虛擬實驗在合作學習環境下對學生學習的作用研究

甘清源 岳志兵

摘要：在高新技術快速發展的今天，科學技術融入教學已成必然之勢。虛擬實驗的產生便是一個很好的例子。本文從中學物理虛擬實驗在小組合作學習模式下對復習課和新授課中的作用進行研究，并得出一般性結論，虛擬實驗對教學的輔助作用已經能夠凸顯出來，它直觀，可重復，不受時間和空間限制的特點，也促進了教和學的效率。

關鍵詞：虛擬實驗；小組合作；對比；作用分析

一、 物理分組實驗的優點和不足

中學物理是一門實驗科學，其中需要學習的許多知識和結論都是從實驗結果中推導出來的，比如牛頓第二定律F=ma的表達式，影響滑動摩擦力的因素，測電源電動勢和內阻等；也有許多理論推導的結果需要實驗來驗證，比如萬有引力定律等。

中學物理采取學生分組實驗的方式，由學生分工來完成一項物理實驗，觀察現象，記錄數據，分析數據，得出結論。這不僅是實驗的基本流程，也是從伽利略時代開始所建立的物理問題的科學的研究方法。

學生分組實驗有著很多優點，如：

1. 研究的問題清晰；

2. 實驗的進行方法多樣；

3. 實驗的設計比較簡單；

4. 需要的器材容易配備；

5. 分組實驗合理分工，效率較高；

6. 實驗現象明確，實驗結果易記錄；

7. 實驗具有極高的可重復性；

8. 能訓練和提升學生的實際動手能力，培養其科學的研究思想，增強實踐能力。

分組實驗，在中學物理教學中，是必不可少的一個環節。是提升學生思維和動手能力的一個重要環節。

分組實驗的作用體現在其對問題的探究和結論的得到上。但在學生的學習中，由于分組實驗具備。

1. 特定的空間性和時間性，也使分組實驗具備了一定的局限性。例如，在復習的過程中，要滿足考試對實驗技能的考察，就需要對實驗進行復習，而在復習過程中，主要憑借記憶或者適當的視頻和教師演示進行回顧，不能及時再現實驗的過程，回顧復習的效果比較差，很多結論是依靠死記硬背記住的，這與知識的理解要求和靈活應用不相適應。

2. 某些實驗由于其具有一定的危險性，我們只能通過視頻去學習，降低的實驗本身的實用價值。例如初中物理中的托里拆利實驗。

故我們需要研究一種能夠在平時，易于得到，便于操作，安全性高，簡單直觀的實驗方式。

隨著計算機技術的迅速發展，虛擬實驗的作用逐漸凸顯。

二、 虛擬實驗的可行性分析

虛擬實驗是借助計算機、VR等設備在現實實驗室之外進行的高仿真實驗，這種實驗方式打破了時間和空間的限制，讓學生借助輔助設備，在課堂中或課堂外利用網絡等媒介進行實驗以驗證結論或得到實驗數據的教學手段。

1. 國外

虛擬實驗首先出現在國內大學課堂中，為了增強學生對抽象概念的理解，以信息技術為載體，打造出的以學生為主體的實驗課堂模式。此模式的重點是激發學生主動學習的興趣，增強彼此合作，高度互動，動手實作的能力，實驗虛擬，過程可視，體現“教室就是實驗室”的理念。

近年來，由于VR等技術的發展和成熟，國外開始發展以虛擬現實為載體的虛擬實驗，大大增加了虛擬實驗的仿真性。

2. 國內

近幾年，我國在技術創新和高新技術的研發上做了大量的投入，也得到了大量的回報。因此在國內虛擬實驗的發展和應用上走在了世界的前列。教育部高等教育司《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》明確了信息化教學和實驗教學改革創新的方向。

在虛擬實驗的應用和開展上，各路工作者投身其中，但基本都是以高等教育為主。中學虛擬實驗的建設基本處于理論探究階段，并沒有確切的發展規劃。但在中學階段，虛擬實驗是一種值得借鑒的實驗方式。中學物理實驗的原理和實驗過程以及需要的器材一般都比較簡單，通過普通的計算機輔助程序便能設計出符合實用要求的虛擬實驗，供學生來開闊視野，及時地在課堂中再現實驗室里實驗的過程，使這兩種方式能相輔相成，提高教和學的效率，改變實驗課程少，試驗時間緊張的現狀，并讓全新的科學技術融入教學中，體現教育手段的與時俱進。

