摘要:虚拟实验能够增强物理实验教学的趣味性和吸引力，提高物理实验教学质量和效果．基于中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统在物理教学方面具有的全面化呈现实验内容、创设自主探究学习环境、提供沉浸式学习体验等优势，本文以“声音的特性”一节内容为例进行实验教学应用创新设计，并在武汉市二桥中学进行实施，发现其在提高学习成绩、增强学习体验等方面教学效果显著．

关键词:虚拟实验;中学物理;教学应用

1引言

实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，也是培养创新人才的重要途径．2019年11月，教育部发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，强调要创新实验教学方式，“促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果”［1］．传统的物理实验教学存在材料难获取、仪器成本高、现象不明显、操作难度大等问题［2］，虚拟实验教学能够有效弥补其不足．但是，如何将虚拟实验巧妙融入物理教学，使课堂教学摆脱客观因素限制，困扰着众多中学物理教师．本文结合中央电化教育馆(简称“央馆”)2021年度中小学虚拟实验教学应用创新案例———“声音的特性”，探究虚拟实验在中学物理教学中的应用．

2央馆虚拟实验教学应用优势

2．1全面化呈现实验内容

央馆中小学虚拟实验教学服务系统(简称“虚拟实验系统”)提供电学、磁学、声学、光学等六大物理实验引擎、400+元器件、2000+实验资源．使用虚拟实验系统能够高度逼真地还原物理实验现象，直观展示微观、复杂的实验过程，多角度呈现具体的实验细节．例如:在真实世界中声波看不见、摸不着，示波器仪器价格昂贵，实验过程不易观察;使用3D示波器元器件创建的虚拟实验教学资源可直观呈现声音相关参数的变化过程，协助学生建立抽象概念到具体内容之间的联系，调动其多感官参与，激发学生学习兴趣．

2．2创设自主探究学习情境

虚拟实验系统围绕实验教学内容和学习者特征，创设符合学习者认知发展规律的自主探究学习情境．该学习情境提供丰富的交互功能和灵活的协作会话机制，支持学生自由拼装创新实验，充分满足其实验探索的需求．学生在系统中可自主设计实验目的、选择实验用品、设计实验步骤、开展实验操作，通过实验交流与反思活动形成具体的经验，完成对知识意义的建构．例如:学生可以自由选择钢琴、音叉、示波器等不同的声学虚拟元器件和仪器，通过模拟声学实验流程和操作，得到并分析实验数据，从而明晰声音的三大特性与其决定因素，提升独立思考、解决问题的能力．

2．3提供沉浸式学习体验

虚拟实验系统采用3D、VＲ等先进技术整合丰富媒体资源，模拟真实物理实验，为学生提供多角度的体验和情境化的学习环境［3］．学生在系统中开展物理实验时，能获得清晰的操作目标与及时的错误反馈，令其注意力高度集中，全身心投入到物理虚拟实验环境中深入思考，达到深度学习、高效学习的效果．例如:在物理声学实验中高仿真的声波实验内容与可视化的示波器实验结果帮助学生形成全方位的感知体验，充分理解和记忆声学课程内容，促进知识的转化与迁移．

3应用案例

笔者利用上述虚拟实验教学应用优势，采用虚拟实验系统开展物理教学，以人教版八年级上册“声音的特性”一课为例，详细讲解虚拟实验在中学物理教学中的应用．

3．1“声音的特性”教学设计与实施

3．1．1教学内容分析．本节课是“声现象”章节的核心内容，包含的知识难度不高，但内容较多，知识密度较大，需要依托大量丰富有趣的实验，教师如何精选和设置实验使知识间的逻辑关系清晰且易于接受，是本节课设计的重点．通过本节课的学习，学生能够厘清响度与振幅、音调与频率、音色与发声体之间的关系，辨别不同特性声音的波形图，有利于培养学生观察、动手和探究能力．3．1．2学习者特征分析．学生已经初步掌握声音由物体振动产生，并以波的形式传播，并具备一定的推理与归纳能力．然而在理解音调、音色、波形图等物理概念时，抽象思维能力仍是本节教学最大的障碍［4］．学生对声音的认识更多来源于生活经验，故而对声音本身的特性充满好奇心，对乐器发声的内在原理十分感兴趣，对于声波的具象化呈现也充满期待．3．1．3教学目标分析．基于对教学内容、学习者特征的分析以及《义务教育物理课程标准(2022年版)》中对实验教学的要求，制定本节课的教学目标:知道声音的音调与发声体的振动频率有关，响度与发声体的振幅有关，音色与发声体材料有关;通过钢尺振动实验发现音调与振动频率的关系，了解“转换法”与“控制变量法”在物理研究中的运用;感受物体发声的丰富多彩，逐步养成认真细致的观察习惯和求真态度．3．1．4教学实施过程．本节课分为五个教学环节，本着“相互补充、虚实结合、能实不虚、用出价值”的应用原则，在“导拨释疑，探究新知”与“视频过渡，开展实验”两个主要教学环节融入虚拟实验系统，涉及“观察不同乐器发出声音的波形”“探究决定声音响度的因素”“声音的波形”三个资源．为丰富、创新课堂教学形式，笔者特别加入自制原创抗疫歌曲视频《最美的星星》、现场弹奏著名古琴曲《流水》等活动，具体框架见表1．相较于传统物理教学，在本节课中，教师利用虚拟实验以虚促实，为学生动态展示不同乐器发声时的波形变化，使学生通过听、看、想、做，主动、独立、积极地获取知识，完成知识建构与内化，帮助学生更好地理解物理概念，增强创新意识［5］．虚拟实验系统中“观察不同乐器发出声音的波形”3D课件包含虚拟示波器和各种乐器(如图1所示)，教师能够灵活调取虚拟实验所需元件，全方位呈现仿真化实验器材、清晰的实验步骤，动态展示不同音色的波形图．借助“探究决定声音响度的因素”演示视频观察乒乓球靠近振动音叉时的变化，放大实验细节，令实验效果更明显、直观．“声音的波形”3D课件展示不同频率声音的波形变化，增强学生视觉和听觉感受，化抽象为具体，有助于学生更好地理解振幅、频率等抽象物理概念，从而为达成教学目标提供坚实有力的保障［6］．

