少数民族地区中学物理虚拟实验教学模式的探究

李伟 蔡燃 宋伟 马传连

摘 要：“互联网+教育”的發展促使教育形态不断变化，混合式教学已成为一种趋势，传统的中学物理实验教学方式辅以线上教学，能够更加高效地实现教学目标。文章从中学物理实验教学的重要性出发，通过分析少数民族地区中学物理实验教学面临的问题，在虚拟实验室的概念、优势及主要技术等方面着手，探讨如何构建适合少数民族地区中学物理虚拟实验与真实实验相耦合的实验教学模式。

关键词：中学物理;实验教学模式;虚拟实验室;云计算

中图分类号：G642.1;G434        文献标志码：B        文章编号：1673-8454（2021）08-0047-05

一、引言

中学物理教学以实验教学环节为基础，在教学过程中通过理论教学与实验教学相结合，提高学生的科学能力与素养[1]。中学物理实验教学是中学课程改革的重要组成部分，一方面，学生的学习兴趣可以通过物理实验教学来激发;另一方面，学生探索和解决问题的能力能够得到提高。最重要的是学生自身的创新意识以及创造性思维也得到了培养。然而，由于少数民族地区教育信息化发展落后、教育资源分配不均衡等因素，导致该地区的中学物理实验教学存在诸多问题，如实验仪器不齐全、设备陈旧老化、实验室场地拥挤、实验教学内容不完善等等。基于此，有必要通过中学物理虚拟实验教学来解决少数民族地区在实际教学中遇到的问题，辅助传统实体实验教学，两种教学方式相互增效，高效实现教学目标。

二、少数民族地区中学物理实验教学面临的问题

我国高度重视少数民族地区的教育问题，近年来，少数民族地区的教育规模不断扩大。截至2019年年底，基础教育阶段全国各级各类学校中，少数民族在校生共有3466.6万人，是1951年98.3万人的35倍之多。其中，普通中学少数民族在校生有678.6万人，占全国学生总数比重的11.87%，而且少数民族学校和学生规模还在稳步扩大[2]。然而，少数民族地区各级各类学校教学中所面临的问题也不少，其中，中学物理实验教学所面临的现状及问题主要有以下四点：

1.偏远地区的教育信息化发展水平落后，导致实验教学内容常年不变

少数民族地区大部分属于较为偏远的地区，受地理位置以及气候条件的影响，造成一些偏远地区交通不便、出入困难，不便于与外界进行信息交流，从而使得这些偏远地区的教育信息化水平严重滞后。在实验教学中，实验内容是比较基础的验证性实验，演示型实验不够丰富，学生自主设计型实验更是少之又少，从而无法激发学生的理论学习兴趣，也无法培养学生的实验操作能力。总之，常年不变的实验教学内容严重影响了实验效果。

2.存在教育资源投入不到位、分配不均衡，实验室硬件设施不够完善的情况

由于少数民族地区的经济发展较为落后，可能会导致很大程度上加剧少数民族地区教育资源配置的不平衡和不充分[3]。经济发展的落后、资源财力的有限都将会在很大程度上导致教育资源的投入不到位，办学条件需要进一步改善。由于实验设备没有得到及时的完善及更新，不能满足学生在实验过程中的切身体验，不能更全面地提高学生的学习能力，最终呈现的教学效果不佳，预期的教学目标也无法实现。

3.实验室的开放程度和利用率不高

少数民族地区中学对物理实验课的授课方式是“理论+实操”，其中“实操”的时间是在教学课时内，教师带领学生到实验室开展实验，而在课余时间，实验室紧关大门，不对学生开放。实验室对学生的开放程度比较低，导致其利用率也比较低，学校应该提高开放实验室的重视程度，增加专职教师负责实验室的开放工作量[4]。

4.师资力量薄弱、水平不高

受经济发展落后、地理位置不佳等各种因素影响，少数民族地区很难吸引外界优秀教师，而本土优秀教师也会流入到发达地区，从而导致这些欠发达地区师资力量不足、师资水平不高。

少数民族地区的教师在中学物理实验教学中主要存在以下一些不足：一是部分教师对示范整个实验过程的教学效果的重要性认识不够或不太重视，很少向学生演示实验，或较为机械化、形式化地演示实验，学生最多能够了解实验现象和结论，不能深入理解实验过程和本质，更不能熟练掌握物理实验过程所体现的思想和方法。二是大多数教师只是照搬教科书上的实验，根据实验设计找实验仪器，如果实验室没有对应的仪器就略过此实验，教师不敢甚至不想去改变原本的实验计划，以致于无法开展部分实验。

