虚拟实验在合作学习环境下对学生学习的作用研究

甘清源 岳志兵

摘要：在高新技术快速发展的今天，科学技术融入教学已成必然之势。虚拟实验的产生便是一个很好的例子。本文从中学物理虚拟实验在小组合作学习模式下对复习课和新授课中的作用进行研究，并得出一般性结论，虚拟实验对教学的辅助作用已经能够凸显出来，它直观，可重复，不受时间和空间限制的特点，也促进了教和学的效率。

关键词：虚拟实验；小组合作；对比；作用分析

一、 物理分组实验的优点和不足

中学物理是一门实验科学，其中需要学习的许多知识和结论都是从实验结果中推导出来的，比如牛顿第二定律F=ma的表达式，影响滑动摩擦力的因素，测电源电动势和内阻等；也有许多理论推导的结果需要实验来验证，比如万有引力定律等。

中学物理采取学生分组实验的方式，由学生分工来完成一项物理实验，观察现象，记录数据，分析数据，得出结论。这不仅是实验的基本流程，也是从伽利略时代开始所建立的物理问题的科学的研究方法。

学生分组实验有着很多优点，如：

1. 研究的问题清晰；

2. 实验的进行方法多样；

3. 实验的设计比较简单；

4. 需要的器材容易配备；

5. 分组实验合理分工，效率较高；

6. 实验现象明确，实验结果易记录；

7. 实验具有极高的可重复性；

8. 能训练和提升学生的实际动手能力，培养其科学的研究思想，增强实践能力。

分组实验，在中学物理教学中，是必不可少的一个环节。是提升学生思维和动手能力的一个重要环节。

分组实验的作用体现在其对问题的探究和结论的得到上。但在学生的学习中，由于分组实验具备。

1. 特定的空间性和时间性，也使分组实验具备了一定的局限性。例如，在复习的过程中，要满足考试对实验技能的考察，就需要对实验进行复习，而在复习过程中，主要凭借记忆或者适当的视频和教师演示进行回顾，不能及时再现实验的过程，回顾复习的效果比较差，很多结论是依靠死记硬背记住的，这与知识的理解要求和灵活应用不相适应。

2. 某些实验由于其具有一定的危险性，我们只能通过视频去学习，降低的实验本身的实用价值。例如初中物理中的托里拆利实验。

故我们需要研究一种能够在平时，易于得到，便于操作，安全性高，简单直观的实验方式。

随着计算机技术的迅速发展，虚拟实验的作用逐渐凸显。

二、 虚拟实验的可行性分析

虚拟实验是借助计算机、VR等设备在现实实验室之外进行的高仿真实验，这种实验方式打破了时间和空间的限制，让学生借助辅助设备，在课堂中或课堂外利用网络等媒介进行实验以验证结论或得到实验数据的教学手段。

1. 国外

虚拟实验首先出现在国内大学课堂中，为了增强学生对抽象概念的理解，以信息技术为载体，打造出的以学生为主体的实验课堂模式。此模式的重点是激发学生主动学习的兴趣，增强彼此合作，高度互动，动手实作的能力，实验虚拟，过程可视，体现“教室就是实验室”的理念。

近年来，由于VR等技术的发展和成熟，国外开始发展以虚拟现实为载体的虚拟实验，大大增加了虚拟实验的仿真性。

2. 国内

近几年，我国在技术创新和高新技术的研发上做了大量的投入，也得到了大量的回报。因此在国内虚拟实验的发展和应用上走在了世界的前列。教育部高等教育司《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》明确了信息化教学和实验教学改革创新的方向。

在虚拟实验的应用和开展上，各路工作者投身其中，但基本都是以高等教育为主。中学虚拟实验的建设基本处于理论探究阶段，并没有确切的发展规划。但在中学阶段，虚拟实验是一种值得借鉴的实验方式。中学物理实验的原理和实验过程以及需要的器材一般都比较简单，通过普通的计算机辅助程序便能设计出符合实用要求的虚拟实验，供学生来开阔视野，及时地在课堂中再现实验室里实验的过程，使这两种方式能相辅相成，提高教和学的效率，改变实验课程少，试验时间紧张的现状，并让全新的科学技术融入教学中，体现教育手段的与时俱进。