3．2教学效果分析

为进一步探究虚拟实验对物理教学效果的影响，笔者在武汉市二桥中学随机选取八年级两个平行班开展对比实验，在教学前、后通过问卷星发放问卷对学生进行调查，时间为15分钟左右．教学前主要测试学生的前认知水平，以排除客观差异;教学后从知识检测、学习46体验、虚拟实验接受度三个方面进行评价．为避免前测对后测产生“练习效应”影响，前后测的题目围绕音色、音调、响度和波形图四个知识点设置为不同内容，其难度相似，均为10道客观题，每题10分;学习体验、虚拟实验接受度共计25道题，学生从“完全不符”“基本不符”“不能确定”“基本符合”“完全符合”中选择符合其实际情况的答案，答案分值对应1～5分．问卷采用克隆巴赫系数进行信度分析，信度系数为0．968，表明信度非常好．在实验结束后，共回收74份前后测试卷和学习体验量表，回收率100%，剔除无效问卷后得到70份问卷，有效率95%，重新编码部分题项后，录入到SPSS27．0软件开展数据分析．3．2．1学习成绩．由独立样本T检验可知，对照组均值60．6分，实验组均值54．5分，P=0．138＞0．05，前测成绩不存在显著差异，说明两个班同质，具有相同的学习起点．教学后实验组的成绩平均分(M=72．1)提升幅度大于对照组(M=63．0)(如图2所示)，说明使用虚拟实验教学可以显著提高学习者的知识测试成绩．3．2．2学习体验．本研究从学习满意度、自我效能感、沉浸感三个方面分析学生在课堂学习中的学习体验．实验结果见表2，在学习满意度、自我效能感、沉浸感三方面，实验组均值都高于对照组，这表明虚拟实验教学相比传统教学能让学习者产生更高的满意度，完成任务时获得更强烈的成就感，并能提供更强的沉浸感，激发其学习兴趣．3．2．3虚拟实验接受度．本研究从感知有用性和感知易用性两个方面入手分析学生对虚拟实验的接受度，分析结果见表3，实验组在两方面的均值都高于对照组，这说明相较于传统的图片和视频教学，学生更加接受与认可虚拟实验教学．表2学习体验分析结果类别对照组实验组均值(M)均值(M)学习满意度27．7029．21自我效能感18．0019．24沉浸感12．6414．33表3虚拟实验接受度分析结果类别对照组实验组均值(M)均值(M)感知有用性18．3019．27感知易用性17．9719．48

4总结

本研究针对传统实验教学存在的问题，分析、总结虚拟实验运用于中学物理教学的优势，并以“声音的特性”为例重点研究虚拟实验在教学各个环节中的运用方式．同时采用对比实验，利用问卷调查法探究虚拟实验的教学效果，结果表明，使用虚拟实验辅助教学对学生知识测试成绩的提升、学习体验效果均优于传统教学，学生对虚拟实验接受度也较高．因此，教师采用虚拟实验辅助教学有利于突破教学重、难点问题，促进学生对抽象概念的理解，能更好地发挥学生主体性，提升教学效果．

参考文献:

［1］中华人民共和国教育部．教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见［J］．中华人民共和国教育部公报，2019(12):19－21．

［2］刘斌，刘金梅，尹亚玲，邓莉．虚拟仿真实验辅助物理实验教学功能的开发［J］．物理实验，2020，40(10):40－46．

［3］何聚厚，梁瑞娜，韩广欣，肖鑫，梁玉帅．基于虚拟现实技术的深度学习场域模型构建研究［J］．电化教育研究，2019，40(01):59－66．

［4］朱美健．物理教材编写要符合学生的认知规律［J］．课程·教材·教法，2008(08):50－53+58．

［5］王燕．结合虚拟实验优化初中物理教学［J］．科学咨询(教育科研)，2022(01):208－210．

［6］李伟，蔡燃，宋伟，马传连．虚拟仿真实验在中学物理教学中的应用实践———以《欧姆定律》课程为例［J］．中国教育信息化，2021(24):35－39．

作者:姚佳 靳帅贞 史颜君 马玉洁 邓雅心 冯思佳 单位:武汉市二桥中学