综上所述，少数民族地区中学进行物理实验教学需要解决的首要问题是如何更加合理地分配教育资源，然而由于少数民族地区经济发展落后，通常很难通过扩充实验室整体规模、增加实验仪器设备来解决其物理实验教学所面临的首要问题，因此在中学阶段引入虚拟实验室来辅助实体实验教学，成为一个很好的突破口。

三、中学物理虚拟实验教学的优势

1.虚拟实验室的概念

虚拟实验室是一个基于计算机技术、网络技术以及多媒体技术的无墙实验中心，它不受时空的束缚，能够随时随地操作使用，学生共同享用虚拟仪器设备、网络数据以及学习资源，教师能够及时给予学生指导，并且师生之间可以随时进行讨论交流[5]。通过虚拟仿真技术，将真实的物理实验仪器设备和实验场景虚拟化，进而开展实验教学，对实验过程和实验结果的性能进行预测和评价。虚拟实验一方面能够节省实验成本，另一方面又能节约实验前期准备工作的时间，提高实验操作效率[6]。

2.中学物理虚拟实验教学的优势

中学物理虚拟实验室运用计算机网络技术改善了实验教学的条件，在实现教育资源共享的同时，提高了实验教学的质量。最重要的是，中学物理虚拟实验室可以弥补因实验教学资源不足而带来的问题，节约了实验仪器设备以及实验室场地等方面的投入，并且能够有效降低学生开展实体实验所带来的风险，提高学生学习物理实验的兴趣和效率[7]。

与传统的中学物理实体實验教学相比，虚拟实验教学主要具有以下五个优势：

第一，节约教学资源的投入成本，主要体现在中学物理实验仪器设备和实验室场地两个方面。通过虚拟仿真技术将实验室场景、实验仪器设备虚拟化，实现教学资源的重复利用，可以解决少数民族地区中学物理实验教学所面临的教育资源不充沛的问题。

第二，不受时间和空间的束缚，教师与学生可以挑选任意时间和地点开展中学物理实验。近年来，少数民族地区学生规模不断扩大，导致实验室场地拥挤，一名教师不可能在有限的时间内督促每一位学生的实际操作，也不可能满足每一位学生的学习需求，以致于实验教学效果大打折扣。然而，虚拟实验教学可以灵活安排实验时间，不受空间的限制，这是传统实体实验教学方式所无法比拟的。

第三，不受客观条件的影响，可以实现传统的中学物理实体实验中比较难以开展的综合性实验，在较小误差的情况下进行多次实验。比如，传统实验中验证机械守恒定律时，由于摩擦和空气阻力的影响，实验结果总会存在一定的误差;可以防止一些实验仪器设备所导致的与实验目的不相干的不良因素。比如，线路接触不佳、仪器设备存在故障等;可以有效避免实验仪器的损坏。比如，在做传统实验中短路过载及其防护实验时，学生的错误操作会导致实验仪器的直接性损坏。

第四，中学物理虚拟实验室具有开放性，虚拟器材库品种齐全、虚拟实验平台易于操作，能够有效解决少数民族地区中学物理实验教学内容不完善的问题。开放式实验室管理系统易于管理，整体适应性好且受益面广，能够帮助少数民族地区增强师资力量，提高师资水平。

第五，中学物理虚拟实验教学能够有效去除实验过程中学生自身安全存在的隐患，比如，传统实验的托里拆利实验过程中，玻璃管内的水银存在重大安全隐患。而作为传统实体实验的辅助教学途径，虚拟仿真实验教学可以带来比实体实验教学更佳的实验效果，且能保证实验的安全性、精准性，学生可以自主地设计实验过程，大胆地探究实验的本质，在培养学生科学素养的同时，保证了学生在实验过程中的人身安全。

四、基于云计算虚拟实验室的中学物理混合式教学模式

现代教育技术正在全方位、深层次地融入到教与学的过程中，线上教学显现出其突破时空限制、资源共享的优势，市场规模迅速扩大。从艾媒咨询机构公布的相关数据显示来看，2020年在线教育行业市场规模同比增长35.5%至2573亿元 ，整体线上化率23%～25%，疫情下教育领域获融资最多，而其中在线教育最受资本青睐，2020年教育行业累计融资1164亿元，其中在线教育融资金额1034亿元，占比 89% [8]。

