虚拟实验室在高中物理教学中的应用

总结来说，微观可视化视频具有以下这些特点[3]：

（1）交互性强.微观可视化视频可以根据实验者的操作对实验过程和实验结果进行真实模拟，从而完成对应的实验计划和实验目标.

（2）仿真性强.微观可视化视频可以模拟真实实验过程中肉眼难以观察到、或抽象不易理解的实际物理现象，设计出完整的三维可视化实验模型，如光线、电场、磁场等，可以进行微观、假想虚拟形式的辅助呈现（电场、磁场、光路）.

（3）直观性强.微观可视化视频可以将实验现象、实验内容进行直观的、形象的可视化展示，从而协助学生构建微观认知，培养学生的抽象思维能力、认识物质及其变化规律、减轻学生记忆负担.

2 虚拟实验室案例分析

本文以人教版高中物理选修3-1第三章第6节“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（https：//ppt.101.com/），探究虚拟实验室的虚拟呈现功能和微观可视化视频在教学中的应用.

2.1 “带电粒子在匀强磁场中的运动”教学设计与实施

2.1.1 教材分析

2017版普通高中新课程标准对本节课的要求是：能用洛伦兹力分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动.本节课主要通过实验和理论探究沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，并讨论分析圆周运动规律的基本过程;了解质谱仪的工作原理.

2.1.2 学习者特征分析

学生已经学会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.在上一课学习中学生已经认识了洛伦兹力，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兴趣.

2.1.3 教学目标分析

（1）通过理论分析结合实验探讨带电粒子沿不同方向进入匀强磁场的运动，理解带电粒子在匀强磁场中做圆周运动，培养学生有依据的猜想及实验验证的科学探究核心素养.

（2）通过学生自己动手画图，认识找圆半径和圆心的重要性，再引导学生学会规范化画圆轨迹，提高学生对圆半径大小影响因素的学习兴趣.

（3）通过理论分析和实验验证带电粒子在匀强磁场中轨迹圆大小影响因素，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，培养科学论证思维能力.

（4）通过先分析无边界磁场的运动到有边界磁场的运动，先分析同一粒子在匀强磁场中的运动到不同粒子进入匀强磁场中的运动，灵活掌握分析带电粒子的运动规律和分析方法，并初步认识质谱仪的工作原理，引导认识知识的应用与社会责任，培养学生利用知识推动社会发展的责任感.

2.1.4 教学设计

本次实验中，实验班使用虚拟实验室的洛仑兹力演示仪进行实验仪器的介绍和演示，对比班使用真实的洛仑兹力演示仪进行演示.教学设计见表1.

2.2 教学效果分析

为了探究虚拟实验室对学生学习情况带来的影响，采用由授课教师设计的同一份试卷，分别对实验班和对比班同学进行前后测对比测验.实施前后测的实验的目的是为了检测虚拟实验室颗粒、微观视频及学科工具所带来的价值点，通过检测卷来分析颗粒的使用是否对学生学习的知识点有帮助.

2.2.1 学习效果总结

结论：对比传统教学方式，使用虚拟实验室工具对学生整体学习效果提升不明显.

测试结果见表2，使用虚拟实验室教学和使用传统教学方式对学生的学习效果都有提升作用.

从正确率来看，实验班在前后测正确率上均高于对比班，因此效果的差异来源于班级本身的差别.对两班的提高效果进行独立样本T检验.结果显示，采用虚拟实验室颗粒教学和传统教学方式所产生的学习效果的差异不太显著（t=1.555，p=0.123>0.05），即使用虚拟实验室颗粒对学生的学习效果有提升，但是提升不明显.

2.2.2 微观可视化视频对教学效果的影响

结论：对比传统教学方式，使用微观视频呈现微观粒子的运动轨迹（如图1），对学生学习对应知识的效果提升明显.

测试结果见表3，使用微观视频演示对学生的学习效果有提升作用;而使用传统教学方式反而造成学生学习效果下降.

