李偉 蔡燃 宋偉 馬傳連

摘 要：“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的發(fā)展促使教育形態(tài)不斷變化，混合式教學(xué)已成為一種趨勢(shì)，傳統(tǒng)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式輔以線上教學(xué)，能夠更加高效地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。文章從中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性出發(fā)，通過分析少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問題，在虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念、優(yōu)勢(shì)及主要技術(shù)等方面著手，探討如何構(gòu)建適合少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相耦合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理;實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式;虛擬實(shí)驗(yàn)室;云計(jì)算

中圖分類號(hào)：G642.1;G434? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? 文章編號(hào)：1673-8454（2021）08-0047-05

一、引言

中學(xué)物理教學(xué)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，在教學(xué)過程中通過理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，提高學(xué)生的科學(xué)能力與素養(yǎng)[1]。中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)課程改革的重要組成部分，一方面，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣可以通過物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)來激發(fā);另一方面，學(xué)生探索和解決問題的能力能夠得到提高。最重要的是學(xué)生自身的創(chuàng)新意識(shí)以及創(chuàng)造性思維也得到了培養(yǎng)。然而，由于少數(shù)民族地區(qū)教育信息化發(fā)展落后、教育資源分配不均衡等因素，導(dǎo)致該地區(qū)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多問題，如實(shí)驗(yàn)儀器不齊全、設(shè)備陳舊老化、實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地?fù)頂D、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不完善等等。基于此，有必要通過中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)來解決少數(shù)民族地區(qū)在實(shí)際教學(xué)中遇到的問題，輔助傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，兩種教學(xué)方式相互增效，高效實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

二、少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問題

我國高度重視少數(shù)民族地區(qū)的教育問題，近年來，少數(shù)民族地區(qū)的教育規(guī)模不斷擴(kuò)大。截至2019年年底，基礎(chǔ)教育階段全國各級(jí)各類學(xué)校中，少數(shù)民族在校生共有3466.6萬人，是1951年98.3萬人的35倍之多。其中，普通中學(xué)少數(shù)民族在校生有678.6萬人，占全國學(xué)生總數(shù)比重的11.87%，而且少數(shù)民族學(xué)校和學(xué)生規(guī)模還在穩(wěn)步擴(kuò)大[2]。然而，少數(shù)民族地區(qū)各級(jí)各類學(xué)校教學(xué)中所面臨的問題也不少，其中，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的現(xiàn)狀及問題主要有以下四點(diǎn)：

1.偏遠(yuǎn)地區(qū)的教育信息化發(fā)展水平落后，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容常年不變

少數(shù)民族地區(qū)大部分屬于較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，受地理位置以及氣候條件的影響，造成一些偏遠(yuǎn)地區(qū)交通不便、出入困難，不便于與外界進(jìn)行信息交流，從而使得這些偏遠(yuǎn)地區(qū)的教育信息化水平嚴(yán)重滯后。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是比較基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，演示型實(shí)驗(yàn)不夠豐富，學(xué)生自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)更是少之又少，從而無法激發(fā)學(xué)生的理論學(xué)習(xí)興趣，也無法培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力?？傊Ｄ瓴蛔兊膶?shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)效果。

2.存在教育資源投入不到位、分配不均衡，實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施不夠完善的情況

由于少數(shù)民族地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后，可能會(huì)導(dǎo)致很大程度上加劇少數(shù)民族地區(qū)教育資源配置的不平衡和不充分[3]。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的落后、資源財(cái)力的有限都將會(huì)在很大程度上導(dǎo)致教育資源的投入不到位，辦學(xué)條件需要進(jìn)一步改善。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備沒有得到及時(shí)的完善及更新，不能滿足學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的切身體驗(yàn)，不能更全面地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，最終呈現(xiàn)的教學(xué)效果不佳，預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)也無法實(shí)現(xiàn)。

3.實(shí)驗(yàn)室的開放程度和利用率不高

少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課的授課方式是“理論+實(shí)操”，其中“實(shí)操”的時(shí)間是在教學(xué)課時(shí)內(nèi)，教師帶領(lǐng)學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)，而在課余時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室緊關(guān)大門，不對(duì)學(xué)生開放。實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生的開放程度比較低，導(dǎo)致其利用率也比較低，學(xué)校應(yīng)該提高開放實(shí)驗(yàn)室的重視程度，增加專職教師負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的開放工作量[4]。