针对少数民族地区中学的物理实验教学，本文提出了基于云计算虚拟实验室的中学物理混合式教学模式，通过线上与线下相结合、传统实体实验教学与虚拟实验教学相互补充，高效实现中学物理实验教学目标。下面，笔者将从教学模式的构成要素、教学模式的技术支持、云计算学习平台的基本架构和功能三个方面着手，探讨基于云计算虚拟实验室的中学物理混合式教学模式的基本框架。

1.教学模式的构成要素

基于云计算虚拟实验室的中学物理混合式教学模式由五个基本要素构成：理论基础、教学目标、教学程序、实现条件、教学评价。这五个基本要素是将教学理论运用到教学实践的关键媒介，其具体内容分别如下：

（1）理论基础

建构主义理论认为，学习者的认知并不是通过接收传统教学中教师填鸭式的传授得到的，而是一种以主体已有的知识和经验为基础的主动建构。基于建构主义理论的新发展，国内学者创新性地将其冠以“新建构主义”的名称。新建构主义理论强调，网络时代的学习是一个零存整取、不断重构的过程[9]。建构主义理论的新发展促进了教学模式的改革与创新。

（2）教学目标

知识与技能目标：学生能够在新的情境中灵活运用所学的中学物理知识概念进行总结，并能够建立合理联系;能够自主完成中学物理实验操作，并能合理调整、改进实验内容与操作步骤。

过程与方法目标：学生通过中学物理探究，能够掌握科学探究的基本方法，进而发现、探索与认识物理规律的科学过程;学生在学习过程中能够认识到与同学、教师交流合作的重要性，通过团队协作能解决物理探究过程中所遇到的实际问题。

情感、态度与价值观目标：学生具有勇于探索、坚持真理的科学态度以及主动与他人交流合作的团队精神，在探究实践中不断提高自身的科研能力与科学素养。

（3）教学程序

课前预习→课中提出问题→做出假设→实践验证→讨论合作→分享成果→课后评价反馈→总结提高。此教学模式的教学程序是根据中学物理实验教学基本流程，基于“引导—发现式”教学模式的教学程序创新性变化而确立的。

（4）实现条件

在教学活动中，以学生为中心，支持学生自主学习、独立思考，教师通过引导学生主动获得知识，教学过程中给予学生帮助与辅导，搭建云计算学习平台作为辅助传统实体实验教学的教学环境。

（5）教学评价

以教学目标为依据，以自我评价为重点。学生课后总结未解决的疑惑以及学习需求，并对教师教学工作作出评价，主要包括教学内容、教学方式、教学质量;教师课后总结课中存在的问题，反思教学过程中的不足之处，通过布置课后作业或组织测验考试来对学生学习效果作出评价。

2.教学模式的技术支持

云计算技术是以互联网为中心，利用Web提供快速且安全的访问服务及数据存储等，使服务器的管理和应用虚拟化。云计算技术可以解决有些学校计算机设备落后、运行速度慢的问题。云计算技术的主要特点是客户端的维护成本低、实验数据的处理高效率、容错及负载能力高可用，最重要的是极其便捷，各种具有浏览器的设备都可以通过云计算技术实现对虚拟实验室的运行访问，这就为少数民族地区的远程教育提供了有力的技术支持。

3.云计算学习平台的基本架构和功能

云计算学习平台是一种依托于计算机仿真技术、多媒体技术、网络技术和云计算技术的虚拟实验教学平台。平台通过实物仿真技术，具备中学物理实验所需的各种仪器及实验工具，集实验资源信息、实验结果自动批改、实验教学管理于一体，满足了中学物理实验教学的需求。

云计算学习平台的总体架构分为五层，每一层都为上一层提供服务：数据层涉及到多种类型虚拟实验组件及数据;支撑层是整个平台的核心框架，负责整个基础系统的运行、维护和管理;服务层提供虚拟实验教学环境的一些通用支持组件;仿真层最后为上层提供实验结果数据的格式化输出;应用层最终实现基站部署，利用服务层提供的功能及仿真层提供的器材进行实验。其总体架构如图1所示。