从正确率来看，实验班在前后测正确率上均高于对比班，因此效果的差异来源于班级本身的差别.对两班的提高效果进行独立样本T检验.结果显示，采用虚拟实验室工具教学和传统教学方式所产生的学习效果的差异非常显著（t=9.186，p=0.000<0.05），使用微观视频呈现微观粒子的运动轨迹，对学生学习对应知识的效果提升明显.

2.2.3 虚拟实验室的虚拟呈现对教学效果的影响

结论：对比传统教学方式，使用虚拟实验室颗粒进行虚拟呈现电流方向和磁感应线（如图2），对学生学习电流方向和磁感线知识的效果没有显著提升.

测试结果见表4，使用虚拟实验室演示和使用传统教学方式对学生的学习效果都有提升作用.

从正确率来看，实验班在前后测正确率低于对比班.对两班的提高效果进行独立样本T检验.结果显示，采用虚拟实验室工具教学和传统教学方式所产生的学习效果的差异不显著（t=0.741，p=0.460>0.05），即使用虚拟实验室颗粒（虚拟呈现电流方向和磁感应线），对学生学习电流方向和磁感线知识的效果没有显著提升.

2.2.4 虚拟实验室仪器结构介绍对教学效果的影响

结论：对比传统教学方式，使用虚拟实验室颗粒进行仪器结构介绍（如图3），对学生掌握仪器结构没有显著提升.

测试结果见表5，使用虚拟实验室和真实仪器教学，对学生的学习效果都有提升作用.

从正确率来看，实验班在前后测正确率上均高于对比班，因此效果的差异来源于班级本身的差别.对两班的提高效果进行独立样本T检验.结果显示，采用虚拟实验室工具教学和传统教学方式所产生的学习效果的差异不显著（t=1.332，p=0.186>0.05），即使用虚拟实验室颗粒进行仪器结构介绍，对学生掌握仪器结构没有显著提升.

3 研究结论与总结

3.1 研究结论

在理论方面，本文梳理了虚拟实验室的虚拟呈现和微观可视化视频在物理实验教学中的特点，二者对于高中物理实验教学有着很好的结合.通过对虚拟实验室的虚拟呈现在物理教学中的应用研究，对于丰富高中物理课堂教学实践，推进物理教学模式优化与改革来说有着深远的意义.

在物理实践活动实施现状方面，本次实验根据前后测学习效果评测的综合分析可知，目前使用虚拟实验室颗粒和微观视频教学，对学生的整体学习效果提升不是非常明显.但不同维度的表现有所差异，具体来看：

（1）使用微观视频呈现微观粒子的运动轨迹，对学生学习对应知识的效果提升明显;验证了微观视频对知识进行微观表征的过程，能够培養学生的抽象思维能力、逻辑思维能力和空间想象能力，有利于提高学生这方面的学习绩效;

（2）使用虚拟实验室颗粒（虚拟呈现电流方向和磁感线），对学生学习电流方向和磁感线知识的效果没有显著提升;

（3）使用虚拟实验室颗粒进行仪器结构介绍，对学生掌握仪器结构没有显著提升.

3.2 研究反思

本次实验课程中，虚拟实验室仅作为仪器结构的补充讲解，甚至是简单引入，没有触及更深的教学难点，因此对于该工具能否良好解决教学难点等维度存在质疑.建议后期实验中，在进行教学设计时能够更好地将工具多维度的功能加入到教学中，并尽可能让学生也尝试该工具的练习、使用，从而提高学生对虚拟实验室的认知，也提升实验的准确度;建议后期进行学生实验及运用自主探究的模式进行验证.对于虚拟实验室的虚拟呈现和微观可视化视频如何在课堂实验实践中更好地辅助学生的学习、支持教师的教学，如何更好地培养学生的实践能力、拓宽实验思维，还需要我们在以后的研究中继续探索.

参考文献：

[1] 廖婷.基于3D和EON的中学虚拟化学实验的研究与设计[D].成都：四川师范大学，2007.

[2] 张晓英，祖大栩.基于虚拟仪器的虚拟实验[J].高师理科学刊，2002（04）：11.

[3] 袁建平.中学物理教学的三维可视化模型课件的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2016.

（收稿日期：2019-06-26）

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