虛擬實驗室在中學物理教學中的應用
——以《帶電粒子在勻強磁場的運動》為例

胡 玲吳榮華蔡秀鋒彭 靖

（1.福建省華漁教育科技有限公司，福建 福州350000；2.福建師范大學 教育學院，福建 福州350000）

實驗教學是物理教學的重要組成部分，物理實驗教學不僅可以讓學生獲得物理知識，也能培養學生科學素養。隨著信息技術的發展和應用，數字化實驗室在中學實驗中的應用也越來越廣泛。數字實驗系統是教育信息化發展的需要，更是學生創新能力培養的重要方法和手段。《物理課程標準》指出，“學校要重視引導教師研究數字實驗系統對傳統實驗的改進方法，研究數字實驗系統的教學方式，促進教學手段與方式的現代化”。然而，在實際教學中，如何促進數字化實驗室與教學融合，仍是一個亟待解決的問題。聚焦數字化實驗室與教學融合，基于數字化實驗室的特點，結合具體案例探究其在教學中的應用模式，并總結出適用的中學物理實驗。

一、虛擬實驗室的應用模式

《物理課程標準》指出，數字實驗室系統是利用傳感器、數據采集器等收集數據，用計算機軟件分析實驗數據、得出實驗結果的現代化實驗系統。虛擬實驗室是一種比較常見的數字實驗室，它借助圖像/圖形、仿真和虛擬現實等技術，在計算機上創建一個可視化虛擬環境，教師或學生可以隨時進入其中操作儀器，進行各種實驗[1]。

物理實驗教學主要借助傳統儀器設備進行教學，以Flash動畫或實驗視頻為支撐。與這幾種形式相比，虛擬實驗室具有實驗器材無折舊、無實驗條件限制、可展示宏觀和微觀的實驗現象、可進行危險實驗等優點。因此，虛擬實驗室與其他教學形式相比，比較適合用于理想的實驗條件實驗（如勻速直線運動過程）、實驗現象過快或過慢的實驗（如打點計時器測速度）、危險實驗（如爆炸）、物理現象抽象或不可見的實驗（如電磁場）等。

在物理實驗教學中，物理實驗主要分為測量性實驗、驗證性實驗、探究性實驗、學習性實驗等[2]。虛擬實驗室在不同類型的實驗中應用模式有所不同。具體有如下幾種模式。

（一）測量性實驗的應用模式

測量性實驗旨在于培養學生測量某種物理量的能力。應用虛擬實驗室進行教學，包括三個階段。（1）實驗原理剖析階段。教師一邊利用語言講解測量原理，一邊用虛擬實驗室演示測量過程。（2）學生自主學習階段。學生根據教師所講解的實驗原理，利用虛擬物理實驗室進行實驗。（3）真實實驗階段。在虛擬實驗中，學生已經證實實驗設計是可以驗證的，這為真實實驗奠定了良好的基礎。學生在教師的輔導下，操作實驗設備，完成真實測量[3]。

（二）驗證性實驗的應用模式

驗證性實驗是指利用實驗驗證已知的物理規律。利用虛擬實驗室進行教學，包括三個階段。（1）實驗猜想。教師根據已知的實驗原理，引導學生猜想可能產生的實驗現象，并進行實驗設計。（2）真實實驗階段。教師或學生進行真實實驗，驗證實驗現象、實驗原理。（3）虛擬實驗階段。教師或學生利用虛擬實驗室，多角度驗證實驗現象、實驗原理。

（三）探究性實驗的應用模式

探究性實驗屬于開放性實驗，它以學生為主體，是對未知規律的設計、操作，進而得出結論。利用虛擬實驗室進行教學，包括以下五個階段。（1）提出問題。學生根據教師的引導提出問題。（2）猜想與假設。學生在教師的引導下，猜想可能存在的實驗情況。（3）設計實驗并實施實驗。在教師的引導下自主地設計實驗。（4）進行實驗和收集數據。用虛擬實驗室對所設計的實驗進行驗證性操作，并收集實驗數據。（5）分析結論并評估。在教師的引導下總結實驗現象，概括實驗規律，評估實驗方案。

（四）學習性實驗的應用模式

學習性實驗是讓學生掌握一種儀器的使用、學會一種實驗方法、理解一個實驗原理的一類實驗。利用虛擬實驗室進行教學，包括以下三個階段。（1）教師演示操作。教師在虛擬實驗室中演示實驗操作步驟，讓每個學生都可以清晰地看到操作。（2）學生練習操作。學生在虛擬實驗中鞏固實驗操作步驟，并注意細節。（3）學生真實實驗。在經過前兩個階段的熟悉和鞏固，學生已具備操作真實實驗的能力，其實驗動作技能得到進一步提升。