4.師資力量薄弱、水平不高

受經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后、地理位置不佳等各種因素影響，少數(shù)民族地區(qū)很難吸引外界優(yōu)秀教師，而本土優(yōu)秀教師也會(huì)流入到發(fā)達(dá)地區(qū)，從而導(dǎo)致這些欠發(fā)達(dá)地區(qū)師資力量不足、師資水平不高。

少數(shù)民族地區(qū)的教師在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要存在以下一些不足：一是部分教師對(duì)示范整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的教學(xué)效果的重要性認(rèn)識(shí)不夠或不太重視，很少向?qū)W生演示實(shí)驗(yàn)，或較為機(jī)械化、形式化地演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生最多能夠了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論，不能深入理解實(shí)驗(yàn)過程和本質(zhì)，更不能熟練掌握物理實(shí)驗(yàn)過程所體現(xiàn)的思想和方法。二是大多數(shù)教師只是照搬教科書上的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)找實(shí)驗(yàn)儀器，如果實(shí)驗(yàn)室沒有對(duì)應(yīng)的儀器就略過此實(shí)驗(yàn)，教師不敢甚至不想去改變?cè)镜膶?shí)驗(yàn)計(jì)劃，以致于無法開展部分實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要解決的首要問題是如何更加合理地分配教育資源，然而由于少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，通常很難通過擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)室整體規(guī)模、增加實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備來解決其物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的首要問題，因此在中學(xué)階段引入虛擬實(shí)驗(yàn)室來輔助實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，成為一個(gè)很好的突破口。

三、中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

1.虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念

虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及多媒體技術(shù)的無墻實(shí)驗(yàn)中心，它不受時(shí)空的束縛，能夠隨時(shí)隨地操作使用，學(xué)生共同享用虛擬儀器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及學(xué)習(xí)資源，教師能夠及時(shí)給予學(xué)生指導(dǎo)，并且?guī)熒g可以隨時(shí)進(jìn)行討論交流[5]。通過虛擬仿真技術(shù)，將真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景虛擬化，進(jìn)而開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。虛擬實(shí)驗(yàn)一方面能夠節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，另一方面又能節(jié)約實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備工作的時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)操作效率[6]。

2.中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，在實(shí)現(xiàn)教育資源共享的同時(shí)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。最重要的是，中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室可以彌補(bǔ)因?qū)嶒?yàn)教學(xué)資源不足而帶來的問題，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地等方面的投入，并且能夠有效降低學(xué)生開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣和效率[7]。

與傳統(tǒng)的中學(xué)物理實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要具有以下五個(gè)優(yōu)勢(shì)：

第一，節(jié)約教學(xué)資源的投入成本，主要體現(xiàn)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地兩個(gè)方面。通過虛擬仿真技術(shù)將實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備虛擬化，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的重復(fù)利用，可以解決少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨的教育資源不充沛的問題。

第二，不受時(shí)間和空間的束縛，教師與學(xué)生可以挑選任意時(shí)間和地點(diǎn)開展中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。近年來，少數(shù)民族地區(qū)學(xué)生規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地?fù)頂D，一名教師不可能在有限的時(shí)間內(nèi)督促每一位學(xué)生的實(shí)際操作，也不可能滿足每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，以致于實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果大打折扣。然而，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，不受空間的限制，這是傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式所無法比擬的。

第三，不受客觀條件的影響，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的中學(xué)物理實(shí)體實(shí)驗(yàn)中比較難以開展的綜合性實(shí)驗(yàn)，在較小誤差的情況下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。比如，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證機(jī)械守恒定律時(shí)，由于摩擦和空氣阻力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果總會(huì)存在一定的誤差;可以防止一些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備所導(dǎo)致的與實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟幌喔傻牟涣家蛩亍１热?，線路接觸不佳、儀器設(shè)備存在故障等;可以有效避免實(shí)驗(yàn)儀器的損壞。比如，在做傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中短路過載及其防護(hù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生的錯(cuò)誤操作會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀器的直接性損壞。

