基于数字化学习的虚拟实验平台设计与研究

岳志兵

【摘要】虚拟实验是对于传统实体操作实验的有效补充，对于难以用实体操作方式完成的實验，借助虚拟实验可以取得较好的演示教学效果。进入信息化时代，为切实改善物理教学质量，应加强物理虚拟实验平台建设，以此充分满足教学需求，力求提升学生的实验探究能力与实践创新能力。本文主要以高中物理实验平台为例，探讨基于数字化学习的虚拟平台设计策略，旨在提供有价值的参考。

【关键词】数字化学习;虚拟实验平台;高中物理实验平台

引言：虚拟实验是区别于实体实验而言的一类全新实验演示方式，借助虚拟实验，教师可以展示实践操作难度较大、危险性较强、复杂程度较高的实验，同时也能够为学生提供熟悉实验细节的机会，有利于改善实验教学的实效性。实验是物理学科的重要基础，开发物理虚拟实验平台，是提升物理教学水平的重要措施。具体而言，基于数字化学习设计虚拟实验平台时，有如下策略：

一、注意落实虚拟实验平台的设计原则

设计虚拟实验平台的目的是帮助学生掌握实验操作细节，因此，首先需要落实真实感原则，即确保虚拟实验能够有效地完成真实细节的传递、能够有效地还原真实情境[1]。通常情况下，通过应用3D动画表现方式来展开设计，达到体现实验细节和真实化表现的目的。例如，在表现“打点计时器的使用”这一实验的细节时，需要应用3D模型渲染打点计时器，还原打点计时器上的各处细节，从而使学生能够通过计算机虚拟操作掌握这一仪器的应用要点。其次，由于虚拟实验平台是为了满足课程教学需求，因而资金较为有限，在设计时需要注意做好成本控制工作，将尽可能地应用低成本设计。第三，由于虚拟实验平台依托于计算机和互联网而得以运作，而交互性是互联网的基本特征，因此在展开虚拟实验平台设计时，还应遵循互动性原则，注意将互动环节渗透至实验教学的每一个步骤之中，在虚拟实验平台中设置“实验提示”“实时测试”等模块，确保能够及时为学生提供指导和反馈。例如，虚拟实验平台在呈现“验证机械能守恒定律”这一实验时，在学生应用计算机进行虚拟操作时，虚拟实验平台应具备根据其操作情况提供提示的能力。

二、合理安排虚拟实验平台的功能模块

在设计虚拟实验平台时，需要合理地安排功能模块。以高中物理虚拟实验平台为例，主要应包括如下模块：

其一，文件模块，主要包括各类常用指令，比如新建实验、打开已保存实验文件、另存、打印实验步骤等[2]。

其二，编辑模块，主要对实验中所包含的各部分细节加以说明，可以进行文字、图片、音频、视频及动画素材的插入。此外，还包括其他功能模块，以高中物理虚拟实验平台为例，主要需包含以下模块：仪器功能包含各类实验所需仪器设备，在该功能模块中应包含打点计时器、滑动变阻器、安培表等仪器;表格功能用于插入呈现与实验相关数据的表格;公式与符号模块包含常用的各类物理公式和符号，借助此模块可以快速插入与实验相关的物理的公式和符号，例如“Ω”等，有利于提高教学效率;属性模块主要用于对实验中各项内容的属性进行调整，比如质量大小、电阻高低等。

其三，同步实验模块，主要用于对教材上的实验内容进行演示，在虚拟环境中，学生可以自主完成高中部分所有实验的学习。这一模块主要分为演示实验模块和虚拟操作模块两个子模块：在演示实验模块，学生可以自主观看实验的全过程，明确各项操作细节;在虚拟操作模块，学生则可以自主通过实验操作展开实验探究。

其四，仿真工具模块，这一模块包含各类工具：力学仿真工具、电学仿真工具、光学仿真工具及液体压强仿真工具。

其五，辅助模块，主要包含测量、计算、三维呈现等功能。

其六，系统配置模块，这一模块的主要功能是在线交流互动。

三、全面结合高中物理实验教学的内容

虚拟实验平台的设计与应用目的是为高中物理教学活动提供充分便利，因此在设计时，需要全面结合高中物理实验教学的内容，注意从高中物理实验的特征和需求出发，合理设计各个功能模块，从而确保其能够高效地应用于实践[3]。为此，教师应重视结合高中物理课程标准对物理教材展开深入全面的分析，明确各个实验的内容与要求，结合现有技术思考在虚拟实验中完成物理实验演示及操作的可能性，并在此基础上对于虚拟实验平台中包含的各项功能模块进行优化，从而确保取得理想的实践效果。例如，关于“用伏特表和安培表测电源的电动势和内电能”这一实验，需要在仪器模块做好伏特表和安培表两种重要仪器的渲染工作。

结束语：

进入信息化时代，为切实增强实验教学的实效性，应重视加强虚拟实验平台建设工作，重视落实好虚拟实验平台的设计原则、合理安排虚拟实验平台的功能模块并全面结合学科教学内容，从而提升虚拟实验平台的设计水平，确保虚拟实验平台取得理想的应用效果。

参考文献：

[1]汪紫婕.探讨VR技术在高中物理实验中的应用[J].数字通信世界，2018（01）：168+205.

[2]李继平.高中物理学虚拟实验室中操作诊断研究[J].才智，2018（13）：18.

[3]王巧丽，任新成，刘竹琴.以实验为基础的中学物理教学探讨[J].教育现代化，2019，6（24）：219-220.