央馆虚拟实验辅助高中物理教学的创新实践

福建省宁德市高级中学 丁友雪

2019 年教育部发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，指出：“各地各校要丰富实验教学实施形式，综合运用观察、观测、模拟、体验、设计、编程、制作、加工、饲养、种植、参观、调查等多种方式，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。对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现。”“鼓励有条件的地方和学校，积极利用信息技术手段开展实验教学管理，探索通过购买服务方式开展特色实验教学或实践活动。”

虚拟实验是借助于多媒体、仿真和虚拟现实（又称VR）等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者通过人机交互的方式操作实验，进行各种实验项目，所获得的实验效果与真实的实验环境中获得的实验效果相比，一致甚至更优。

一、中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统介绍

央馆虚拟实验教学服务系统上的资源类型有视频类、交互课件类和仿真测试类。涵盖的学科有初、高中学段的物理、化学、生物以及小学学段的科学，并且几乎覆盖了所有国内主流教材版本。目前已有资源共计4862项，可以直接使用已有资源，也可以在已有资源的基础上进行自主编辑创作，还可以在平台上给学生统一分发实验练习和实验测试任务。央馆虚拟实验教学服务系统整体模块构成如表1 所示。

表1 央馆虚拟实验教学服务系统整体模块构成

其中，物理学科目前已有资源共计1804 项，基本上初、高中各学段、各版本教材的每节新课下都有相应的资源，分布概况如表2 所示。

表2 央馆虚拟实验教学服务平台物理学科资源分布概况

二、央馆虚拟实验教学服务平台辅助高中物理教学的应用实践

（一）利用虚拟实验辅助演示实验

在教学过程中，进行演示实验时往往会碰到这样的问题：有时候多个教师同一时间上同一节课，实验室器材不足，导致一些演示实验只能口头讲授或者图片展示；一些演示器材形状较小，如电动机小模型、游标卡尺的读数教学、液体的毛细现象等，虽然这些实验简单易行，但由于其体型太小，学生很难观察清楚，演示效果不好；部分演示实验，比如观察桌面的微小形变、静电实验、光的色散与偏振等，现象不够明显，学生体验不深刻；而一些电磁学的实验中，由于真实实验无法展示电场线、磁感线这些肉眼无法观察到的现象，对学生理解知识造成一定的阻碍。虚拟实验能够提供充足的实验器材、逼真的物理实验情境，可视性强、操作简单，上述这些实验完全可以利用虚拟实验来辅助完成。

例如，在人教版高中物理选择性必修二第一章第3节“带电粒子在匀强磁场中的运动”一课中，需要用洛伦兹力演示仪，让学生观察粒子在匀强磁场中的运动轨迹。图1 和图2 分别展示了真实实验装置与央馆系统上的虚拟实验装置。真实的实验装置老旧且笨重，磁场分布不可见。虚拟实验装置完全模拟真实实验装置，同时又补足了其短板，实验效果明显，磁场清晰可见。首先，虚拟实验装置可以在白板大屏上展示，可以放大到每个细节，全体学生都可以清晰地观察到实验过程；其次，它可以360 度展示，学生可以从不同的角度去观察，弥补了空间想象能力的不足，增加了立体感知；最后，它还可以显示励磁电流的方向，显示磁感线的分布，让抽象变得具象。课堂上教师先演示真实实验，再回到虚拟系统将磁感线展示出来，让学生结合左手定则去判断粒子的轨迹及旋转方向，虚实结合，大大提升了实验的教学效果。

图1 洛伦兹力演示仪真实实验装置

图2 洛伦兹力演示仪虚拟实验装置

（二）利用虚拟实验辅助学生分组实验

1.利用虚拟实验辅助学校不具备条件开展的学生实验

高中物理实验中有一些学生实验，学校并不具备实验条件。比如气垫导轨验证动量守恒、杨氏双缝干涉实验，由于实验仪器体积大又昂贵，学校购买的数量不足以开展学生实验；像微观运动的实验则无法用实物完成；油膜法测分子的大小实验，操作复杂、操作时间久、误差大，在实际教学中基本没有安排学生操作。而虚拟实验就可以解决这些痛点。

