虚拟实验室在中学物理教学中的应用——以《带电粒子在匀强磁场的运动》为例

胡 玲吴荣华蔡秀锋彭 靖

（1.福建省华渔教育科技有限公司，福建 福州350000；2.福建师范大学 教育学院，福建 福州350000）

实验教学是物理教学的重要组成部分，物理实验教学不仅可以让学生获得物理知识，也能培养学生科学素养。随着信息技术的发展和应用，数字化实验室在中学实验中的应用也越来越广泛。数字实验系统是教育信息化发展的需要，更是学生创新能力培养的重要方法和手段。《物理课程标准》指出，“学校要重视引导教师研究数字实验系统对传统实验的改进方法，研究数字实验系统的教学方式，促进教学手段与方式的现代化”。然而，在实际教学中，如何促进数字化实验室与教学融合，仍是一个亟待解决的问题。聚焦数字化实验室与教学融合，基于数字化实验室的特点，结合具体案例探究其在教学中的应用模式，并总结出适用的中学物理实验。

一、虚拟实验室的应用模式

《物理课程标准》指出，数字实验室系统是利用传感器、数据采集器等收集数据，用计算机软件分析实验数据、得出实验结果的现代化实验系统。虚拟实验室是一种比较常见的数字实验室，它借助图像/图形、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上创建一个可视化虚拟环境，教师或学生可以随时进入其中操作仪器，进行各种实验[1]。

物理实验教学主要借助传统仪器设备进行教学，以Flash动画或实验视频为支撑。与这几种形式相比，虚拟实验室具有实验器材无折旧、无实验条件限制、可展示宏观和微观的实验现象、可进行危险实验等优点。因此，虚拟实验室与其他教学形式相比，比较适合用于理想的实验条件实验（如匀速直线运动过程）、实验现象过快或过慢的实验（如打点计时器测速度）、危险实验（如爆炸）、物理现象抽象或不可见的实验（如电磁场）等。

在物理实验教学中，物理实验主要分为测量性实验、验证性实验、探究性实验、学习性实验等[2]。虚拟实验室在不同类型的实验中应用模式有所不同。具体有如下几种模式。

（一）测量性实验的应用模式

测量性实验旨在于培养学生测量某种物理量的能力。应用虚拟实验室进行教学，包括三个阶段。（1）实验原理剖析阶段。教师一边利用语言讲解测量原理，一边用虚拟实验室演示测量过程。（2）学生自主学习阶段。学生根据教师所讲解的实验原理，利用虚拟物理实验室进行实验。（3）真实实验阶段。在虚拟实验中，学生已经证实实验设计是可以验证的，这为真实实验奠定了良好的基础。学生在教师的辅导下，操作实验设备，完成真实测量[3]。

（二）验证性实验的应用模式

验证性实验是指利用实验验证已知的物理规律。利用虚拟实验室进行教学，包括三个阶段。（1）实验猜想。教师根据已知的实验原理，引导学生猜想可能产生的实验现象，并进行实验设计。（2）真实实验阶段。教师或学生进行真实实验，验证实验现象、实验原理。（3）虚拟实验阶段。教师或学生利用虚拟实验室，多角度验证实验现象、实验原理。

（三）探究性实验的应用模式

探究性实验属于开放性实验，它以学生为主体，是对未知规律的设计、操作，进而得出结论。利用虚拟实验室进行教学，包括以下五个阶段。（1）提出问题。学生根据教师的引导提出问题。（2）猜想与假设。学生在教师的引导下，猜想可能存在的实验情况。（3）设计实验并实施实验。在教师的引导下自主地设计实验。（4）进行实验和收集数据。用虚拟实验室对所设计的实验进行验证性操作，并收集实验数据。（5）分析结论并评估。在教师的引导下总结实验现象，概括实验规律，评估实验方案。

（四）学习性实验的应用模式

学习性实验是让学生掌握一种仪器的使用、学会一种实验方法、理解一个实验原理的一类实验。利用虚拟实验室进行教学，包括以下三个阶段。（1）教师演示操作。教师在虚拟实验室中演示实验操作步骤，让每个学生都可以清晰地看到操作。（2）学生练习操作。学生在虚拟实验中巩固实验操作步骤，并注意细节。（3）学生真实实验。在经过前两个阶段的熟悉和巩固，学生已具备操作真实实验的能力，其实验动作技能得到进一步提升。

