基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略
——以“科學(xué)探究：凸透鏡成像”為例

福建省福州屏東中學(xué) 朱志綠

虛擬實(shí)驗(yàn)室是在計(jì)算機(jī)端創(chuàng)造一個(gè)可輔助或代替?zhèn)鹘y(tǒng)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的可視化虛擬空間，該虛擬空間可從視覺、聽覺等感官方面，高度模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)效果。胡玲等提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室在測(cè)量性、驗(yàn)證性、探究性和學(xué)習(xí)性等類型實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用模式。吳榮華和方欽華分析了虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬呈現(xiàn)功能和微觀可視化視頻的特點(diǎn)，并展開其應(yīng)用于高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究。嚴(yán)煒和楊曉梅將NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件中的初、高中物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分類，并展示了其在物理教學(xué)中的應(yīng)用。徐錢欣等對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)在初中物理中的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和教學(xué)類型進(jìn)行了分類，并通過案例具體展示了虛擬實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。李雯君分析虛擬實(shí)驗(yàn)室在初中物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的可行性，結(jié)合科學(xué)探究的七個(gè)關(guān)鍵要素，將其應(yīng)用于實(shí)際的物理教學(xué)實(shí)踐中。

目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)研究都是從實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)和教學(xué)類型等宏觀角度對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用進(jìn)行分析，而對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)室在具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施策略設(shè)計(jì)的研究較少。鑒于此，以滬科版八年級(jí)物理全一冊(cè)第四章“科學(xué)探究：凸透鏡成像”為例，結(jié)合中央電教館虛擬實(shí)驗(yàn)室服務(wù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施策略，以期為初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。

一、基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)策略設(shè)計(jì)案例

（一）教材與學(xué)情分析

1.教材分析

科學(xué)探究“凸透鏡成像規(guī)律”是本章的核心，也是學(xué)生在學(xué)習(xí)科學(xué)探究過程中的初始端倪，是“凸透鏡”知識(shí)的延伸和升華，同時(shí)又是學(xué)習(xí)“神奇的眼睛”和“凸透鏡的應(yīng)用”的理論基礎(chǔ)，在本章中起著承上啟下的重要作用。

本節(jié)課教材先是通過介紹凸透鏡在生活中的投影儀、照相機(jī)、放大鏡等中的應(yīng)用引入新課，讓學(xué)生使用凸透鏡觀察不同距離物體的成像情況，提出“凸透鏡成像有何規(guī)律”的問題，促使學(xué)生思考并猜想“物、鏡之間的距離是否就是影響凸透鏡成像的主要因素？”針對(duì)實(shí)驗(yàn)猜想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制定計(jì)劃，根據(jù)計(jì)劃完成實(shí)驗(yàn)并對(duì)收集的證據(jù)進(jìn)行分析與論證，最終得出結(jié)論。探究過程中需要注重輔助學(xué)生自主探究，這樣才能促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的記憶，增進(jìn)學(xué)生對(duì)于凸透鏡成像規(guī)律的理解和應(yīng)用。教材探究過程充分實(shí)現(xiàn)了物理新課標(biāo)中“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課程理念。

2.學(xué)情分析

本節(jié)課前，學(xué)生知道了如何區(qū)分實(shí)像與虛像，認(rèn)識(shí)了凸透鏡的結(jié)構(gòu)特征，知道它對(duì)光具有會(huì)聚作用，學(xué)會(huì)了利用平行光聚焦法測(cè)量凸透鏡的焦距，但并不了解凸透鏡成像有何規(guī)律。凸透鏡成像性質(zhì)變化多樣，學(xué)生會(huì)因此倍感興趣。已有的知識(shí)儲(chǔ)備能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)凸透鏡成像規(guī)律的認(rèn)識(shí)，但部分學(xué)生對(duì)如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究凸透鏡成像規(guī)律會(huì)感到困難。