第四，中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室具有開放性，虛擬器材庫品種齊全、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)易于操作，能夠有效解決少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不完善的問題。開放式實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)易于管理，整體適應(yīng)性好且受益面廣，能夠幫助少數(shù)民族地區(qū)增強(qiáng)師資力量，提高師資水平。

第五，中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效去除實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生自身安全存在的隱患，比如，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的托里拆利實(shí)驗(yàn)過程中，玻璃管內(nèi)的水銀存在重大安全隱患。而作為傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的輔助教學(xué)途徑，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以帶來比實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)更佳的實(shí)驗(yàn)效果，且能保證實(shí)驗(yàn)的安全性、精準(zhǔn)性，學(xué)生可以自主地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，大膽地探究實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的同時(shí)，保證了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的人身安全。

四、基于云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)物理混合式教學(xué)模式

現(xiàn)代教育技術(shù)正在全方位、深層次地融入到教與學(xué)的過程中，線上教學(xué)顯現(xiàn)出其突破時(shí)空限制、資源共享的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大。從艾媒咨詢機(jī)構(gòu)公布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示來看，2020年在線教育行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模同比增長35.5%至2573億元 ，整體線上化率23%～25%，疫情下教育領(lǐng)域獲融資最多，而其中在線教育最受資本青睞，2020年教育行業(yè)累計(jì)融資1164億元，其中在線教育融資金額1034億元，占比 89% [8]。

針對(duì)少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本文提出了基于云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)物理混合式教學(xué)模式，通過線上與線下相結(jié)合、傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互補(bǔ)充，高效實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。下面，筆者將從教學(xué)模式的構(gòu)成要素、教學(xué)模式的技術(shù)支持、云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)的基本架構(gòu)和功能三個(gè)方面著手，探討基于云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)物理混合式教學(xué)模式的基本框架。

1.教學(xué)模式的構(gòu)成要素

基于云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)物理混合式教學(xué)模式由五個(gè)基本要素構(gòu)成：理論基礎(chǔ)、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)程序、實(shí)現(xiàn)條件、教學(xué)評(píng)價(jià)。這五個(gè)基本要素是將教學(xué)理論運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐的關(guān)鍵媒介，其具體內(nèi)容分別如下：

（1）理論基礎(chǔ)

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)者的認(rèn)知并不是通過接收傳統(tǒng)教學(xué)中教師填鴨式的傳授得到的，而是一種以主體已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的主動(dòng)建構(gòu)?；诮?gòu)主義理論的新發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者創(chuàng)新性地將其冠以“新建構(gòu)主義”的名稱。新建構(gòu)主義理論強(qiáng)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的學(xué)習(xí)是一個(gè)零存整取、不斷重構(gòu)的過程[9]。建構(gòu)主義理論的新發(fā)展促進(jìn)了教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新。

（2）教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：學(xué)生能夠在新的情境中靈活運(yùn)用所學(xué)的中學(xué)物理知識(shí)概念進(jìn)行總結(jié)，并能夠建立合理聯(lián)系;能夠自主完成中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)操作，并能合理調(diào)整、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作步驟。

過程與方法目標(biāo)：學(xué)生通過中學(xué)物理探究，能夠掌握科學(xué)探究的基本方法，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)、探索與認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的科學(xué)過程;學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠認(rèn)識(shí)到與同學(xué)、教師交流合作的重要性，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作能解決物理探究過程中所遇到的實(shí)際問題。

情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：學(xué)生具有勇于探索、堅(jiān)持真理的科學(xué)態(tài)度以及主動(dòng)與他人交流合作的團(tuán)隊(duì)精神，在探究實(shí)踐中不斷提高自身的科研能力與科學(xué)素養(yǎng)。

（3）教學(xué)程序

課前預(yù)習(xí)→課中提出問題→做出假設(shè)→實(shí)踐驗(yàn)證→討論合作→分享成果→課后評(píng)價(jià)反饋→總結(jié)提高。此教學(xué)模式的教學(xué)程序是根據(jù)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本流程，基于“引導(dǎo)—發(fā)現(xiàn)式”教學(xué)模式的教學(xué)程序創(chuàng)新性變化而確立的。

