央館虛擬實驗輔助高中物理教學的創新實踐

福建省寧德市高級中學 丁友雪

2019 年教育部發布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，指出：“各地各校要豐富實驗教學實施形式，綜合運用觀察、觀測、模擬、體驗、設計、編程、制作、加工、飼養、種植、參觀、調查等多種方式，促進傳統實驗教學與現代新興科技有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學質量和效果。對于因受時空限制而在現實世界中無法觀察和控制的事物和現象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環境有危害的實驗，可用增強現實、虛擬現實等技術手段呈現。”“鼓勵有條件的地方和學校，積極利用信息技術手段開展實驗教學管理，探索通過購買服務方式開展特色實驗教學或實踐活動。”

虛擬實驗是借助于多媒體、仿真和虛擬現實（又稱VR）等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者通過人機交互的方式操作實驗，進行各種實驗項目，所獲得的實驗效果與真實的實驗環境中獲得的實驗效果相比，一致甚至更優。

一、中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統介紹

央館虛擬實驗教學服務系統上的資源類型有視頻類、交互課件類和仿真測試類。涵蓋的學科有初、高中學段的物理、化學、生物以及小學學段的科學，并且幾乎覆蓋了所有國內主流教材版本。目前已有資源共計4862項，可以直接使用已有資源，也可以在已有資源的基礎上進行自主編輯創作，還可以在平臺上給學生統一分發實驗練習和實驗測試任務。央館虛擬實驗教學服務系統整體模塊構成如表1 所示。

表1 央館虛擬實驗教學服務系統整體模塊構成

其中，物理學科目前已有資源共計1804 項，基本上初、高中各學段、各版本教材的每節新課下都有相應的資源，分布概況如表2 所示。

表2 央館虛擬實驗教學服務平臺物理學科資源分布概況

二、央館虛擬實驗教學服務平臺輔助高中物理教學的應用實踐

（一）利用虛擬實驗輔助演示實驗

在教學過程中，進行演示實驗時往往會碰到這樣的問題：有時候多個教師同一時間上同一節課，實驗室器材不足，導致一些演示實驗只能口頭講授或者圖片展示；一些演示器材形狀較小，如電動機小模型、游標卡尺的讀數教學、液體的毛細現象等，雖然這些實驗簡單易行，但由于其體型太小，學生很難觀察清楚，演示效果不好；部分演示實驗，比如觀察桌面的微小形變、靜電實驗、光的色散與偏振等，現象不夠明顯，學生體驗不深刻；而一些電磁學的實驗中，由于真實實驗無法展示電場線、磁感線這些肉眼無法觀察到的現象，對學生理解知識造成一定的阻礙。虛擬實驗能夠提供充足的實驗器材、逼真的物理實驗情境，可視性強、操作簡單，上述這些實驗完全可以利用虛擬實驗來輔助完成。

例如，在人教版高中物理選擇性必修二第一章第3節“帶電粒子在勻強磁場中的運動”一課中，需要用洛倫茲力演示儀，讓學生觀察粒子在勻強磁場中的運動軌跡。圖1 和圖2 分別展示了真實實驗裝置與央館系統上的虛擬實驗裝置。真實的實驗裝置老舊且笨重，磁場分布不可見。虛擬實驗裝置完全模擬真實實驗裝置，同時又補足了其短板，實驗效果明顯，磁場清晰可見。首先，虛擬實驗裝置可以在白板大屏上展示，可以放大到每個細節，全體學生都可以清晰地觀察到實驗過程；其次，它可以360 度展示，學生可以從不同的角度去觀察，彌補了空間想象能力的不足，增加了立體感知；最后，它還可以顯示勵磁電流的方向，顯示磁感線的分布，讓抽象變得具象。課堂上教師先演示真實實驗，再回到虛擬系統將磁感線展示出來，讓學生結合左手定則去判斷粒子的軌跡及旋轉方向，虛實結合，大大提升了實驗的教學效果。

圖1 洛倫茲力演示儀真實實驗裝置

圖2 洛倫茲力演示儀虛擬實驗裝置

（二）利用虛擬實驗輔助學生分組實驗

1.利用虛擬實驗輔助學校不具備條件開展的學生實驗

高中物理實驗中有一些學生實驗，學校并不具備實驗條件。比如氣墊導軌驗證動量守恒、楊氏雙縫干涉實驗，由于實驗儀器體積大又昂貴，學校購買的數量不足以開展學生實驗；像微觀運動的實驗則無法用實物完成；油膜法測分子的大小實驗，操作復雜、操作時間久、誤差大，在實際教學中基本沒有安排學生操作。而虛擬實驗就可以解決這些痛點。

