物理教學(xué)的創(chuàng)新實踐

福建省寧德市高級中學(xué) 丁友雪

2019 年教育部發(fā)布《關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》，指出：“各地各校要豐富實驗教學(xué)實施形式，綜合運用觀察、觀測、模擬、體驗、設(shè)計、編程、制作、加工、飼養(yǎng)、種植、參觀、調(diào)查等多種方式，促進傳統(tǒng)實驗教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機融合，切實增強實驗教學(xué)的趣味性和吸引力，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效果。對于因受時空限制而在現(xiàn)實世界中無法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環(huán)境有危害的實驗，可用增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段呈現(xiàn)?！薄肮膭钣袟l件的地方和學(xué)校，積極利用信息技術(shù)手段開展實驗教學(xué)管理，探索通過購買服務(wù)方式開展特色實驗教學(xué)或?qū)嵺`活動?！?/p>

虛擬實驗是借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實（又稱VR）等技術(shù)在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實驗者通過人機交互的方式操作實驗，進行各種實驗項目，所獲得的實驗效果與真實的實驗環(huán)境中獲得的實驗效果相比，一致甚至更優(yōu)。

一、中央電化教育館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)介紹

央館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)上的資源類型有視頻類、交互課件類和仿真測試類。涵蓋的學(xué)科有初、高中學(xué)段的物理、化學(xué)、生物以及小學(xué)學(xué)段的科學(xué)，并且?guī)缀醺采w了所有國內(nèi)主流教材版本。目前已有資源共計4862項，可以直接使用已有資源，也可以在已有資源的基礎(chǔ)上進行自主編輯創(chuàng)作，還可以在平臺上給學(xué)生統(tǒng)一分發(fā)實驗練習(xí)和實驗測試任務(wù)。央館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)整體模塊構(gòu)成如表1 所示。

表1 央館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)整體模塊構(gòu)成

其中，物理學(xué)科目前已有資源共計1804 項，基本上初、高中各學(xué)段、各版本教材的每節(jié)新課下都有相應(yīng)的資源，分布概況如表2 所示。

表2 央館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)平臺物理學(xué)科資源分布概況

二、央館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)平臺輔助高中物理教學(xué)的應(yīng)用實踐

（一）利用虛擬實驗輔助演示實驗

在教學(xué)過程中，進行演示實驗時往往會碰到這樣的問題：有時候多個教師同一時間上同一節(jié)課，實驗室器材不足，導(dǎo)致一些演示實驗只能口頭講授或者圖片展示；一些演示器材形狀較小，如電動機小模型、游標(biāo)卡尺的讀數(shù)教學(xué)、液體的毛細(xì)現(xiàn)象等，雖然這些實驗簡單易行，但由于其體型太小，學(xué)生很難觀察清楚，演示效果不好；部分演示實驗，比如觀察桌面的微小形變、靜電實驗、光的色散與偏振等，現(xiàn)象不夠明顯，學(xué)生體驗不深刻；而一些電磁學(xué)的實驗中，由于真實實驗無法展示電場線、磁感線這些肉眼無法觀察到的現(xiàn)象，對學(xué)生理解知識造成一定的阻礙。虛擬實驗?zāi)軌蛱峁┏渥愕膶嶒炂鞑摹⒈普娴奈锢韺嶒炃榫?，可視性強、操作簡單，上述這些實驗完全可以利用虛擬實驗來輔助完成。

例如，在人教版高中物理選擇性必修二第一章第3節(jié)“帶電粒子在勻強磁場中的運動”一課中，需要用洛倫茲力演示儀，讓學(xué)生觀察粒子在勻強磁場中的運動軌跡。圖1 和圖2 分別展示了真實實驗裝置與央館系統(tǒng)上的虛擬實驗裝置。真實的實驗裝置老舊且笨重，磁場分布不可見。虛擬實驗裝置完全模擬真實實驗裝置，同時又補足了其短板，實驗效果明顯，磁場清晰可見。首先，虛擬實驗裝置可以在白板大屏上展示，可以放大到每個細(xì)節(jié)，全體學(xué)生都可以清晰地觀察到實驗過程；其次，它可以360 度展示，學(xué)生可以從不同的角度去觀察，彌補了空間想象能力的不足，增加了立體感知；最后，它還可以顯示勵磁電流的方向，顯示磁感線的分布，讓抽象變得具象。課堂上教師先演示真實實驗，再回到虛擬系統(tǒng)將磁感線展示出來，讓學(xué)生結(jié)合左手定則去判斷粒子的軌跡及旋轉(zhuǎn)方向，虛實結(jié)合，大大提升了實驗的教學(xué)效果。