例如，在人教版高中物理选择性必修三第一章第一节“分子动理论的基本内容”中，教师需要给学生讲解布朗运动。这是一个微观运动，它反映了物体的分子在不停地做无规则运动。要得到这个结论，需要利用高倍显微镜观察并追踪墨水中小碳粒的运动轨迹。图3 为央馆平台上的“利用显微镜观察微粒运动”的虚拟实验。对此，可以创设这样的学习情境：先让学生观看平台上的实拍视频，观察小碳粒的运动，再由教师课堂上演示3D 实验的操作步骤，最后让学生动手操作3D 实验。通过这一系列的操作，不仅将微观的现象转化成了直观的、可视的、动态的，而且学生还能通过动手操作感受实验带来的直观体验，有利于建立感性认识。除此之外，由于虚拟实验不存在真实实验中调试设备的问题，故而省去了许多不必要的实验步骤，使得实验操作简单、便捷，而且实验过程中的误差明显减小，提高了实验的可信度。

图3 利用显微镜观察微粒运动

2.利用虚拟实验辅助学生必做实验的练习

真实实验所使用的实验仪器，随着使用次数的增加，仪器的磨损率变大，特别是在电学实验中，常常出现导线断了、电表不动、灯泡烧了等情况。实验过程中教师和学生常常疲于检查修补仪器，严重影响了实验的效率和学生的积极性。利用虚拟实验辅助，可以将教师、学生从修补仪器中解脱出来。利用平台上提供的3D 实验演示视频，可以大大缩短教师讲解实验的时间，从而增加了学生动手操作的时间。学生实验过程中，系统会对错误操作进行提示，学生可以重新设置，不必担心仪器损坏，故而敢于放心大胆地试错。另外，传统实验课中，一个教师要面向一个班的学生教学，教师很难关注到每个学生的每个实验操作步骤是否规范、正确。而虚拟实验中设计了AI 智能助教，在学生自主练习时，能够在线实时进行实验步骤指导、知识讲解、错误提醒、纠正错误等，解决了专业实验课师资匮乏的问题。教师还可以通过平台统一分发实验练习，平台通过大数据技术采集学生的数据，明确实验过程中的难点、易错点等，帮助教师轻松准确地掌握班级全体和学生个体的实验知识掌握情况。传统实验只能在实验室进行，而虚拟实验则可以突破时空限制，学生可以反复练习和自测，从而达到熟悉实验步骤，提高自身临场实操水平的目的。

例如，在“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验课中，教师在引导学生进行实验目的、原理、器材、步骤等知识讲解之后，可安排VR 实验练习。图4 为VR 练习模式的场景。首先，教师示范操作VR 设备，白板大屏直播实时呈现；然后将学生分组，每组1 到2 个学生进行操作，其他学生通过外接显示器观看操作并对正确操作和错误操作进行记录；最后小组讨论操作中错误的点，并归纳出正确操作的要点。在借助VR 虚拟实验实现针对性指导和帮助之后，再安排学生操作实物实验，这样学生的熟练程度会提高，实验过程中出错率会减少，实验流程更加清晰，实验效率得到提高，从而有效地发展了学生实验素养。

图4 探究两个互成角度的力的合成规律

（三）利用虚拟实验进行实验操作测试

在传统的实验操作考试中，通常一个教师要监考十几个学生，难以关注到学生的实验操作过程，考试评价就是基于学生最终的实验结果来给定。在普通高中实验操作合格性测试中，引入VR 测试模式，测试过程可以细化到对学生每个操作步骤是否规范进行给分，进而让实验由模糊的评价走入量化的评价。由于评价标准是统一的，也体现了公平性，还可以解决学生在实验操作考试过程中出现的作弊、蒙混过关等现象。

（四）利用虚拟实验开展校本课程、研究性课题

当前高中物理实验课堂中，学生动手操作机会少，教师指导不够。教师通过开发虚拟实验校本课程，将实验课延伸到第二课堂。学生通过在校本课上操作3D、VR仿真实验练习，增加了动手实践的机会，加强了对实验规范操作的体验，提高了动手能力和实验技能。传统实验教学由教师主导，器材、步骤都是限定好的，不利于学生知识的自主构建。教师可以借助央馆虚拟实验平台的实验创编功能开展研究性课题，布置一些教材延伸内容，供学生思考。学生利用创编系统中的3D 实验器材库，自主设计新的实验方案，并在平台上试错纠错、探索未知、发展创新思维和创造能力。

虚拟实验对高中物理实验教学的辅助作用是显著的，但同时虚拟实验也存在很多局限性。由于没有实物操作，学生无法获得对实物的感性认识，对元器件性能及参数的了解感触不够深刻；另外，虚拟实验在培养学生实际动手能力和对实物误差的分析能力方面也是一个弱项。所以虚拟实验不能代替真实实验，在实验教学过程中只是起到辅助的作用。在教学过程中，应遵循虚实结合、能实不虚、以虚促实的原则，运用好虚拟实验这个工具，让它更好地为实验教学服务。