二、應用案例

筆者結合上述虛擬實驗室的教學應用模式，以高二物理《帶點粒子在勻強磁場的運動》課為例，結合101教育 PPT-虛擬實驗室（https：//ppt.101.com/），探究虛擬實驗室在教學中的應用。

（一）《帶電粒子在勻強磁場的運動》的教學設計與實施

1.教學內容分析

這節課是磁場這一章節知識的重要應用之一，也是力學知識和電磁學知識的綜合。通過對這一節知識的學習，學生能夠把洛倫茲力和動力學知識有機地結合起來，加深對力、磁場知識的理解，有利于培養學生用物理規律解決實際問題的能力。

2.學習者特征分析

學生已經具備運用牛頓運動定律分析力與運動的關系，能分析勻速圓周運動的向心力，會用功能關系分析物體運動情況。學生已經認識洛倫茲力，會判斷洛倫茲力的方向，會計算洛倫茲力的大小，并具備一定的三維空間思維能力。但是在認識帶電粒子的圓周運動規律時，空間想象力問題仍是本節最大的障礙。學生對如何顯示帶電粒子的運動軌跡感興趣，故而對洛倫茲力演示儀的工作原理表現出好奇心，并對實驗現象感興趣，對于洛倫茲力的應用也表現出一定的好奇。

3.教學目標分析

基于對教學內容的分析、學習者特征分析和《物理課程標準》中對實驗教學的要求，確立了該課程的教學目標：通過課程學習，能夠理解帶電粒子垂直進入磁場做勻速圓周運動；通過觀察洛倫茲力演示儀的結構，定性討論電子束偏轉的原理；會求帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動半徑、周期以及運動時間；能夠了解質譜儀的工作原理。同時，通過先有依據的猜想，再實驗驗證的順序，培養科學探究核心素養。

4《.帶點粒子在勻強磁場的運動》的教學實施

實驗教學主要包括實驗猜想、真實實驗、實驗結論等過程。《帶點粒子在勻強磁場的運動》包括兩個實驗，都屬于物理現象抽象類的實驗，就實驗類型而言，屬于驗證性實驗。每個實驗包括實驗猜想、真實實驗階段和虛擬實驗階段。具體框架如表1。

表1 《帶點粒子在勻強磁場的運動》的教學實施

圖1 學科工具-帶電粒子在勻強磁場中的運動圖

圖2 虛擬實驗室（洛倫茲力演示儀）

在案例中，學生不能直觀地“看到”洛倫茲力始終保持跟速度垂直，難以理解這一知識點。利用學科工具-帶電粒子在勻強磁場中的運動圖，學生動態地看到“洛倫茲力始終保持跟速度垂直”，使學生獲得關于洛倫茲力運動規律的感性認識，從而加深學生對這一知識點的記憶與理解。

在實驗演示課的復習鞏固環節，由于教師沒有足夠的時間通過實驗演示總結教學重難點，只能通過口頭講述重復教學重點。這樣的復習，不夠直觀，難以加深學生的記憶，總結效率低下。利用虛擬實驗室，教師可以快速地演示實驗過程，直觀地回顧教學內容。同時，教學的目的不僅僅在于讓學生理解知識點，更多的是知識應用與拓展。在實驗拓展環節，教學時間比較有限，教師一般采用口頭描述，如改變實驗條件會出現怎樣的實驗現象。但這樣的方式，學生無法直觀地看到這一拓展實驗的過程，可能難以想象或推演實驗想象。此時，利用虛擬實驗室，教師可以快速地改變實驗條件，如案例中改變粒子進入磁場的方向，直接演示實驗現象，并讓學生多角度（如側面）觀察實驗現象。這樣可以快速地引導學生思考，并進行實驗驗證，從而拓展知識內容。

（二）教學效果分析

為了探究虛擬實驗室對學生學習情況的影響，研究者在課程結束后對學生進行了問卷調查，問卷共計17道題，4個評價維度，即學生的學習興趣與態度、課堂體驗、學習效果、對虛擬實驗室的認可度。每道題代表1個觀點，學生從“完全同意”“部分同意”“中立”“部分不同意”“完全不同意”中選擇最合適的答案。其中，每個答案分別對應5分、4分、3分、2分、1分。