三、 虚拟实验在高效课堂模式中的应用过程

基于以上考虑，在前期实验归类和素材积累分析的基础上，我们收集了部分虚拟实验的素材，并对其可用性进行分分析，然后进行课堂设计和改进再设计，具体的操作过程如下。

1. 素材的选取

在前期素材的积累过程中，我们对课本实验进行了分类。列举了一些简单易行易操作的实验。然后进行对应虚拟实验素材的篩选，具体的几个实验为：

①力的合成实验

②平抛运动实验

③游标卡尺和螺旋测微器的使用

④研究弹簧弹力与伸长量实验

⑤影响导体电阻的因素实验

2. 虚拟实验课程设计分析

在备选的五个虚拟实验中，由于要进行课程设计，从课程的难易程度，以及虚拟实验和分组实验在操作上的仿真性对比分析，选择实验②和实验③作为课程设计的备选实验。

在设计课程时，为了需要，将实验②设计为复习课虚拟实验。而将实验③选定为新课教学辅助虚拟实验，其内容更加偏向分组实验的教学内容。

样本选择A班和B班，样本容量A班45人，B班45人。

实验①②③均进行小组合作学习（在小组合作学习中，班级被分成7个学习小组，组内由物理学科组长带领其他同学共同学习），并形成对比。

根据最终的考察结果分析，实验②中，在A班应用虚拟实验辅助教学，B班进行传统讲授，从课堂效果来看，A班同学热情高涨，情绪被完全调动，能够积极投入到学习中，而B班同学的表现则比较平静。

在实验③中，A、B班的成绩比较相近，但B班由于在小组合作使用了虚拟实验进行实验重复操作，相对于A班，B班学生课堂的参与度更高，在基本实验步骤和实验操作中的失分更少。在数据读取练习方面，A、B两班出错率基本一致。

四、 虚拟实验在高效课堂模式中的作用分析

从设计过程和考察结果来看，虚拟实验复习课堂，在复习的过程中，通过虚拟实验的再现作用，能够使学生更好地掌握实验器材，实验流程以及实验注意事項。能帮助学生更形象地巩固和掌握实验内容。

虚拟实验新授课，由于其带入了全新的授课内容，且实操性很强，故能引起学生极大的兴趣和参与热情，再加上小组之间的竞争关系，使得课堂效果和收益取得了很大的提高。从课后的解题能力上来看，由于虚拟实验课进行了实例分析计算，所以学生在具体问题的分析和知识的应用能力上都有一定的提高。

因此，在小组合作学习的课堂模式下，虚拟实验教学无论在复习课还是新授课，都能够起到良好的辅助作用，帮助学生更好地理解、掌握和应用所学的知识。

五、 总结和展望

此次实验证实了虚拟实验对新课程教育理念下的物理教学起到了良好的帮助作用，但实验中也存在着不合理的地方，应在后来的实验中进行修正和补充。

1. 样本容量较少，故不能有效减小偶然因素的干扰。

2. 所选的实验是在经过比对和筛选之后确定的，在难度和课操作性上已经预先进行了控制，所以此次实验也存在一定的局限性。

3. 虚拟实验素材质量参差不齐，导致某些虚拟实验在备课和实操阶段反而不如分组实验直观易懂。

4. 由于课程设计和虚拟实验功能设计的原因，学生在实验理论知识方面的掌握程度要逊色于在实验操作方面的掌握程度。

5. 没有使用调查问卷的形式，对学生的学习感受进行及时反馈。

6. 结果分析方法还不够完善，不够系统。

虽然仍有不足，但是其优点和所得到的结果却让然感到欣慰，在高新技术快速发展的今天，各行业都在应用不同的方式，进行着革新和进步。传统教学也一定能在不断的探索中，寻找到适合自己的变革方式，使教学手段更加先进，教学的成效更加显著。在虚拟实验被大学教学大量应用的今天，中学物理也能从中找到适合自己的方向，将虚拟实验的优点带入课堂，为学生服务，为教学服务。

参考文献：

[1]贾志林.虚拟仿真实验在中学物理实验教学中的应用研究[J].中学物理，2010（12）：31-32.

[2]耿丽.中学物理虚拟实验分析与设计[J].教育与装备研究，2012（12）：58-60.

[3]马鹏程.虚拟实验在中学物理教学中的应用[J].产业与科技论坛，2016，15（19）：133-134.

[4]王焕香，姚绍欣.高中物理教学中网络化虚拟实验室的有效运用[J].高中数理化，2016（16）：32.

作者简介：甘淸源，二级教师，甘肃省陇南市，成县陕西师范大学成州中学；

岳志兵，一级教师，甘肃省陇南市，成县陕西师范大学成州中学。