二、应用案例

笔者结合上述虚拟实验室的教学应用模式，以高二物理《带点粒子在匀强磁场的运动》课为例，结合101教育 PPT-虚拟实验室（https：//ppt.101.com/），探究虚拟实验室在教学中的应用。

（一）《带电粒子在匀强磁场的运动》的教学设计与实施

1.教学内容分析

这节课是磁场这一章节知识的重要应用之一，也是力学知识和电磁学知识的综合。通过对这一节知识的学习，学生能够把洛伦兹力和动力学知识有机地结合起来，加深对力、磁场知识的理解，有利于培养学生用物理规律解决实际问题的能力。

2.学习者特征分析

学生已经具备运用牛顿运动定律分析力与运动的关系，能分析匀速圆周运动的向心力，会用功能关系分析物体运动情况。学生已经认识洛伦兹力，会判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小，并具备一定的三维空间思维能力。但是在认识带电粒子的圆周运动规律时，空间想象力问题仍是本节最大的障碍。学生对如何显示带电粒子的运动轨迹感兴趣，故而对洛伦兹力演示仪的工作原理表现出好奇心，并对实验现象感兴趣，对于洛伦兹力的应用也表现出一定的好奇。

3.教学目标分析

基于对教学内容的分析、学习者特征分析和《物理课程标准》中对实验教学的要求，确立了该课程的教学目标：通过课程学习，能够理解带电粒子垂直进入磁场做匀速圆周运动；通过观察洛伦兹力演示仪的结构，定性讨论电子束偏转的原理；会求带电粒子在匀强磁场中的圆周运动半径、周期以及运动时间；能够了解质谱仪的工作原理。同时，通过先有依据的猜想，再实验验证的顺序，培养科学探究核心素养。

4《.带点粒子在匀强磁场的运动》的教学实施

实验教学主要包括实验猜想、真实实验、实验结论等过程。《带点粒子在匀强磁场的运动》包括两个实验，都属于物理现象抽象类的实验，就实验类型而言，属于验证性实验。每个实验包括实验猜想、真实实验阶段和虚拟实验阶段。具体框架如表1。

表1 《带点粒子在匀强磁场的运动》的教学实施

图1 学科工具-带电粒子在匀强磁场中的运动图

图2 虚拟实验室（洛伦兹力演示仪）

在案例中，学生不能直观地“看到”洛伦兹力始终保持跟速度垂直，难以理解这一知识点。利用学科工具-带电粒子在匀强磁场中的运动图，学生动态地看到“洛伦兹力始终保持跟速度垂直”，使学生获得关于洛伦兹力运动规律的感性认识，从而加深学生对这一知识点的记忆与理解。

在实验演示课的复习巩固环节，由于教师没有足够的时间通过实验演示总结教学重难点，只能通过口头讲述重复教学重点。这样的复习，不够直观，难以加深学生的记忆，总结效率低下。利用虚拟实验室，教师可以快速地演示实验过程，直观地回顾教学内容。同时，教学的目的不仅仅在于让学生理解知识点，更多的是知识应用与拓展。在实验拓展环节，教学时间比较有限，教师一般采用口头描述，如改变实验条件会出现怎样的实验现象。但这样的方式，学生无法直观地看到这一拓展实验的过程，可能难以想象或推演实验想象。此时，利用虚拟实验室，教师可以快速地改变实验条件，如案例中改变粒子进入磁场的方向，直接演示实验现象，并让学生多角度（如侧面）观察实验现象。这样可以快速地引导学生思考，并进行实验验证，从而拓展知识内容。

（二）教学效果分析

为了探究虚拟实验室对学生学习情况的影响，研究者在课程结束后对学生进行了问卷调查，问卷共计17道题，4个评价维度，即学生的学习兴趣与态度、课堂体验、学习效果、对虚拟实验室的认可度。每道题代表1个观点，学生从“完全同意”“部分同意”“中立”“部分不同意”“完全不同意”中选择最合适的答案。其中，每个答案分别对应5分、4分、3分、2分、1分。

