摘 要：虛擬實(shí)驗(yàn)有效融合于高中物理教學(xué)是信息時(shí)代下教育改革與發(fā)展的產(chǎn)物，相比部分傳統(tǒng)的高中物理實(shí)物實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境等因素的限制完成度不佳的情況，虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作、呈現(xiàn)方式、成本等方面都凸顯了優(yōu)勢(shì)。在“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”與NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)兩個(gè)平臺(tái)基礎(chǔ)上研究虛擬實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的策略，對(duì)比新課標(biāo)匯總適合高中物理必做實(shí)驗(yàn)探究的虛擬實(shí)驗(yàn)資源，搭建虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的簡(jiǎn)易混合式教學(xué)模式，并應(yīng)用于真實(shí)物理教學(xué)案例，以生為本收集反饋信息，對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析，從而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為教學(xué)質(zhì)量的提升與學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的培養(yǎng)提供新思路。

關(guān)鍵詞：高中物理;實(shí)驗(yàn)探究;“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”;NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)

1 虛擬實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中存在的意義

高中物理新課標(biāo)指出，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和探究能力的學(xué)科核心素養(yǎng)能力，是物理教學(xué)中應(yīng)重視的問題。物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)是核心，無論實(shí)驗(yàn)類型的不同、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头椒ǖ膮^(qū)分，實(shí)驗(yàn)器材與操作的差異，創(chuàng)造最佳的條件讓學(xué)生參與其中，親身體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)探究過程的魅力是最重要的。

1.1 傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)存在的問題

傳統(tǒng)的高中物理課堂中會(huì)存在受實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境等因素的限制而出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)探究無法正常完成的情況。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象細(xì)節(jié)上：因時(shí)空限制無法觀察和控制，類似電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象抽象，微觀、熱輻射等實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)不突出，實(shí)驗(yàn)變化現(xiàn)象太快難以觀察，變化太慢難以在課堂開展。實(shí)驗(yàn)操作上：實(shí)驗(yàn)誤差大，準(zhǔn)備繁瑣，材料獲取困難，實(shí)驗(yàn)過程有危險(xiǎn)性。實(shí)驗(yàn)設(shè)備上：實(shí)驗(yàn)器材舊化，怕學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)損壞儀器。實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)方式上：光學(xué)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中缺乏直觀的表現(xiàn)形式，可視性不夠，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存難度大，無法留痕。

1.2 信息技術(shù)環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生

《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》指出，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)推動(dòng)教育改革與發(fā)展，培養(yǎng)適應(yīng)未來信息化社會(huì)的人才，是新時(shí)代教育的產(chǎn)物;《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020）》從宏觀戰(zhàn)略高度提出要發(fā)揮信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的優(yōu)勢(shì)[ 1 ]，破解制約教育發(fā)展的難題;“2018教育部工作會(huì)議”提出虛擬仿真列為重點(diǎn)建設(shè)的五大類型“金課”之一，并著手開展全國虛擬仿真教學(xué)工程的建設(shè)工作。隨著“中小學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)”正式上線，《虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程建設(shè)與共享應(yīng)用規(guī)范》的發(fā)布，以及常規(guī)線下教學(xué)活動(dòng)受新冠肺炎疫情的影響，并通過一系列信息技術(shù)輔助教學(xué)文件的解讀，為虛擬實(shí)驗(yàn)的開展與應(yīng)用提供了條件。將虛擬實(shí)驗(yàn)作為輔助平臺(tái)合理、恰當(dāng)?shù)厝谌氲浇虒W(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，能夠與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相得益彰，發(fā)揮其最大效用，從而優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為教學(xué)質(zhì)量的提升提供新思路[ 2 ]。

1.3 虛擬實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的價(jià)值

目前較為普遍使用的中央電化教育館虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”）、NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、VR虛擬實(shí)驗(yàn)、DISLAB數(shù)字信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等智能技術(shù)，為學(xué)生創(chuàng)造了豐富的實(shí)驗(yàn)資源，每位學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和探究過程中，新鮮感十足，積極性滿分。虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與利用，為物理實(shí)驗(yàn)探究在實(shí)際操作中減小誤差，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的互動(dòng)性，營(yíng)造更安全的教學(xué)氛圍，創(chuàng)造了生動(dòng)直觀、形式多樣的教學(xué)環(huán)境，突破了時(shí)間與空間的限制，讓一些不可及不可逆的實(shí)驗(yàn)操作成為可能。如：解決實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到的真空的問題，通過虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M真空條件，直達(dá)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理。通過虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M電磁、電場(chǎng)、天體問題等，突破抽象的、課堂無法操作、現(xiàn)象不易直觀呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)問題，拓寬實(shí)驗(yàn)探究場(chǎng)景，減少實(shí)物實(shí)驗(yàn)器材的損耗，提高課堂教學(xué)的效率。

