基于數字化學習的虛擬實驗平臺設計與研究

王文濤

摘 要?本文論述了數字化學習對于中學物理實驗學習的影響、中學虛擬物理實驗平臺的構建方法，以高中物理虛擬實驗平臺為例探討了虛擬實驗平臺的需求分析與設計過程。

關鍵詞?數字化學習;虛擬實驗;高中物理;設計原則

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2020）32-0179-02

信息技術的發展迅速改變了傳統的學習方式。推進現代信息技術與學科課程的整合，建立現代的數字化學習平臺是當代教育發展的新方向。構建數字化學習的虛擬物理實驗平臺可以促進學生物理實驗學習的效果，成為實際實驗的重要補充。

一、數字化學習對于中學物理實驗學習的影響

（一）數字化學習的概念

數字化學習是指學習者在數字化的學習環境中利用數字化信息資源，以數字化方式進行學習的過程。它包括三個基本要素，即，數字化學習環境、數字化學習資源和數字化學習方式。隨著信息技術的發展，將物理實驗數字化，在技術上已經沒有難度，而數字化學習的觀念還遠未普及。

（二）物理實驗學習的重要性

物理學科的發展是伴隨著實驗的發展而來，根據物理實驗提出的各種理論解釋，再通過實驗驗證理論的正確與否。據統計，在現代物理學中大約有84%的知識與實驗有直接關系。物理實驗一方面是物理學的發展動力，同時另一方面在物理學習中也同樣重要，大多數物理知識的提出都與某個物理實驗相聯系。而利用物理知識解決實際問題更要掌握物理實驗的一些基本原則和方法，并在實驗學習中培養學生發現和解決問題的能力。

（三）建立虛擬實驗平臺的必要性

實驗如此重要，但是我國現在實驗教學現狀堪憂。我國物理教學中實驗教學以教師講述演示、學生模仿完成方式為主。對江蘇省普遍使用的人教版普通高中物理教科書（2014年12月版）進行統計可以發現，從高一到高二年級僅完成約12個學生實驗，而兩年高中物理課程大約180課時，學生在實驗室的時間不超過總學時的7%。而虛擬實驗平臺可以讓學生提前了解實驗儀器并模擬實驗。通過虛擬實驗平臺的學習可培養學生在觀察中思考探究的能力，有利于學生掌握利用現代化信息技術學習、拓展知識的能力;有助于提高學生的數學圖形分析能力、對復雜物理問題的分析判斷能力;有助于對學生自主探究的創新和鉆研能力的培養。

二、中學虛擬物理實驗平臺的構建方法

（一）虛擬實驗平臺的建立原則

（1）科學性

科學性是虛擬實驗平臺的必然要求。虛擬實驗平臺是實際實驗所包含物理知識的展現者。在構建虛擬實驗平臺時，對于無關的因素可以適當簡化或者去除，但是對于其主要展現的包含物理規律的現象應該表現準確。相關人員在設計虛擬實驗平臺時，必須考慮到文字表述的嚴謹、圖像繪制的準確、動畫或反饋效果的合理。

（2）交互性

虛擬實驗平臺對于人機工學提出了較高的要求。不恰當的設計、缺乏提示、流程固化等等這類問題容易在虛擬實驗平臺設計中出現。較好的設計應該包含以學習者為中心、界面清晰、有明確的說明和提示、系統開放自由度高等。

（3）簡約性

實驗平臺中單個實驗的設計內容要盡量獨立、模塊化，這樣在實驗平臺的設計上才可以盡量簡潔地表現，學生容易在學習過程中掌握實驗中的要點。

（4）趣味性

虛擬實驗平臺的使用情景是學生獨立學習過程，獨立學習中容易產生學習的疲勞感，因此在設計中必須考慮到如何保持學習興趣。增加虛擬實驗的趣味性是卓有成效的一種方式。如在Universty of Colorado Boulder 制作PhET Interactive Simulation系列課件中的斜拋運動中，不但可以發射常見高爾夫球之類的物體，還可以發射鋼琴、轎車等物體，讓學生在虛擬實驗中保持學習的勁頭。設計合適的競爭環節也是有效的手段之一，比如在平拋運動實驗中，將積分制和模擬飛行引入實驗平臺，飛機投彈命中目標就加一分，通過這樣激勵性的措施增強學習的主動性。

