基于虚拟实验室的初中物理实验教学策略——以“科学探究：凸透镜成像”为例

福建省福州屏东中学 朱志绿

虚拟实验室是在计算机端创造一个可辅助或代替传统现实实验的可视化虚拟空间，该虚拟空间可从视觉、听觉等感官方面，高度模拟真实实验室的仪器设备和实验效果。胡玲等提出了虚拟实验室在测量性、验证性、探究性和学习性等类型实验教学中的应用模式。吴荣华和方钦华分析了虚拟实验室的虚拟呈现功能和微观可视化视频的特点，并展开其应用于高中物理实验教学的研究。严炜和杨晓梅将NOBOOK虚拟实验室软件中的初、高中物理实验进行了分类，并展示了其在物理教学中的应用。徐钱欣等对虚拟实验在初中物理中的实验特点和教学类型进行了分类，并通过案例具体展示了虚拟实验在课堂教学中的应用。李雯君分析虚拟实验室在初中物理探究性实验教学中的可行性，结合科学探究的七个关键要素，将其应用于实际的物理教学实践中。

目前，国内多数研究都是从实验特点和教学类型等宏观角度对虚拟实验室的应用进行分析，而对于虚拟实验室在具体实验教学中实施策略设计的研究较少。鉴于此，以沪科版八年级物理全一册第四章“科学探究：凸透镜成像”为例，结合中央电教馆虚拟实验室服务系统，设计了基于虚拟实验室的初中物理实验教学实施策略，以期为初中物理实验教学的创新设计提供参考。

一、基于虚拟实验室的教学策略设计案例

（一）教材与学情分析

1.教材分析

科学探究“凸透镜成像规律”是本章的核心，也是学生在学习科学探究过程中的初始端倪，是“凸透镜”知识的延伸和升华，同时又是学习“神奇的眼睛”和“凸透镜的应用”的理论基础，在本章中起着承上启下的重要作用。

本节课教材先是通过介绍凸透镜在生活中的投影仪、照相机、放大镜等中的应用引入新课，让学生使用凸透镜观察不同距离物体的成像情况，提出“凸透镜成像有何规律”的问题，促使学生思考并猜想“物、镜之间的距离是否就是影响凸透镜成像的主要因素？”针对实验猜想设计实验和制定计划，根据计划完成实验并对收集的证据进行分析与论证，最终得出结论。探究过程中需要注重辅助学生自主探究，这样才能促进学生对实验现象的记忆，增进学生对于凸透镜成像规律的理解和应用。教材探究过程充分实现了物理新课标中“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念。

2.学情分析

本节课前，学生知道了如何区分实像与虚像，认识了凸透镜的结构特征，知道它对光具有会聚作用，学会了利用平行光聚焦法测量凸透镜的焦距，但并不了解凸透镜成像有何规律。凸透镜成像性质变化多样，学生会因此倍感兴趣。已有的知识储备能够促进学生对凸透镜成像规律的认识，但部分学生对如何设计实验探究凸透镜成像规律会感到困难。

（二）“科学探究：凸透镜成像”教学策略设计

1.课前预习实施策略

“科学探究：凸透镜成像”是探究型实验，对初中生来说，此类型实验难度较大。教师在授课过程中往往是指导学生按照实验导学案努力做对实验，而不是让学生设计合理的实验方案和进行自主探究，最终导致学生只能死记硬背地“记住”凸透镜成像的规律，而不能灵活运用。为了提升学生设计实验方案和自主探究的能力，笔者设计了虚拟实验室在课前预习的实施策略，如图1所示。

图1 虚拟实验在课前预习中的实施策略

教师通过中央电化教育馆虚拟实验室服务系统的“创编系统”功能，可以创设一个沉浸式虚拟实验教学空间。教师在虚拟实验教学空间中可以从用品栏中调用实验所需的器材资源，并在步骤选项中编辑了解实验原理、认识实验器材及作用、理解物距和像距概念、实验猜想、实验方案设计等预习任务，如表1所示。教师可将实验资源和预习任务发布并推送给学生，学生可以在计算机或手机端开展实验预习，通过实验任务引导完成预习任务，并初步完成实验方案设计，尝试进行虚拟实验操作。教师可以对学生完成预习后生成的反馈报告进行学情分析，并及时调整备课方案。