（二）“科學(xué)探究：凸透鏡成像”教學(xué)策略設(shè)計(jì)

1.課前預(yù)習(xí)實(shí)施策略

“科學(xué)探究：凸透鏡成像”是探究型實(shí)驗(yàn)，對(duì)初中生來說，此類型實(shí)驗(yàn)難度較大。教師在授課過程中往往是指導(dǎo)學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)案努力做對(duì)實(shí)驗(yàn)，而不是讓學(xué)生設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案和進(jìn)行自主探究，最終導(dǎo)致學(xué)生只能死記硬背地“記住”凸透鏡成像的規(guī)律，而不能靈活運(yùn)用。為了提升學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和自主探究的能力，筆者設(shè)計(jì)了虛擬實(shí)驗(yàn)室在課前預(yù)習(xí)的實(shí)施策略，如圖1所示。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)在課前預(yù)習(xí)中的實(shí)施策略

教師通過中央電化教育館虛擬實(shí)驗(yàn)室服務(wù)系統(tǒng)的“創(chuàng)編系統(tǒng)”功能，可以創(chuàng)設(shè)一個(gè)沉浸式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間。教師在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間中可以從用品欄中調(diào)用實(shí)驗(yàn)所需的器材資源，并在步驟選項(xiàng)中編輯了解實(shí)驗(yàn)原理、認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)器材及作用、理解物距和像距概念、實(shí)驗(yàn)猜想、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等預(yù)習(xí)任務(wù)，如表1所示。教師可將實(shí)驗(yàn)資源和預(yù)習(xí)任務(wù)發(fā)布并推送給學(xué)生，學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)或手機(jī)端開展實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，通過實(shí)驗(yàn)任務(wù)引導(dǎo)完成預(yù)習(xí)任務(wù)，并初步完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，嘗試進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作。教師可以對(duì)學(xué)生完成預(yù)習(xí)后生成的反饋報(bào)告進(jìn)行學(xué)情分析，并及時(shí)調(diào)整備課方案。

表1 虛擬實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)任務(wù)單

2.課中授課實(shí)施策略

從筆者的教學(xué)經(jīng)歷來看，在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過程中，蠟燭的燭焰通過凸透鏡后在光屏上所承接的像可能會(huì)出現(xiàn)不明顯、不穩(wěn)定等現(xiàn)象，點(diǎn)燃的蠟燭在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)也會(huì)存在安全隱患。教師可以采取如圖2所示的虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)施策略來解決此類問題。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)在授課中的實(shí)施策略

在授課時(shí)，教師讓學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，同組學(xué)生通過交流討論，分析各成員在預(yù)習(xí)任務(wù)中已設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的可行性，優(yōu)化并形成統(tǒng)一的小組實(shí)驗(yàn)方案。教師通過對(duì)各小組虛擬實(shí)驗(yàn)情境的設(shè)置，讓各小組調(diào)用不同焦距的凸透鏡進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，并完成對(duì)所收集數(shù)據(jù)的分析與論證。完成虛擬實(shí)驗(yàn)后，教師可以把課堂交給學(xué)生，讓學(xué)生自我展示獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和總結(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，分析使用不同焦距的凸透鏡得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否一致，從而得到一個(gè)具有普遍性的凸透鏡成像規(guī)律。教師可針對(duì)學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行答疑講解，并通過虛擬實(shí)驗(yàn)室服務(wù)系統(tǒng)中的“實(shí)驗(yàn)測(cè)試”功能，現(xiàn)場(chǎng)將已編輯好的實(shí)驗(yàn)測(cè)試推送給學(xué)生完成。該功能中的AI測(cè)試助教將會(huì)對(duì)學(xué)生的操作過程和實(shí)驗(yàn)記錄進(jìn)行自動(dòng)批改和解析，并再次生成新的測(cè)試題推送給未過關(guān)學(xué)生重新測(cè)試，待組內(nèi)同學(xué)全部測(cè)試過關(guān)后，方可讓該組學(xué)生進(jìn)入真實(shí)分組實(shí)驗(yàn)。