（5）可參與性

學習的最佳方式是在運用中學習，在虛擬實驗平臺設計中，也可以讓學生參與虛擬實驗平臺的制作。學生可以利用一些自己可以掌握的軟件開發一些物理虛擬實驗，通過開發進一步掌握物理規律，以及理解物理規律如何運用數學方法表述。在虛擬實驗平臺建立過程中就需要考慮到學生的參與性，從而讓虛擬實驗平臺獲得更多的活力。

（二）虛擬物理實驗平臺的分析與設計過程

（1）需求分析

需求分析決定了整個虛擬實驗的設計方向，所以做好需求分析才能讓后期的實驗平臺建立的具體制作過程有明確的導向。

（2）總體規劃和設計

根據前述的需求分析進行總體規劃，明確后期虛擬實驗平臺開發的具體方面，劃分開發模塊，確定虛擬實驗平臺的具體原則，并形成具體的開發計劃文稿。一般可以分為實驗內容設計、軟件設計和界面設計。其中，實驗內容設計為核心，界面設計是人機交互的窗口，軟件設計是實現前述兩個設計的基礎。

虛擬平臺的實驗內容設計并不同于普通課程的教學設計，在此實驗內容設計主要明確實驗需要達到的目標、如何創設實驗的情境以保持學生的學習興趣、如何規劃收集素材資源以支持學生的實驗學習過程等。

界面設計也是重要的環節，因為學生學習過程主要就是通過界面交互。相關人員在設計時要選擇合適的顏色，對于展現的各個要素要分布合理，設計協調。設計邏輯要符合學生的學習習慣，同時也要便于軟件后續實現。

軟件設計中需要將各種需求合理地表現，同時還需要滿足數字化學習環境的建立，因此選擇合適的集成軟件至關重要，比較主流的有Adobe Flash、Java等跨平臺軟件，而充分利用Html5也可以方便建立交互性強的虛擬實驗平臺。

（3）虛擬物理實驗平臺模塊組成

虛擬物理實驗平臺指的是在課程標準與探究實驗的基礎上，針對重點實驗對象，按照科學原理展開的建模行為。以此來實現儀器仿真，并通過科學的原理和內部的潛在規律形成自動化的畫面。同時，利用實驗儀器開展三維建模，并確保相關數據、參數的仿真可控操作。對此，也可將虛擬物理實驗平臺大致分為六個模塊，即文件模塊、編輯模塊、同步實驗模塊、仿真工具模塊、輔助工具模塊以及系統配置模塊。這里以同步實驗模塊為例。該模塊的工作原理主要體現在課程標準的同步實驗上，根據課程的標準來進行演示活動與探究實驗活動，并給予學生能夠在虛擬環境下開展課程的有效條件。那么，從演示實驗的組成來看，主要囊括了介紹儀器、速度與流程標準、虛擬實驗操作以及模型實驗操作演示等內容。過程中，學生會既可以親自進行實驗，也可以對實驗過程進行觀看，更便于實驗相關行為的展開。而探究實驗主要是由虛擬軟件支持、方案設計、有效指導以及軟件說明等內容組成。不同于此前部分，在該階段學生的自主性要更好。

三、結語

虛擬物理實驗平臺的建立有利于突出“以學習者為中心”，落實學生的主體地位。作為實際實驗的補充，它有利于培養學生現代的科學素養，有利于培養學生敏銳的信息素養，有利于培養學生主動的探究意識和能力，有利于提高學生實驗學習水平。

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