2 “央館虛擬實(shí)驗(yàn)”與NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)應(yīng)用中的策略

“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”與NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)享有優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，可根據(jù)不同教材版本和知識(shí)點(diǎn)檢索，配有多模塊的課程實(shí)驗(yàn)測(cè)試和同步教學(xué)練習(xí)，同時(shí)展示優(yōu)秀的應(yīng)用案例。“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”配有演示實(shí)驗(yàn)、實(shí)拍實(shí)驗(yàn)、3 D課件、VR課件等資源，將3 D、AI、VR前沿科技融合于實(shí)驗(yàn)探究。NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)中高中物理精品實(shí)驗(yàn)部分主要由若干個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，支持手機(jī)、電子白板、電腦、平板和電腦一體機(jī)等設(shè)備使用，以力學(xué)、電學(xué)、磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、光學(xué)、熱學(xué)和原子物理為主，兩個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真結(jié)果直觀、真實(shí)和自然[ 3 ]。

虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境通過教師活動(dòng)、教學(xué)過程、學(xué)生活動(dòng)三個(gè)方面展開教學(xué)，搭建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)理論分析結(jié)合的教學(xué)模式，如圖1所示。針對(duì)某一個(gè)教學(xué)活動(dòng)設(shè)置四個(gè)環(huán)節(jié)：教學(xué)過程教師創(chuàng)設(shè)問題情境，設(shè)置探究問題，利用情境設(shè)問激發(fā)學(xué)生探究的興趣;教師在自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)中進(jìn)行方法指導(dǎo)，提供NOBOOK物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，收集數(shù)據(jù)信息等方式，為下一步的理論分析提供借鑒和參考;教師在理論分析與交流協(xié)作環(huán)節(jié)中將理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合;最后總結(jié)提高，得出結(jié)論。這種理論推導(dǎo)與虛擬實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合的教學(xué)模式，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，完善學(xué)生知識(shí)和能力體系，也是學(xué)生物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)探究核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要體現(xiàn)[ 4 ]。

表1列舉了高中物理新課標(biāo)必修以及選擇性必修課程中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，與“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”和NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源進(jìn)行匯總對(duì)比，旨在高中物理教學(xué)中應(yīng)用物理虛擬實(shí)驗(yàn)展開教學(xué)，突破教學(xué)中的重難點(diǎn)，解決一些抽象物理概念、原理學(xué)習(xí)過程中的困難。除了新課標(biāo)中要求的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也提供多種實(shí)驗(yàn)探究方法供學(xué)生選擇學(xué)習(xí)。例如，除了傳統(tǒng)的斜面實(shí)驗(yàn)外，在探究a與F、m的關(guān)系中，還利用DIS傳感器、氣墊導(dǎo)軌等對(duì)牛頓第二定律進(jìn)行研究;不容易在“靜電場(chǎng)”章節(jié)中呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，可以在虛擬平臺(tái)找到素材。

如表2所示，教學(xué)中引用高中物理虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行融合的知識(shí)點(diǎn)與學(xué)科核心素養(yǎng)微能力點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，還原一些理想化的實(shí)驗(yàn)探究，教學(xué)過程學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)探究，自主式設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，及時(shí)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給學(xué)生感性認(rèn)識(shí)提供支撐，有助于科學(xué)思維能力與實(shí)驗(yàn)探究能力的核心素養(yǎng)在物理教學(xué)中的滲透。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)應(yīng)用中的案例分析

以高二物理“光導(dǎo)纖維及其應(yīng)用”一課為例：

【教學(xué)要求】 知道光導(dǎo)纖維及其工作原理，了解光纖通信系統(tǒng)的組成及我國光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀。

【課標(biāo)要求】初步了解光導(dǎo)纖維的原理和光纖在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，認(rèn)識(shí)光纖技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的重大影響。

【教學(xué)思路】 本節(jié)課以光纖燈滿天星引課，用水流導(dǎo)光實(shí)驗(yàn)?zāi)M光導(dǎo)纖維的傳輸原理，通過教師實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M、學(xué)生自主探究與小組合作探究、理論探究等環(huán)節(jié)，閱讀教材和相關(guān)資料，通過學(xué)生小組匯報(bào)的方式展示光導(dǎo)纖維在內(nèi)窺鏡、光纖通信、光纖照明等各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，教學(xué)流程如圖2。

【虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合的片段再現(xiàn)】

內(nèi)容一：教師演示實(shí)物水流導(dǎo)光+NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)與“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”模擬（圖3）。

解決問題：光為什么會(huì)被束縛在水中？

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)物實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生好奇心，并完成實(shí)驗(yàn)基本分析思路的提取。

內(nèi)容二：學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究：光在彎曲的玻璃絲中傳播+“央館虛擬實(shí)驗(yàn)”模擬（圖4）。