表1 虚拟实验课前预习任务单

2.课中授课实施策略

从笔者的教学经历来看，在现实实验操作过程中，蜡烛的烛焰通过凸透镜后在光屏上所承接的像可能会出现不明显、不稳定等现象，点燃的蜡烛在实验操作时也会存在安全隐患。教师可以采取如图2所示的虚拟实验与真实实验相结合的实施策略来解决此类问题。

图2 虚拟实验在授课中的实施策略

在授课时，教师让学生进行分组实验，同组学生通过交流讨论，分析各成员在预习任务中已设计实验方案的可行性，优化并形成统一的小组实验方案。教师通过对各小组虚拟实验情境的设置，让各小组调用不同焦距的凸透镜进行虚拟实验，并完成对所收集数据的分析与论证。完成虚拟实验后，教师可以把课堂交给学生，让学生自我展示获取的实验数据和总结的实验结论，分析使用不同焦距的凸透镜得到的实验结论是否一致，从而得到一个具有普遍性的凸透镜成像规律。教师可针对学生在虚拟实验过程中容易出现的错误进行答疑讲解，并通过虚拟实验室服务系统中的“实验测试”功能，现场将已编辑好的实验测试推送给学生完成。该功能中的AI测试助教将会对学生的操作过程和实验记录进行自动批改和解析，并再次生成新的测试题推送给未过关学生重新测试，待组内同学全部测试过关后，方可让该组学生进入真实分组实验。

3.课后复习实施策略

课堂虚拟实验与真实实验相结合教学后，部分同学可能出现对课堂上的实验现象记忆不深刻或对实验操作步骤不熟练等现象，教师可通过如图3所示的实施策略指导学生进行课后复习。

图3 虚拟实验在课后复习中的实施策略

教师可以在“实验测试”功能设置虚拟考核情境，发布并推送虚拟实验课后练习。AI测试助教会生成学生课后练习的反馈报告，并对学生练习情况进行分析，针对不同学情的同学再次发送个性化习题资源，对优生进行提高性训练，对差生进行基础巩固学习，使绝大部分同学都能熟练掌握探究凸透镜成像的实验过程和规律。

（三）教学效果分析

为了探究实施基于虚拟实验室的教学策略对学生学习效果的影响，分别对笔者任教的实验班和对照班进行前、后测对比实验。

1.实验前检测成绩的差异分析

在对比实验开展前，利用第三章适应性训练试卷作为检测工具，让实验班与对照班开展实验前检测，并对前测成绩进行独立样本T检验分析，分析结果如表2所示。从平均分来看，实验班与对照班前测的平均分差别较小，两个班前测成绩差异不显著（t=-0.073，p=0.942＞0.05），即说明在对比实验开展之前，两个班学生的物理学习基础是相当的。

表2 实验前检测成绩差异分析表

2.实验后检测成绩的差异分析

笔者对实验班采取基于虚拟实验室的教学策略，对照班采用传统的教学方式，并在完成教学的当天，对两个班进行测试，测试内容为“科学探究：凸透镜成像”的相关知识。对成绩进行独立样本T检验分析，分析结果如表3所示。结果表明，对照班的平均分明显低于实验班的平均分，两个班后测成绩差异显著（t=2.510，p=0.014＜0.05），说明采取基于虚拟实验室的教学策略能够较为有效地提升学生的学习效果。

表3 实验后检测成绩差异分析表

二、实验总结

本文结合中央电教馆虚拟实验室，并以“科学探究：凸透镜成像”教学为例，通过引入虚拟实验室进行实验情境的创设，从课前预习、课中授课和课后复习三个环节，设计了基于虚拟实验室的初中物理实验教学实施策略。采用独立样本T检验对笔者所任教的实验班和对照班进行后测成绩差异对比实验，在实验班和对照班前测成绩相当的前提下，采取基于虚拟实验室的教学策略的实验班后测平均分明显高于对照班，且存在显著差异。实验结果表明，采取基于虚拟实验室的教学策略不仅能使实验内容、现象与条件直观呈现在学生面前，还能增进学生对于凸透镜成像规律的理解和应用，有效提升学生的学习效果。