（4）實(shí)現(xiàn)條件

在教學(xué)活動(dòng)中，以學(xué)生為中心，支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考，教師通過引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)獲得知識(shí)，教學(xué)過程中給予學(xué)生幫助與輔導(dǎo)，搭建云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)作為輔助傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)環(huán)境。

（5）教學(xué)評(píng)價(jià)

以教學(xué)目標(biāo)為依據(jù)，以自我評(píng)價(jià)為重點(diǎn)。學(xué)生課后總結(jié)未解決的疑惑以及學(xué)習(xí)需求，并對(duì)教師教學(xué)工作作出評(píng)價(jià)，主要包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)質(zhì)量;教師課后總結(jié)課中存在的問題，反思教學(xué)過程中的不足之處，通過布置課后作業(yè)或組織測(cè)驗(yàn)考試來對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果作出評(píng)價(jià)。

2.教學(xué)模式的技術(shù)支持

云計(jì)算技術(shù)是以互聯(lián)網(wǎng)為中心，利用Web提供快速且安全的訪問服務(wù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，使服務(wù)器的管理和應(yīng)用虛擬化。云計(jì)算技術(shù)可以解決有些學(xué)校計(jì)算機(jī)設(shè)備落后、運(yùn)行速度慢的問題。云計(jì)算技術(shù)的主要特點(diǎn)是客戶端的維護(hù)成本低、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理高效率、容錯(cuò)及負(fù)載能力高可用，最重要的是極其便捷，各種具有瀏覽器的設(shè)備都可以通過云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行訪問，這就為少數(shù)民族地區(qū)的遠(yuǎn)程教育提供了有力的技術(shù)支持。

3.云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)的基本架構(gòu)和功能

云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)是一種依托于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)通過實(shí)物仿真技術(shù)，具備中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)所需的各種儀器及實(shí)驗(yàn)工具，集實(shí)驗(yàn)資源信息、實(shí)驗(yàn)結(jié)果自動(dòng)批改、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理于一體，滿足了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。

云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)的總體架構(gòu)分為五層，每一層都為上一層提供服務(wù)：數(shù)據(jù)層涉及到多種類型虛擬實(shí)驗(yàn)組件及數(shù)據(jù);支撐層是整個(gè)平臺(tái)的核心框架，負(fù)責(zé)整個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)和管理;服務(wù)層提供虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的一些通用支持組件;仿真層最后為上層提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的格式化輸出;應(yīng)用層最終實(shí)現(xiàn)基站部署，利用服務(wù)層提供的功能及仿真層提供的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其總體架構(gòu)如圖1所示。

構(gòu)建中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的關(guān)鍵步驟：首先，利用云計(jì)算技術(shù)搭建云教育數(shù)據(jù)中心，并配置應(yīng)用程序和用戶終端服務(wù);其次，通過虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)創(chuàng)建中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景，主要包括中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)所需的虛擬儀器設(shè)備和虛擬實(shí)驗(yàn)工具;再次，將中學(xué)物理虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)室資源轉(zhuǎn)化為云服務(wù)資源，同時(shí)整合云教育平臺(tái)的優(yōu)勢(shì);最后，學(xué)生通過云終端進(jìn)入中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境[10]。

云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容有：①實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理，主要包括中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)布、增加、修改、刪除、答疑以及用戶信息的管理;②中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)儀器工具的共享、實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析及自動(dòng)批改;③中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與配置，主要指可提供DIY工具的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn);④師生之間或生生之間實(shí)時(shí)的互動(dòng)交流討論模塊、教學(xué)效果評(píng)價(jià)模塊。

4.基于云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)物理混合式教學(xué)模式

基于云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)物理混合式教學(xué)模式主要分為：課前自主學(xué)習(xí)、課中合作探究、課后反思總結(jié)階段，詳見圖2所示。