解決問題：光能否沿彎曲的玻璃絲從一端傳到另一端？

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提高探究和創(chuàng)新思維能力，為光導(dǎo)纖維知識(shí)做鋪墊。

【突破實(shí)驗(yàn)的困難點(diǎn)】本節(jié)課中演示水流導(dǎo)光實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)演示現(xiàn)象不明顯、不持久，需要他人輔助完成實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)物實(shí)驗(yàn)探究彎曲的有機(jī)玻璃能否導(dǎo)光時(shí)，如何有效地控制光在有機(jī)玻璃的端面的入射角，盡可能少的讓光束縛在彎曲的玻璃棒中不透射出來，這對(duì)實(shí)驗(yàn)操作有一定要求。利用虛擬實(shí)驗(yàn)去模擬上述過程，可以通過設(shè)置參數(shù)實(shí)時(shí)顯示出光路，操作上更理想化。虛擬實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)觀察現(xiàn)象，課上截取關(guān)鍵畫面，像水流導(dǎo)光實(shí)驗(yàn)中隨著液面下降導(dǎo)致水束更彎曲，引起入射角變化影響全反射條件，使得水束變紅，有更多的光折射出來這一難點(diǎn)，進(jìn)行理論分析，這些都是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不好實(shí)現(xiàn)的。

【素養(yǎng)提升】 案例中融合虛擬實(shí)驗(yàn)于物理教學(xué)，側(cè)重對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，利用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)探究模式，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出、分析、解決問題，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的能力，為光導(dǎo)纖維的理解與應(yīng)用鋪設(shè)理論基礎(chǔ)，從而更好地體會(huì)光導(dǎo)纖維在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用，有愛國主義熱情和科學(xué)態(tài)度，為科學(xué)家在光纖方面的偉大成果而感到自豪。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)應(yīng)用中的效果分析

課堂使用虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)后，問卷收集了98名實(shí)驗(yàn)班學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的感受，圖5的數(shù)據(jù)表明，大部分學(xué)生認(rèn)為通過虛擬實(shí)驗(yàn)自己動(dòng)手操作很有意思，近一半的同學(xué)認(rèn)為上課注意力更集中了，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，容易觀察。只有11.2%的同學(xué)認(rèn)為和平時(shí)沒有區(qū)別。從樣本數(shù)據(jù)上看，課堂使用虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)吸引學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣起到重要作用。從調(diào)查看出，學(xué)生對(duì)使用兩個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效融合有一定的認(rèn)可，后續(xù)將繼續(xù)通過調(diào)查分析學(xué)生對(duì)使用物理虛擬實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果，從而讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、組裝實(shí)驗(yàn)器材、熟練操作、數(shù)據(jù)分析等，提高實(shí)驗(yàn)探究的深度。

5 結(jié)論

物理虛擬實(shí)驗(yàn)凸顯了模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)操作的強(qiáng)大功能，虛擬實(shí)驗(yàn)并不是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的替代，而是在物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以真實(shí)呈現(xiàn)、不具備物理實(shí)驗(yàn)條件等情況下，搭建的虛實(shí)結(jié)合的輔助實(shí)驗(yàn)探究方式。如高中物理教學(xué)中天體的運(yùn)動(dòng)模塊，恰當(dāng)?shù)厥褂肗OBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M牛頓拋體設(shè)想、設(shè)置不同軌道半徑下衛(wèi)星的線速度的大小變化情況、從虛擬動(dòng)態(tài)的結(jié)果研究變軌問題和多星問題。帶電粒子在電場(chǎng)中加速直線運(yùn)動(dòng)與偏轉(zhuǎn)曲線運(yùn)動(dòng)內(nèi)容抽象，傳統(tǒng)教學(xué)以理論分析推導(dǎo)為主，課堂學(xué)生參與度不高，不易理解掌握。為了讓學(xué)生自主參與課堂，教學(xué)過程設(shè)計(jì)利用虛擬實(shí)驗(yàn)構(gòu)建物理模型，通過動(dòng)態(tài)修改粒子質(zhì)量、電荷量、射入電場(chǎng)的初速度大小等參數(shù)，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中直觀看到帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中速度大小和方向的實(shí)時(shí)變化情況。虛擬實(shí)驗(yàn)將難以直觀呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化，學(xué)生參與感強(qiáng)。

通過技術(shù)支持的課堂講授，搭建簡(jiǎn)易的虛擬實(shí)驗(yàn)與理論推導(dǎo)結(jié)合的混合教學(xué)模式，在課前預(yù)習(xí)、課中講授、課后鞏固等教學(xué)環(huán)節(jié)中進(jìn)行有效融合，激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、制定實(shí)驗(yàn)方案、觀察收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究能力，充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)以生為本，提高自主學(xué)習(xí)的意識(shí)。

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