问卷采用隆巴赫系数进行内在一致性信度分析，信度系数为0.926，说明问卷信度非常好，17个项目之间具有很高的内部一致性。问卷发放43份，回收43份，有效问卷34份。

1.总体情况

从问卷数据来看，除1个题目外，其他题目的均值都在4.0以上，这说明几乎所有题目的均值在4.0以上，其中“完全同意”及“部分同意”的学生占总人数70%以上。这说明大部分学生对虚拟实验室在物理学习中持肯定态度。

2.学习兴趣与态度

在学生学习兴趣与态度上，包括在增加学习兴趣、提高课堂注意力、提高课堂参与度和提升课堂效率上的均值在4.2-4.5之间，均值在“部分同意”（4分）以上。从数据中发现“完全同意”及“部分同意”的学生占总人数70%以上。这说明大部分学生认为使用虚拟实验室对学生的兴趣、注意力、课堂参与、学习效率上都有比较好的影响。

3.课堂学习体验

在学生课堂学习体验上，包括在促进知识理解、解决近期遇到的问题和对虚拟实验教学形式的喜爱方面的均值在3.9-4.6之间，均值趋向于“部分同意”（4分）；从数据中发现“完全同意”及“部分同意”的学生占总人数70%以上。这说明大部分学生认为使用虚拟实验室学习，能够帮助自己理解知识内容，能够帮助解决近期遇到的问题，同时大部分学生比较喜欢结合虚拟实验上课的教学模式。

4.学习效果

从表2中可以发现，在学生课堂学习效果的影响中，每个题目的均值在 4.0-4.6 之间，均值在“部分同意”（4分）以上；从图3中可以发现“完全同意”及“部分同意”的学生占总人数70%以上。这说明大部分学生愿意在课前与课后使用虚拟实验室；同时使用虚拟实验室教学，能够促进学生对知识的理解，能够帮助学生掌握实验知识，能够提高学生的实验设计能力。同时，所有学生对“虚拟实验使实验步骤更清晰，实验现象更直观”上保持中立及其以上的态度。这说明所有学生都不否定虚拟实验室的这一价值。

表2 学习效果评价数据表

图3 学习效果评价数据图

5.对虚拟实验室的认可度

从表3中可以发现，在学生对虚拟实验室教学认可度上，每个题目的均值在4.0-4.7之间，均值在“部分同意”（4分）以上；从图4中可以发现“完全同意”及“部分同意”的学生占总人数70%以上。这说明大部分学生对虚拟实验室的认可度相对较高，愿意使用虚拟实验室，并愿意将虚拟实验用到其他学科的学习中去。同时，所有学生对“将虚拟实验用到其他学科中去”的问题上持中立及其以上的态度。这说明，所有学生都不反对将虚拟实验应用于其他学科。

表3 虚拟实验室认可度评价数据表

图4 虚拟实验室认可度评价数据图

三、总结与反思

本研究基于虚拟实验室的特点，总结出不同实验类型的应用模式，并结合举例案例《带粒子在匀强磁场中的运动》探究虚拟实验室的具体应用。同时，利用问卷法探究虚拟实验室对学生学习的影响。虚拟实验室除了适用于真实实验可以演示的实验外，还可以适用于实验条件理想化、物理现象抽象、瞬间物理现象、危险物理现象、宏观、微观物理现象等特点的实验。在测量性、验证性、探究性、学习性实验中，其应用模式有一定的差别，特别是在虚拟实验室与真实实验的关系上，虚拟实验室可作为真实实验的先导，作为学生熟悉实验的工具；也可以作为真实实验的辅助，快速重现实验现象、辅助实验原理、实验结论的讲解。本文通过案例研究发现，绝大部分学生喜欢老师用虚拟实验上课，也同意将虚拟实验用到其他的学科中去。他们认为虚拟实验使实验步骤更清晰，实验现象更直观。所以，从总体来看，学生对虚拟实验室持肯定的态度。由于受课型、研究条件的限制，在研究方法上，本研究未对学生学习成绩进行分析，研究不够深入；并且在案例分析上，只分析了教师演示实验，尚未对学生实验进行分析；另外，适用虚拟实验室的中学物理实验还需课堂验证。在今后的研究中，还需要进一步完善研究方法，进一步完善案例，或者以专题的形式对应用案例进行深入探讨。