圖1 洛倫茲力演示儀真實實驗裝置

圖2 洛倫茲力演示儀虛擬實驗裝置

（二）利用虛擬實驗輔助學(xué)生分組實驗

1.利用虛擬實驗輔助學(xué)校不具備條件開展的學(xué)生實驗

高中物理實驗中有一些學(xué)生實驗，學(xué)校并不具備實驗條件。比如氣墊導(dǎo)軌驗證動量守恒、楊氏雙縫干涉實驗，由于實驗儀器體積大又昂貴，學(xué)校購買的數(shù)量不足以開展學(xué)生實驗；像微觀運動的實驗則無法用實物完成；油膜法測分子的大小實驗，操作復(fù)雜、操作時間久、誤差大，在實際教學(xué)中基本沒有安排學(xué)生操作。而虛擬實驗就可以解決這些痛點。

例如，在人教版高中物理選擇性必修三第一章第一節(jié)“分子動理論的基本內(nèi)容”中，教師需要給學(xué)生講解布朗運動。這是一個微觀運動，它反映了物體的分子在不停地做無規(guī)則運動。要得到這個結(jié)論，需要利用高倍顯微鏡觀察并追蹤墨水中小碳粒的運動軌跡。圖3 為央館平臺上的“利用顯微鏡觀察微粒運動”的虛擬實驗。對此，可以創(chuàng)設(shè)這樣的學(xué)習(xí)情境：先讓學(xué)生觀看平臺上的實拍視頻，觀察小碳粒的運動，再由教師課堂上演示3D 實驗的操作步驟，最后讓學(xué)生動手操作3D 實驗。通過這一系列的操作，不僅將微觀的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成了直觀的、可視的、動態(tài)的，而且學(xué)生還能通過動手操作感受實驗帶來的直觀體驗，有利于建立感性認(rèn)識。除此之外，由于虛擬實驗不存在真實實驗中調(diào)試設(shè)備的問題，故而省去了許多不必要的實驗步驟，使得實驗操作簡單、便捷，而且實驗過程中的誤差明顯減小，提高了實驗的可信度。

圖3 利用顯微鏡觀察微粒運動

2.利用虛擬實驗輔助學(xué)生必做實驗的練習(xí)

真實實驗所使用的實驗儀器，隨著使用次數(shù)的增加，儀器的磨損率變大，特別是在電學(xué)實驗中，常常出現(xiàn)導(dǎo)線斷了、電表不動、燈泡燒了等情況。實驗過程中教師和學(xué)生常常疲于檢查修補儀器，嚴(yán)重影響了實驗的效率和學(xué)生的積極性。利用虛擬實驗輔助，可以將教師、學(xué)生從修補儀器中解脫出來。利用平臺上提供的3D 實驗演示視頻，可以大大縮短教師講解實驗的時間，從而增加了學(xué)生動手操作的時間。學(xué)生實驗過程中，系統(tǒng)會對錯誤操作進行提示，學(xué)生可以重新設(shè)置，不必?fù)?dān)心儀器損壞，故而敢于放心大膽地試錯。另外，傳統(tǒng)實驗課中，一個教師要面向一個班的學(xué)生教學(xué)，教師很難關(guān)注到每個學(xué)生的每個實驗操作步驟是否規(guī)范、正確。而虛擬實驗中設(shè)計了AI 智能助教，在學(xué)生自主練習(xí)時，能夠在線實時進行實驗步驟指導(dǎo)、知識講解、錯誤提醒、糾正錯誤等，解決了專業(yè)實驗課師資匱乏的問題。教師還可以通過平臺統(tǒng)一分發(fā)實驗練習(xí)，平臺通過大數(shù)據(jù)技術(shù)采集學(xué)生的數(shù)據(jù)，明確實驗過程中的難點、易錯點等，幫助教師輕松準(zhǔn)確地掌握班級全體和學(xué)生個體的實驗知識掌握情況。傳統(tǒng)實驗只能在實驗室進行，而虛擬實驗則可以突破時空限制，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)和自測，從而達(dá)到熟悉實驗步驟，提高自身臨場實操水平的目的。