构建中学物理虚拟实验室环境的关键步骤：首先，利用云计算技术搭建云教育数据中心，并配置应用程序和用户终端服务;其次，通过虚拟现实仿真技术创建中学物理虚拟实验室场景，主要包括中学物理实验所需的虚拟仪器设备和虚拟实验工具;再次，将中学物理虚拟机实验室资源转化为云服务资源，同时整合云教育平台的优势;最后，学生通过云终端进入中学物理虚拟实验环境[10]。

云计算学习平台可实现的内容有：①实验教学管理，主要包括中学物理实验的发布、增加、修改、删除、答疑以及用户信息的管理;②中学物理虚拟实验仪器工具的共享、实验结果数据的分析及自动批改;③中学物理虚拟实验的设计与配置，主要指可提供DIY工具的设计型实验;④师生之间或生生之间实时的互动交流讨论模块、教学效果评价模块。

4.基于云计算虚拟实验室的中学物理混合式教学模式

基于云计算虚拟实验室的中学物理混合式教学模式主要分为：课前自主学习、课中合作探究、课后反思总结阶段，详见图2所示。

（1）课前自主学习阶段

以学习任务为导向，主要通过云计算学习平台来进行。教学者在实验课前设计并发布实验指南，再根据课程内容适量地布置一些课前学习任务，然后搜集汇总有关辅助资源，统一将这些内容以模块的形式放在学习平台上，通过发布通告、设置阶段性的学习目标以实时监督学习者的学习进度，及时与学习者进行线上交流，进而对其进行个性化指导。学习者根据教学者发布的实验指南、学习任务以及辅助资源，合理安排时间进行线上學习，理解实验目的、熟悉实验步骤，完成教师布置的学习任务，存在不理解的问题应及时与其他学生、教师进行线上交流讨论。

（2）课中合作探究阶段

以答疑解惑为目的，可以通过云计算学习平台、线下或两者结合的形式进行。教学者在正式组织进行教学之前，根据课前学习者在完成学习任务的过程中所存在的共同问题进行统一讲授，然后有针对性地对学习者遇到的个别问题进行个性化指导;在讲授完课程内容后，调动学习者的主动性、督促小组讨论，最后解决存在的问题。学习者在教师正式组织进行教学前，大胆提出课前线上学习所遗留的疑惑，探究存在的问题，在教师授课的同时，学习者也要进行实践操作，做到边学边做，然后积极参与小组交流讨论，最后分享学习成果以及实验心得。

（3）课后反思总结阶段

主要以自我评价为重点，同样也可以通过多种形式来进行。课后，教学者应该根据学习者在课堂中的表现以及学习情况布置课后学习任务，以巩固学习者存在问题较多的实验环节或较为薄弱的基础知识;然后总结授课过程中存在的问题、反思教学过程中的不足之处，以完善教学内容和反馈教学资源的建设;还应与学习者及时交流，了解学习者对实验理论内容的掌握情况以及对实验过程的理解程度。学习者在课后可以通过撰写实验报告的方式，针对实验环节进行总结和反思，这样不仅可以明了自身的学习需求，还可以巩固基础知识;如果学习者存在对实验实操环节掌握不熟练的情况，课后可以在云计算学习平台进行线上实践操作;此外，学习者还应自主完成教学者布置的学习任务。

五、总结

本文通过分析少数民族地区中学物理实验教学面临的问题，提出了基于云计算虚拟实验室的中学物理混合式教学模式，为当前少数民族地区中学物理实验教学提供了有力支持。云计算学习平台的应用不应仅局限于中学物理实验教学，还可通过调整功能模块，实现生物、化学等其他基础教育学科在虚拟实验教学方面的具体应用。在少数民族地区中学物理实验教学过程中，应用真实实验与虚拟仿真技术相结合的虚拟仿真实验教学，能够带来更佳的教学效果，而虚拟仿真实验教学与传统实验教学相结合的混合式教学模式，是物理实验教学的一种延续性创新，有助于高效实现教学目标。

参考文献：

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[8]艾媒未来教育产业研究中心.艾媒报告|2020年中国在线教育行业发展研究报告[EB/OL].https：//www.sohu.com/a/445265077_445326.

[9]郭艳玲，杨纪平，王琳.建构主义视域下基于网络多媒体的口译教学模式探索[J].实验技术与管理，2020，37（10）：216-219.

[10]张新朝，李梦雪.云教育平台虚拟实验室构建[J].软件导刊，2019，18（6）：151-153+157.（编辑：李晓萍）