虛擬現(xiàn)實技術(shù)在中職物理電學(xué)實驗中的應(yīng)用研究

摘 要 當(dāng)前，在中職物理課堂中，物理學(xué)科素養(yǎng)和綜合實踐能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為一個熱門話題。文章以中職物理電學(xué)實驗中的“楞次定律”為例，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，從課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)設(shè)計了本次物理電學(xué)實驗教學(xué)。采用對照法，對實驗班和對照班的前后測試結(jié)果進行了差異化分析。結(jié)果表明，在實驗班和對照班兩班前測成績相當(dāng)?shù)那闆r下，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助教學(xué)的實驗班后測平均分明顯高于對照班的后測平均分，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

關(guān)鍵詞 中職物理；電學(xué)；實驗；虛擬現(xiàn)實；楞次定律

中圖分類號：G712 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.08.004

Research on the Application of Virtual Reality Technology in Secondary

Vocational School Physics Electrical Experiments

ZHU Zhongfei

（Shangyu Technical School， Shaoxing， Zhejiang 312300）

Abstract Currently， the cultivation of physics literacy and comprehensive practical ability has become a hot topic in vocational physics classrooms. The article takes the \"Lenz's Law\" in vocational physics and electrical experiments as an example， and based on virtual reality technology， designs the teaching of this physics and electrical experiment from three aspects： pre class， in class， and post class. Differential analysis was conducted on the pre-test and post-test results between the experimental group and the control group using a comparative method. The results showed that in the case where the pre-test scores of the experimental class and the control class were comparable， the average post test score of the experimental class using virtual reality technology assisted teaching was significantly higher than that of the control class， and the difference was statistically significant.

Keywords secondary vocational school physics; electrical studies; experiments; virtual reality; Lenz's Law

虛擬現(xiàn)實技術(shù)憑借其獨特的沉浸式體驗、高度的交互性和生動的可視化展示等特點，為物理教學(xué)領(lǐng)域開辟了新的可能性。特別是在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)教學(xué)方法常常遭遇一些難以克服的難題，如實驗室資源匱乏、實驗現(xiàn)象的微觀和抽象性，以及實驗操作流程的復(fù)雜性等，這些問題都可能對學(xué)生理解物理知識和提升實驗技能造成障礙。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入，為解決這些傳統(tǒng)教學(xué)難題提供了新的途徑。通過創(chuàng)建一個虛擬的實驗環(huán)境，模擬出各種所需的實驗條件和場景，以一種逼真的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，讓他們在虛擬的實驗情境中進行學(xué)習(xí)。學(xué)生能夠清晰地觀察到實驗的每一個細節(jié)和操作步驟，實時地看到實驗過程中各種物理量的變化，從而將原本抽象的物理概念轉(zhuǎn)化為直觀的視覺和觸覺體驗。這種教學(xué)方式極大地促進了學(xué)生在實驗過程中的理解力，幫助他們更好地掌握實驗原理和操作技巧?；谶@樣的認(rèn)識，本文將以“楞次定律”為例，探討如何結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)來設(shè)計中職物理電學(xué)實驗，旨在為中等職業(yè)學(xué)校的物理實驗教學(xué)提供一種新的視角和實踐參考。

1" 教材與學(xué)情分析

1.1" 教材分析

楞次定律是中職物理電磁板塊的核心內(nèi)容，不僅是對磁場、電磁感應(yīng)等知識的深化與拓展，也有利于學(xué)生更好地理解后續(xù)知識。教材以實驗引出楞次定律的原理，讓學(xué)生通過實驗現(xiàn)象掌握感應(yīng)電流和磁通量的關(guān)系。在實驗教學(xué)中，教師應(yīng)重點注重對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，如改變控制變量、觀察實驗現(xiàn)象和記錄，使學(xué)生理解“楞次定律”的理論基礎(chǔ)，在實踐中體驗科學(xué)探究的過程，培養(yǎng)其邏輯思維和解決問題的能力。