例如，在“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”的實驗課中，教師在引導(dǎo)學(xué)生進行實驗?zāi)康?、原理、器材、步驟等知識講解之后，可安排VR 實驗練習(xí)。圖4 為VR 練習(xí)模式的場景。首先，教師示范操作VR 設(shè)備，白板大屏直播實時呈現(xiàn)；然后將學(xué)生分組，每組1 到2 個學(xué)生進行操作，其他學(xué)生通過外接顯示器觀看操作并對正確操作和錯誤操作進行記錄；最后小組討論操作中錯誤的點，并歸納出正確操作的要點。在借助VR 虛擬實驗實現(xiàn)針對性指導(dǎo)和幫助之后，再安排學(xué)生操作實物實驗，這樣學(xué)生的熟練程度會提高，實驗過程中出錯率會減少，實驗流程更加清晰，實驗效率得到提高，從而有效地發(fā)展了學(xué)生實驗素養(yǎng)。

圖4 探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律

（三）利用虛擬實驗進行實驗操作測試

在傳統(tǒng)的實驗操作考試中，通常一個教師要監(jiān)考十幾個學(xué)生，難以關(guān)注到學(xué)生的實驗操作過程，考試評價就是基于學(xué)生最終的實驗結(jié)果來給定。在普通高中實驗操作合格性測試中，引入VR 測試模式，測試過程可以細(xì)化到對學(xué)生每個操作步驟是否規(guī)范進行給分，進而讓實驗由模糊的評價走入量化的評價。由于評價標(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)一的，也體現(xiàn)了公平性，還可以解決學(xué)生在實驗操作考試過程中出現(xiàn)的作弊、蒙混過關(guān)等現(xiàn)象。

（四）利用虛擬實驗開展校本課程、研究性課題

當(dāng)前高中物理實驗課堂中，學(xué)生動手操作機會少，教師指導(dǎo)不夠。教師通過開發(fā)虛擬實驗校本課程，將實驗課延伸到第二課堂。學(xué)生通過在校本課上操作3D、VR仿真實驗練習(xí)，增加了動手實踐的機會，加強了對實驗規(guī)范操作的體驗，提高了動手能力和實驗技能。傳統(tǒng)實驗教學(xué)由教師主導(dǎo)，器材、步驟都是限定好的，不利于學(xué)生知識的自主構(gòu)建。教師可以借助央館虛擬實驗平臺的實驗創(chuàng)編功能開展研究性課題，布置一些教材延伸內(nèi)容，供學(xué)生思考。學(xué)生利用創(chuàng)編系統(tǒng)中的3D 實驗器材庫，自主設(shè)計新的實驗方案，并在平臺上試錯糾錯、探索未知、發(fā)展創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。

虛擬實驗對高中物理實驗教學(xué)的輔助作用是顯著的，但同時虛擬實驗也存在很多局限性。由于沒有實物操作，學(xué)生無法獲得對實物的感性認(rèn)識，對元器件性能及參數(shù)的了解感觸不夠深刻；另外，虛擬實驗在培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力和對實物誤差的分析能力方面也是一個弱項。所以虛擬實驗不能代替真實實驗，在實驗教學(xué)過程中只是起到輔助的作用。在教學(xué)過程中，應(yīng)遵循虛實結(jié)合、能實不虛、以虛促實的原則，運用好虛擬實驗這個工具，讓它更好地為實驗教學(xué)服務(wù)。