虚拟实验室适用物理实验的应用探究

吴荣华 胡玲 蔡秀峰 彭靖

【摘 要】物理学科知识具有较强的抽象性，需要学生有较强的抽象思维，物理知识的教授更多的是要呈现物理思维和物理方法，通过虚拟实验室把抽象知识具象化，同时通过学科工具把具体的物理现象抽象成物理模型。本文分析了虚拟实验室的实验特点及教学应用模式，通过案例从教学效果上对应用模式进行验证，并整理出适合使用虚拟实验室的物理实验知识点。

【关键词】虚拟实验室;实验类型;实验知识特点

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2019）02、03-0114-04

随着信息技术的发展和应用，数字化实验室在中学物理实验中的应用也越来越广泛。数字化工具把具体的物理现象抽象成物理模型，实现把物理思维和物理方法教授给学生，所以数字实验系统是教育信息化发展的需要，也是培养学生创新能力的重要方法和手段。虚拟实验室是数字化实验的一种，本文聚焦虚拟实验室与教学融合，基于虚拟实验室的特点，结合具体案例探究其在教学中的应用模式，并总结出虚拟实验室适用的物理实验知识点。

虚拟实验室的实验特点

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[1]。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[2]。

1.虚拟实验室的优点

传统的物理实验教学中，更多的是借助传统仪器设备进行教学，以单一的Flash动画或实验视频为支撑。相比这几种呈现形式，虚拟实验室具有以下几个优势。

（1）实验器材：虚拟实验室只需配备计算机，基本无折旧;无须购买实验器材，特别是那些需要高额投资的器材。

（2）实验条件：虚拟实验室可以模拟各种条件的实验，特别是理想条件下（如真空、无摩擦力）的实验;同时可以根据课堂教学需要调整实验时间，特别是那些反应时间较长或较短的实验。

（3）实验现象：虚拟实验室不仅可以展示宏观的实验现象，还可以模拟传统手段无法直接观察的实验（如电磁波的传播），或者展示微观世界的实验现象，从而变抽象为形象，加深学生对知识的理解。

（4）安全系数：虚拟实验室可以进行不同危险系数的实验，特别是危险性高的實验，如爆炸、产生有毒气体的实验等。

2.虚拟实验室的实验特点

从上面的分析中可以看出，虚拟实验室除了可以实现真实实验能够实现的实验外，还可以进行真实实验难以完成的实验。在实际教学中，真实实验（即用传统仪器设备进行的实验）是物理教学的主要形式，虚拟实验室可以作为真实实验的补充或支撑，主要用于真实实验难以进行的实验。这些实验具备的特征如表1所示。

虚拟实验室的教学应用模式

物理实验可分为测量性实验、验证性实验、探究性实验、学习性实验等[3]。在不同类型的实验中，虚拟实验室的教学应用模式会有不同。

1.测量性实验及其应用模式

测量性实验注重培养学生测量某种物理量的能力。对于一个物理量的测量可分为直接测量与间接测量。直接测量，如时间、长度、力等物理量通过使用相应的测量工具即可直接得出测量的值。间接测量，如加速度、电阻率、折射率等物理量的测量是通过一些已知物理规律进行测量的，在这种测量中，涉及一些其他物理量的测量及物理规律的运用。

虚拟实验室应用在这一类型实验课上的教学，主要包括以下三个阶段：（1）实验原理的剖析阶段。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。在使用虚拟实验的教学中，学生提出的实验设计是可以验证的，成为真实实验的基础。学生可以在老师的指导下，亲自操作实验设备来完成真实测量[4]。

2.验证性实验及其应用模式

验证性实验是指对已知的物理规律通过实验加以验证。通过进行验证实验可以加深对物理规律的理解，提高学生动手实验的能力，学生可以尝试从不同角度验证某一规律，培养发散思维。这一类型的实验课主要包括以下三个阶段：（1）实验猜想。教师根据已知的实验原理，剖析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，多角度对实验现象、实验原理进行验证。例如，真实实验现象不明显的，可以利用虚拟实验室进一步观察;需要多角度观察实验现象的，可以利用虚拟实验室进行多角度观察;也可以利用其他实验器材，改变实验条件，进一步探究实验原理。

3.探究性实验及其应用模式

探究性实验是一种开放性实验，是以学生为主体，对未知物理规律的设计、操作，从而得出结论，比起以往的实验更能锻炼学生的研究能力。这一类型的实验课主要包括以下五个阶段：（1）提出问题。教师对学生进行引导，让学生提出问题。（2）猜想与假设。学生猜想可能存在的实验情况。（3）设计并实施实验。在教师的引导下学生自主设计实验。（4）进行实验及数据收集。根据设计通过虚拟实验室进行验证性操作，并收集实验数据。（5）分析结论并评估。在教师的引导下，学生总结实验现象，概括实验规律，并评估实验方案。

4.学习性实验及其应用模式

学习性实验是让学生掌握一种仪器的使用、学会一种实验方法或理解一个实验原理的一类实验。通过这类实验，学生可以学会实验仪器的使用及相应的实验方法，提高学生的基本实验操作能力。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，让学生都清晰地看到操作。（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。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。

虚拟实验室在物理教学中的应用

根据虚拟实验室的教学应用模式，结合虚拟实验室的特点，以高二物理“带电粒子在匀强磁场中的运动”为例，结合101教育PPT-虚拟实验室，对物理现象抽象的验证性实验，在虚实结合模式教学中的应用进行了探究。

1.教学设计与实施

教学设计主要包括以下阶段：实验猜想（提出问题）、真实实验、虚拟实验（学科工具-带电粒子在匀强磁场中的运动颗粒对现象进行呈现）、实验结论、课堂练习;实验猜想（分析粒子运动过程的动力学关系，设计带电粒子与速度、半径的关系的实验）、真实实验、实验结论、课堂练习、虚拟实验（利用虚拟实验室-洛伦兹力演示仪进行课堂小结）。

2.教学效果分析

在课程结束后我们对学生进行了问卷调查，从学习兴趣与态度、课堂体验、学习效果、对虚拟实验室的认可度等四个维度对课堂学习情况进行评价。总体情况是，大部分学生对虚拟实验室在物理学习中持肯定态度，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，不反对使用这种教学形式。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，同时能够提高学生的实验设计能力;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。

适合使用虚拟实验室的物理实验知识点

除了“带电粒子在匀强磁场中的运动”外，在中学物理实验教学中，还有许多物理实验适合使用虛拟实验室进行辅助教学。根据物理实验的实验主题、实验类型，结合虚拟实验室实验知识特点，对适合使用虚拟实验室的物理实验知识点（以高中为例）进行了总结，如表2所示。

总结与反思

本研究针对虚拟实验室的实验特点，总结了虚拟实验室在教学中的应用模式，并结合案例对物理现象抽象的验证性实验，在虚实结合模式教学中的应用进行了探究，同时对虚拟实验室对学生学习的影响进了验证分析，以高中为例整理出了适合使用虚拟实验室的物理实验知识点。在今后的研究中，还需对其他的实验类型及应用模式进行验证，从而更好地完善整个研究主题。

参考文献

中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

余宪泽，赵枫.云服务环境下虚拟实验室在中学物理教学中的应用模式构建[J].课程教学研究，2017（9）：50.

彭梦华.中学物理实验研究[M].北京：高等教育出版社，2016.

邢如玲.虚拟实验在初中物理实验教学中的应用策略研究[D].东北师范大学，2011.