1.2" 學(xué)情分析

在本節(jié)課前，學(xué)生已經(jīng)對電路、電流、磁場等基本的電學(xué)概念有了一定程度的了解，具備了初步的電學(xué)知識基礎(chǔ)。然而，電磁感應(yīng)現(xiàn)象相對抽象，中職學(xué)生的思維發(fā)展水平和抽象思維能力還沒有完全成熟，在理解楞次定律和實驗操作時可能存在一定的困難。在教學(xué)過程中，教師需要充分考慮學(xué)生的學(xué)情特點，采取直觀、生動、具有啟發(fā)性的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣，幫助其克服學(xué)習(xí)過程中遇到的困難，提升其學(xué)習(xí)效果。

2" 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的“楞次定律”實驗教學(xué)設(shè)計

教學(xué)策略的整體規(guī)劃涵蓋三個階段：課前準(zhǔn)備、課堂講授、課后復(fù)習(xí)。在課前準(zhǔn)備階段，教師構(gòu)建虛擬實驗教學(xué)環(huán)境，學(xué)生通過計算機或移動設(shè)備進行預(yù)習(xí)，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供反饋報告，教師隨后據(jù)此調(diào)整教學(xué)計劃。課堂講授階段，教師展示實際應(yīng)用場景以引入課題，學(xué)生回顧預(yù)習(xí)內(nèi)容并思考，隨后分組進入虛擬實驗環(huán)境進行操作。課后復(fù)習(xí)階段包括教師發(fā)布虛擬作業(yè)、學(xué)生完成作業(yè)并就遇到的問題向AI助教咨詢、系統(tǒng)生成反饋報告，最后教師依據(jù)反饋提供個性化習(xí)題和資源。

2.1" 課前預(yù)習(xí)

楞次定律實驗難度較大，充分的預(yù)習(xí)能夠使學(xué)生對楞次定律的基本概念、實驗原理和操作步驟有初步的理解，增強學(xué)生的自信心，使其積極參與課堂教學(xué)。

為了提升學(xué)生的預(yù)習(xí)質(zhì)量，教師可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，創(chuàng)建虛擬的實驗教學(xué)空間，并在虛擬教學(xué)空間調(diào)用本次實驗所需的器材，在步驟選項位置編輯預(yù)習(xí)任務(wù)。學(xué)生利用計算機或手機可以自行進行預(yù)習(xí)，在虛擬空間完成預(yù)習(xí)任務(wù)，如了解實驗原理、認(rèn)識實驗器材、理解磁通量和感應(yīng)電流、進行實驗猜想等，初步嘗試實驗操作，觀察楞次定律的現(xiàn)象，提前熟悉實驗流程和步驟，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升其自主探究能力，進而為后續(xù)課堂學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。學(xué)生完成預(yù)習(xí)任務(wù)后，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)過程生成反饋報告，分析學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，教師按照分析結(jié)果調(diào)整備課方案，以確保授課內(nèi)容符合大部分學(xué)生的學(xué)情，使其更好地參與課堂教學(xué)。

2.2" 課中授課

在授課環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的導(dǎo)入模式為教師通過黑板繪制示意圖或口頭講解，介紹楞次定律的相關(guān)應(yīng)用場景。通過課堂提問，引導(dǎo)學(xué)生說出其對楞次定律的理解和認(rèn)識，進而引出本次課的重點。在實驗探究階段，學(xué)生分組進行傳統(tǒng)的實驗操作，使用實驗器材，如線圈、磁鐵、電流表等，按照實驗步驟進行操作和記錄。然而，由于實驗器材的局限性和操作的復(fù)雜性，學(xué)生可能無法實現(xiàn)預(yù)期的實驗效果，對結(jié)果的認(rèn)知和理解不夠深入。同時，在實驗過程中，學(xué)生主要依靠教師的指導(dǎo)和自身的觀察進行操作和記錄，小組之間的交流較少，團隊合作能力無法得到鍛煉。在實驗結(jié)束后，教師會通過提問的形式，讓學(xué)生描述實驗現(xiàn)象和匯報數(shù)據(jù)，并在黑板上板書記錄，通過分析有限的數(shù)據(jù)總結(jié)楞次定律，但由于課程內(nèi)容抽象，學(xué)生理解困難，授課效果不理想。