3.課后復(fù)習(xí)實(shí)施策略

課堂虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合教學(xué)后，部分同學(xué)可能出現(xiàn)對(duì)課堂上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記憶不深刻或?qū)?shí)驗(yàn)操作步驟不熟練等現(xiàn)象，教師可通過如圖3所示的實(shí)施策略指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課后復(fù)習(xí)。

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)在課后復(fù)習(xí)中的實(shí)施策略

教師可以在“實(shí)驗(yàn)測(cè)試”功能設(shè)置虛擬考核情境，發(fā)布并推送虛擬實(shí)驗(yàn)課后練習(xí)。AI測(cè)試助教會(huì)生成學(xué)生課后練習(xí)的反饋報(bào)告，并對(duì)學(xué)生練習(xí)情況進(jìn)行分析，針對(duì)不同學(xué)情的同學(xué)再次發(fā)送個(gè)性化習(xí)題資源，對(duì)優(yōu)生進(jìn)行提高性訓(xùn)練，對(duì)差生進(jìn)行基礎(chǔ)鞏固學(xué)習(xí)，使絕大部分同學(xué)都能熟練掌握探究凸透鏡成像的實(shí)驗(yàn)過程和規(guī)律。

（三）教學(xué)效果分析

為了探究實(shí)施基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)策略對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響，分別對(duì)筆者任教的實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班進(jìn)行前、后測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)前檢測(cè)成績(jī)的差異分析

在對(duì)比實(shí)驗(yàn)開展前，利用第三章適應(yīng)性訓(xùn)練試卷作為檢測(cè)工具，讓實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班開展實(shí)驗(yàn)前檢測(cè)，并對(duì)前測(cè)成績(jī)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析，分析結(jié)果如表2所示。從平均分來看，實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班前測(cè)的平均分差別較小，兩個(gè)班前測(cè)成績(jī)差異不顯著（t=-0.073，p=0.942＞0.05），即說明在對(duì)比實(shí)驗(yàn)開展之前，兩個(gè)班學(xué)生的物理學(xué)習(xí)基礎(chǔ)是相當(dāng)?shù)摹?/p>

表2 實(shí)驗(yàn)前檢測(cè)成績(jī)差異分析表

2.實(shí)驗(yàn)后檢測(cè)成績(jī)的差異分析

筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)班采取基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)策略，對(duì)照班采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，并在完成教學(xué)的當(dāng)天，對(duì)兩個(gè)班進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容為“科學(xué)探究：凸透鏡成像”的相關(guān)知識(shí)。對(duì)成績(jī)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析，分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，對(duì)照班的平均分明顯低于實(shí)驗(yàn)班的平均分，兩個(gè)班后測(cè)成績(jī)差異顯著（t=2.510，p=0.014＜0.05），說明采取基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)策略能夠較為有效地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

表3 實(shí)驗(yàn)后檢測(cè)成績(jī)差異分析表

二、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本文結(jié)合中央電教館虛擬實(shí)驗(yàn)室，并以“科學(xué)探究：凸透鏡成像”教學(xué)為例，通過引入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)情境的創(chuàng)設(shè)，從課前預(yù)習(xí)、課中授課和課后復(fù)習(xí)三個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施策略。采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)對(duì)筆者所任教的實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班進(jìn)行后測(cè)成績(jī)差異對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班前測(cè)成績(jī)相當(dāng)?shù)那疤嵯?，采取基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)策略的實(shí)驗(yàn)班后測(cè)平均分明顯高于對(duì)照班，且存在顯著差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采取基于虛擬實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)策略不僅能使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、現(xiàn)象與條件直觀呈現(xiàn)在學(xué)生面前，還能增進(jìn)學(xué)生對(duì)于凸透鏡成像規(guī)律的理解和應(yīng)用，有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。