例如，在人教版高中物理選擇性必修三第一章第一節“分子動理論的基本內容”中，教師需要給學生講解布朗運動。這是一個微觀運動，它反映了物體的分子在不停地做無規則運動。要得到這個結論，需要利用高倍顯微鏡觀察并追蹤墨水中小碳粒的運動軌跡。圖3 為央館平臺上的“利用顯微鏡觀察微粒運動”的虛擬實驗。對此，可以創設這樣的學習情境：先讓學生觀看平臺上的實拍視頻，觀察小碳粒的運動，再由教師課堂上演示3D 實驗的操作步驟，最后讓學生動手操作3D 實驗。通過這一系列的操作，不僅將微觀的現象轉化成了直觀的、可視的、動態的，而且學生還能通過動手操作感受實驗帶來的直觀體驗，有利于建立感性認識。除此之外，由于虛擬實驗不存在真實實驗中調試設備的問題，故而省去了許多不必要的實驗步驟，使得實驗操作簡單、便捷，而且實驗過程中的誤差明顯減小，提高了實驗的可信度。

圖3 利用顯微鏡觀察微粒運動

2.利用虛擬實驗輔助學生必做實驗的練習

真實實驗所使用的實驗儀器，隨著使用次數的增加，儀器的磨損率變大，特別是在電學實驗中，常常出現導線斷了、電表不動、燈泡燒了等情況。實驗過程中教師和學生常常疲于檢查修補儀器，嚴重影響了實驗的效率和學生的積極性。利用虛擬實驗輔助，可以將教師、學生從修補儀器中解脫出來。利用平臺上提供的3D 實驗演示視頻，可以大大縮短教師講解實驗的時間，從而增加了學生動手操作的時間。學生實驗過程中，系統會對錯誤操作進行提示，學生可以重新設置，不必擔心儀器損壞，故而敢于放心大膽地試錯。另外，傳統實驗課中，一個教師要面向一個班的學生教學，教師很難關注到每個學生的每個實驗操作步驟是否規范、正確。而虛擬實驗中設計了AI 智能助教，在學生自主練習時，能夠在線實時進行實驗步驟指導、知識講解、錯誤提醒、糾正錯誤等，解決了專業實驗課師資匱乏的問題。教師還可以通過平臺統一分發實驗練習，平臺通過大數據技術采集學生的數據，明確實驗過程中的難點、易錯點等，幫助教師輕松準確地掌握班級全體和學生個體的實驗知識掌握情況。傳統實驗只能在實驗室進行，而虛擬實驗則可以突破時空限制，學生可以反復練習和自測，從而達到熟悉實驗步驟，提高自身臨場實操水平的目的。

例如，在“探究兩個互成角度的力的合成規律”的實驗課中，教師在引導學生進行實驗目的、原理、器材、步驟等知識講解之后，可安排VR 實驗練習。圖4 為VR 練習模式的場景。首先，教師示范操作VR 設備，白板大屏直播實時呈現；然后將學生分組，每組1 到2 個學生進行操作，其他學生通過外接顯示器觀看操作并對正確操作和錯誤操作進行記錄；最后小組討論操作中錯誤的點，并歸納出正確操作的要點。在借助VR 虛擬實驗實現針對性指導和幫助之后，再安排學生操作實物實驗，這樣學生的熟練程度會提高，實驗過程中出錯率會減少，實驗流程更加清晰，實驗效率得到提高，從而有效地發展了學生實驗素養。

圖4 探究兩個互成角度的力的合成規律

（三）利用虛擬實驗進行實驗操作測試

在傳統的實驗操作考試中，通常一個教師要監考十幾個學生，難以關注到學生的實驗操作過程，考試評價就是基于學生最終的實驗結果來給定。在普通高中實驗操作合格性測試中，引入VR 測試模式，測試過程可以細化到對學生每個操作步驟是否規范進行給分，進而讓實驗由模糊的評價走入量化的評價。由于評價標準是統一的，也體現了公平性，還可以解決學生在實驗操作考試過程中出現的作弊、蒙混過關等現象。

（四）利用虛擬實驗開展校本課程、研究性課題

當前高中物理實驗課堂中，學生動手操作機會少，教師指導不夠。教師通過開發虛擬實驗校本課程，將實驗課延伸到第二課堂。學生通過在校本課上操作3D、VR仿真實驗練習，增加了動手實踐的機會，加強了對實驗規范操作的體驗，提高了動手能力和實驗技能。傳統實驗教學由教師主導，器材、步驟都是限定好的，不利于學生知識的自主構建。教師可以借助央館虛擬實驗平臺的實驗創編功能開展研究性課題，布置一些教材延伸內容，供學生思考。學生利用創編系統中的3D 實驗器材庫，自主設計新的實驗方案，并在平臺上試錯糾錯、探索未知、發展創新思維和創造能力。

虛擬實驗對高中物理實驗教學的輔助作用是顯著的，但同時虛擬實驗也存在很多局限性。由于沒有實物操作，學生無法獲得對實物的感性認識，對元器件性能及參數的了解感觸不夠深刻；另外，虛擬實驗在培養學生實際動手能力和對實物誤差的分析能力方面也是一個弱項。所以虛擬實驗不能代替真實實驗，在實驗教學過程中只是起到輔助的作用。在教學過程中，應遵循虛實結合、能實不虛、以虛促實的原則，運用好虛擬實驗這個工具，讓它更好地為實驗教學服務。