為了提升課中授課質(zhì)量，教師可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，向?qū)W生展示與“楞次定律”相關(guān)的實際應(yīng)用場景，如電磁阻尼現(xiàn)象、變壓器的工作原理等，激發(fā)學(xué)生的興趣，引出此次實驗的課題，而后引導(dǎo)學(xué)生回顧課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的實驗操作流程，并提出“虛擬實驗過程中，磁鐵運動方式發(fā)生改變時，感應(yīng)電流的方向和大小是如何變化的？可能的原因是什么？”進而讓學(xué)生思考感應(yīng)電流方向可能受到的影響。學(xué)生帶著問題分組進入虛擬實驗環(huán)境，使用參數(shù)不同的實驗器材進行操作，并觀察感應(yīng)電流和磁通量的變化關(guān)系。教師會在關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置提示，輔助學(xué)生完成實驗操作，如改變線圈匝數(shù)、磁鐵的磁場強度等，引導(dǎo)學(xué)生思考影響因素。學(xué)生在虛擬環(huán)境中與組內(nèi)同學(xué)共享實驗數(shù)據(jù)，通過討論分析，確定最佳的數(shù)據(jù)并展示。教師將不同小組的數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維模型，展示磁場的分布變化，將抽象的規(guī)律以直觀的形式展示出來，幫助學(xué)生更好地理解磁通量、磁通量和感應(yīng)電流的關(guān)系，理解“阻礙”的含義，進而推理能量守恒轉(zhuǎn)化，總結(jié)楞次定律。

2.3" 課后復(fù)習(xí)

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，課后教師通常會布置書面作業(yè)，如習(xí)題、總結(jié)等，內(nèi)容較為單一，主要側(cè)重于對課堂知識的記憶或公式的運用。學(xué)生在完成作業(yè)的過程中，遇到問題時主要通過翻閱教材、筆記或請教同學(xué)等方式解決。在遇到難度較大的問題時，學(xué)生可能無法及時得到解答，容易積累知識盲點。批改作業(yè)時，教師會總結(jié)作業(yè)中存在的問題并統(tǒng)一講解，但是學(xué)生個體學(xué)情不同，可能無法完全理解解答的內(nèi)容，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不均衡。

為了鞏固課中授課的效果，教師可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬考核情境，發(fā)布針對本次實驗的虛擬作業(yè)，包括實驗步驟回顧、數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)象解釋等多種題型，全面考查學(xué)生對楞次定律的掌握情況，如要求學(xué)生在虛擬環(huán)境中再次進行實驗，記錄不同實驗條件下的電流方向和大小，解釋其與磁通量變化的關(guān)系，增強學(xué)生的實踐能力，幫助學(xué)生理解楞次定律的內(nèi)容。在學(xué)生完成作業(yè)時，如果遇到問題，可以向AI助教提問，AI助教可以為學(xué)生提供指導(dǎo)和提示，幫助學(xué)生解決遇到的問題，深入理解課程內(nèi)容。例如，當(dāng)學(xué)生對感應(yīng)電流的方向判斷存在疑問時，AI助教可以引導(dǎo)學(xué)生回顧實驗原理，分析相關(guān)的物理量變化情況，減少其在學(xué)習(xí)過程中可能遇到的挫折感。學(xué)生完成作業(yè)后，系統(tǒng)自動生成反饋報告，分析學(xué)生的知識掌握情況，指出學(xué)生在知識理解和實驗方面存在的問題。教師根據(jù)反饋報告的內(nèi)容，針對不同學(xué)情的學(xué)生，推送符合其學(xué)習(xí)能力的習(xí)題和資源，如針對基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生推送基礎(chǔ)知識的習(xí)題和資料；對于已熟練掌握知識的學(xué)生，推送拓展習(xí)題和資料，以差異化教學(xué)，幫助其在適合的學(xué)習(xí)路上不斷進步。