（1）課前自主學(xué)習(xí)階段

以學(xué)習(xí)任務(wù)為導(dǎo)向，主要通過云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)來進(jìn)行。教學(xué)者在實(shí)驗(yàn)課前設(shè)計(jì)并發(fā)布實(shí)驗(yàn)指南，再根據(jù)課程內(nèi)容適量地布置一些課前學(xué)習(xí)任務(wù)，然后搜集匯總有關(guān)輔助資源，統(tǒng)一將這些內(nèi)容以模塊的形式放在學(xué)習(xí)平臺(tái)上，通過發(fā)布通告、設(shè)置階段性的學(xué)習(xí)目標(biāo)以實(shí)時(shí)監(jiān)督學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)度，及時(shí)與學(xué)習(xí)者進(jìn)行線上交流，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)。學(xué)習(xí)者根據(jù)教學(xué)者發(fā)布的實(shí)驗(yàn)指南、學(xué)習(xí)任務(wù)以及輔助資源，合理安排時(shí)間進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉?shí)驗(yàn)步驟，完成教師布置的學(xué)習(xí)任務(wù)，存在不理解的問題應(yīng)及時(shí)與其他學(xué)生、教師進(jìn)行線上交流討論。

（2）課中合作探究階段

以答疑解惑為目的，可以通過云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)、線下或兩者結(jié)合的形式進(jìn)行。教學(xué)者在正式組織進(jìn)行教學(xué)之前，根據(jù)課前學(xué)習(xí)者在完成學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中所存在的共同問題進(jìn)行統(tǒng)一講授，然后有針對(duì)性地對(duì)學(xué)習(xí)者遇到的個(gè)別問題進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo);在講授完課程內(nèi)容后，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的主動(dòng)性、督促小組討論，最后解決存在的問題。學(xué)習(xí)者在教師正式組織進(jìn)行教學(xué)前，大膽提出課前線上學(xué)習(xí)所遺留的疑惑，探究存在的問題，在教師授課的同時(shí)，學(xué)習(xí)者也要進(jìn)行實(shí)踐操作，做到邊學(xué)邊做，然后積極參與小組交流討論，最后分享學(xué)習(xí)成果以及實(shí)驗(yàn)心得。

（3）課后反思總結(jié)階段

主要以自我評(píng)價(jià)為重點(diǎn)，同樣也可以通過多種形式來進(jìn)行。課后，教學(xué)者應(yīng)該根據(jù)學(xué)習(xí)者在課堂中的表現(xiàn)以及學(xué)習(xí)情況布置課后學(xué)習(xí)任務(wù)，以鞏固學(xué)習(xí)者存在問題較多的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)或較為薄弱的基礎(chǔ)知識(shí);然后總結(jié)授課過程中存在的問題、反思教學(xué)過程中的不足之處，以完善教學(xué)內(nèi)容和反饋教學(xué)資源的建設(shè);還應(yīng)與學(xué)習(xí)者及時(shí)交流，了解學(xué)習(xí)者對(duì)實(shí)驗(yàn)理論內(nèi)容的掌握情況以及對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的理解程度。學(xué)習(xí)者在課后可以通過撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方式，針對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)和反思，這樣不僅可以明了自身的學(xué)習(xí)需求，還可以鞏固基礎(chǔ)知識(shí);如果學(xué)習(xí)者存在對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)操環(huán)節(jié)掌握不熟練的情況，課后可以在云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行線上實(shí)踐操作;此外，學(xué)習(xí)者還應(yīng)自主完成教學(xué)者布置的學(xué)習(xí)任務(wù)。

五、總結(jié)

本文通過分析少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問題，提出了基于云計(jì)算虛擬實(shí)驗(yàn)室的中學(xué)物理混合式教學(xué)模式，為當(dāng)前少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有力支持。云計(jì)算學(xué)習(xí)平臺(tái)的應(yīng)用不應(yīng)僅局限于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可通過調(diào)整功能模塊，實(shí)現(xiàn)生物、化學(xué)等其他基礎(chǔ)教育學(xué)科在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的具體應(yīng)用。在少數(shù)民族地區(qū)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，應(yīng)用真實(shí)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠帶來更佳的教學(xué)效果，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種延續(xù)性創(chuàng)新，有助于高效實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

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