問卷采用隆巴赫系數進行內在一致性信度分析，信度系數為0.926，說明問卷信度非常好，17個項目之間具有很高的內部一致性。問卷發放43份，回收43份，有效問卷34份。

1.總體情況

從問卷數據來看，除1個題目外，其他題目的均值都在4.0以上，這說明幾乎所有題目的均值在4.0以上，其中“完全同意”及“部分同意”的學生占總人數70%以上。這說明大部分學生對虛擬實驗室在物理學習中持肯定態度。

2.學習興趣與態度

在學生學習興趣與態度上，包括在增加學習興趣、提高課堂注意力、提高課堂參與度和提升課堂效率上的均值在4.2-4.5之間，均值在“部分同意”（4分）以上。從數據中發現“完全同意”及“部分同意”的學生占總人數70%以上。這說明大部分學生認為使用虛擬實驗室對學生的興趣、注意力、課堂參與、學習效率上都有比較好的影響。

3.課堂學習體驗

在學生課堂學習體驗上，包括在促進知識理解、解決近期遇到的問題和對虛擬實驗教學形式的喜愛方面的均值在3.9-4.6之間，均值趨向于“部分同意”（4分）；從數據中發現“完全同意”及“部分同意”的學生占總人數70%以上。這說明大部分學生認為使用虛擬實驗室學習，能夠幫助自己理解知識內容，能夠幫助解決近期遇到的問題，同時大部分學生比較喜歡結合虛擬實驗上課的教學模式。

4.學習效果

從表2中可以發現，在學生課堂學習效果的影響中，每個題目的均值在 4.0-4.6 之間，均值在“部分同意”（4分）以上；從圖3中可以發現“完全同意”及“部分同意”的學生占總人數70%以上。這說明大部分學生愿意在課前與課后使用虛擬實驗室；同時使用虛擬實驗室教學，能夠促進學生對知識的理解，能夠幫助學生掌握實驗知識，能夠提高學生的實驗設計能力。同時，所有學生對“虛擬實驗使實驗步驟更清晰，實驗現象更直觀”上保持中立及其以上的態度。這說明所有學生都不否定虛擬實驗室的這一價值。

表2 學習效果評價數據表

圖3 學習效果評價數據圖

5.對虛擬實驗室的認可度

從表3中可以發現，在學生對虛擬實驗室教學認可度上，每個題目的均值在4.0-4.7之間，均值在“部分同意”（4分）以上；從圖4中可以發現“完全同意”及“部分同意”的學生占總人數70%以上。這說明大部分學生對虛擬實驗室的認可度相對較高，愿意使用虛擬實驗室，并愿意將虛擬實驗用到其他學科的學習中去。同時，所有學生對“將虛擬實驗用到其他學科中去”的問題上持中立及其以上的態度。這說明，所有學生都不反對將虛擬實驗應用于其他學科。

表3 虛擬實驗室認可度評價數據表

圖4 虛擬實驗室認可度評價數據圖

三、總結與反思

本研究基于虛擬實驗室的特點，總結出不同實驗類型的應用模式，并結合舉例案例《帶粒子在勻強磁場中的運動》探究虛擬實驗室的具體應用。同時，利用問卷法探究虛擬實驗室對學生學習的影響。虛擬實驗室除了適用于真實實驗可以演示的實驗外，還可以適用于實驗條件理想化、物理現象抽象、瞬間物理現象、危險物理現象、宏觀、微觀物理現象等特點的實驗。在測量性、驗證性、探究性、學習性實驗中，其應用模式有一定的差別，特別是在虛擬實驗室與真實實驗的關系上，虛擬實驗室可作為真實實驗的先導，作為學生熟悉實驗的工具；也可以作為真實實驗的輔助，快速重現實驗現象、輔助實驗原理、實驗結論的講解。本文通過案例研究發現，絕大部分學生喜歡老師用虛擬實驗上課，也同意將虛擬實驗用到其他的學科中去。他們認為虛擬實驗使實驗步驟更清晰，實驗現象更直觀。所以，從總體來看，學生對虛擬實驗室持肯定的態度。由于受課型、研究條件的限制，在研究方法上，本研究未對學生學習成績進行分析，研究不夠深入；并且在案例分析上，只分析了教師演示實驗，尚未對學生實驗進行分析；另外，適用虛擬實驗室的中學物理實驗還需課堂驗證。在今后的研究中，還需要進一步完善研究方法，進一步完善案例，或者以專題的形式對應用案例進行深入探討。