3" 教學(xué)效果分析

3.1" 實驗前檢測成績的差異分析

在進行實驗前，對實驗班和對照班進行對比實驗前的測試，對前測成績平均分進行獨立樣本分析。實驗班42人，平均分61.867分，標(biāo)準(zhǔn)差19.245；對照班44人，平均分61.558分，標(biāo)準(zhǔn)差17.917；值為-0.075，值為0.942。按照測試結(jié)果，實驗班和對照班的平均分相當(dāng)，差異小，在進行實驗前，兩班的基礎(chǔ)相當(dāng)，具有可比性。

3.2" 實驗后檢測成績的差異分析

在實驗班利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛擬的教學(xué)情境，在對照班通過傳統(tǒng)教學(xué)模式進行教學(xué)，在此次實驗完成后，對實驗班和對照班進行后測測試，測試內(nèi)容為此次實驗的內(nèi)容。對后測成績進行樣本分析。實驗班42人，平均分70.429分，標(biāo)準(zhǔn)差16.057；對照班44人，平均分60.955分，標(biāo)準(zhǔn)差18.77；值為2.511，值為0.012。實驗結(jié)果表明，實驗班的后測平均分明顯高于對照班，差異明顯，說明此次實驗中虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助的方式，有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

4" 結(jié)語

本文選取了中等職業(yè)學(xué)校物理課程中的一個電學(xué)實驗——“楞次定律”作為研究對象，深入探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用。特別關(guān)注如何將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，包括課前的準(zhǔn)備、課中的實際操作以及課后的復(fù)習(xí)鞏固階段。通過設(shè)計虛擬實驗情境，學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中模擬實驗過程，不僅增強了他們的學(xué)習(xí)興趣，也提高了其實驗操作的熟練度。

為了驗證虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助教學(xué)的有效性，同步進行了實驗前后測成績的對比分析。實驗開始前，兩個班級的學(xué)生在相關(guān)知識的掌握程度上是相當(dāng)?shù)?，沒有顯著差異。在實驗結(jié)束后，實驗班的學(xué)生在后測中的平均成績顯著高于對照班的學(xué)生。這一結(jié)果表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用對于學(xué)生掌握課程內(nèi)容、提升學(xué)習(xí)效果以及增強實踐能力具有積極的影響。通過這種創(chuàng)新的教學(xué)方式，學(xué)生能夠更加直觀地理解物理概念，加深對實驗原理的認(rèn)識，從而在學(xué)習(xí)和實踐方面取得更好的成績。

此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入還促進了學(xué)生之間的互動與合作。在虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)生可以共同參與實驗，相互討論，共同解決問題，不僅提高了他們的團隊協(xié)作能力，也激發(fā)了他們對物理學(xué)科深入探索的興趣。實驗班的學(xué)生普遍反映，虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助的學(xué)習(xí)體驗更加生動有趣，有助于他們更好地記憶和理解復(fù)雜的物理概念。因此，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于中職物理電學(xué)實驗教學(xué)，不僅能夠提高教學(xué)效率，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，是一種值得推廣的教學(xué)模式。

參考文獻

[1] 閆澤文，謝嘉成，李素華，等.基于虛擬現(xiàn)實與數(shù)字孿生技術(shù)的綜采工作面直線度求解[J].工礦自動化，2023（2）：31-37.

[2] 余越凡，周曉云.基于VR技術(shù)的太空授課虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2022（8）：123-127.

[3] 沈陽，紀(jì)海林，葉心怡，等.虛擬現(xiàn)實沉浸式學(xué)習(xí)中的人機交互技術(shù)研究——以K12物理實驗教學(xué)為例[J].電化教育研究，2023（10）：87-94.

[4] 呂博.虛實融合的實驗教學(xué)對中小學(xué)物理科學(xué)教育的影響——基于2007～2022年的元分析[J].教育進展，2023（7）：4985-4995.

[5] 雷新乾.VR技術(shù)在初中物理實驗中應(yīng)用的可行性分析[J].互動軟件，2022（3）：457-459.