三、 虛擬實驗在高效課堂模式中的應用過程

基于以上考慮，在前期實驗歸類和素材積累分析的基礎上，我們收集了部分虛擬實驗的素材，并對其可用性進行分分析，然后進行課堂設計和改進再設計，具體的操作過程如下。

1. 素材的選取

在前期素材的積累過程中，我們對課本實驗進行了分類。列舉了一些簡單易行易操作的實驗。然后進行對應虛擬實驗素材的篩選，具體的幾個實驗為：

①力的合成實驗

②平拋運動實驗

③游標卡尺和螺旋測微器的使用

④研究彈簧彈力與伸長量實驗

⑤影響導體電阻的因素實驗

2. 虛擬實驗課程設計分析

在備選的五個虛擬實驗中，由于要進行課程設計，從課程的難易程度，以及虛擬實驗和分組實驗在操作上的仿真性對比分析，選擇實驗②和實驗③作為課程設計的備選實驗。

在設計課程時，為了需要，將實驗②設計為復習課虛擬實驗。而將實驗③選定為新課教學輔助虛擬實驗，其內容更加偏向分組實驗的教學內容。

樣本選擇A班和B班，樣本容量A班45人，B班45人。

實驗①②③均進行小組合作學習（在小組合作學習中，班級被分成7個學習小組，組內由物理學科組長帶領其他同學共同學習），并形成對比。

根據最終的考察結果分析，實驗②中，在A班應用虛擬實驗輔助教學，B班進行傳統講授，從課堂效果來看，A班同學熱情高漲，情緒被完全調動，能夠積極投入到學習中，而B班同學的表現則比較平靜。

在實驗③中，A、B班的成績比較相近，但B班由于在小組合作使用了虛擬實驗進行實驗重復操作，相對于A班，B班學生課堂的參與度更高，在基本實驗步驟和實驗操作中的失分更少。在數據讀取練習方面，A、B兩班出錯率基本一致。

四、 虛擬實驗在高效課堂模式中的作用分析

從設計過程和考察結果來看，虛擬實驗復習課堂，在復習的過程中，通過虛擬實驗的再現作用，能夠使學生更好地掌握實驗器材，實驗流程以及實驗注意事項。能幫助學生更形象地鞏固和掌握實驗內容。

虛擬實驗新授課，由于其帶入了全新的授課內容，且實操性很強，故能引起學生極大的興趣和參與熱情，再加上小組之間的競爭關系，使得課堂效果和收益取得了很大的提高。從課后的解題能力上來看，由于虛擬實驗課進行了實例分析計算，所以學生在具體問題的分析和知識的應用能力上都有一定的提高。

因此，在小組合作學習的課堂模式下，虛擬實驗教學無論在復習課還是新授課，都能夠起到良好的輔助作用，幫助學生更好地理解、掌握和應用所學的知識。

五、 總結和展望

此次實驗證實了虛擬實驗對新課程教育理念下的物理教學起到了良好的幫助作用，但實驗中也存在著不合理的地方，應在后來的實驗中進行修正和補充。

1. 樣本容量較少，故不能有效減小偶然因素的干擾。

2. 所選的實驗是在經過比對和篩選之后確定的，在難度和課操作性上已經預先進行了控制，所以此次實驗也存在一定的局限性。

3. 虛擬實驗素材質量參差不齊，導致某些虛擬實驗在備課和實操階段反而不如分組實驗直觀易懂。

4. 由于課程設計和虛擬實驗功能設計的原因，學生在實驗理論知識方面的掌握程度要遜色于在實驗操作方面的掌握程度。

5. 沒有使用調查問卷的形式，對學生的學習感受進行及時反饋。

6. 結果分析方法還不夠完善，不夠系統。

雖然仍有不足，但是其優點和所得到的結果卻讓然感到欣慰，在高新技術快速發展的今天，各行業都在應用不同的方式，進行著革新和進步。傳統教學也一定能在不斷的探索中，尋找到適合自己的變革方式，使教學手段更加先進，教學的成效更加顯著。在虛擬實驗被大學教學大量應用的今天，中學物理也能從中找到適合自己的方向，將虛擬實驗的優點帶入課堂，為學生服務，為教學服務。

參考文獻：

[1]賈志林.虛擬仿真實驗在中學物理實驗教學中的應用研究[J].中學物理，2010（12）：31-32.

[2]耿麗.中學物理虛擬實驗分析與設計[J].教育與裝備研究，2012（12）：58-60.

[3]馬鵬程.虛擬實驗在中學物理教學中的應用[J].產業與科技論壇，2016，15（19）：133-134.

[4]王煥香，姚紹欣.高中物理教學中網絡化虛擬實驗室的有效運用[J].高中數理化，2016（16）：32.

作者簡介：甘淸源，二級教師，甘肅省隴南市，成縣陜西師范大學成州中學；

岳志兵，一級教師，甘肅省隴南市，成縣陜西師范大學成州中學。