基于數字化學習的虛擬實驗平臺設計與研究

岳志兵

【摘要】虛擬實驗是對于傳統實體操作實驗的有效補充，對于難以用實體操作方式完成的實驗，借助虛擬實驗可以取得較好的演示教學效果。進入信息化時代，為切實改善物理教學質量，應加強物理虛擬實驗平臺建設，以此充分滿足教學需求，力求提升學生的實驗探究能力與實踐創新能力。本文主要以高中物理實驗平臺為例，探討基于數字化學習的虛擬平臺設計策略，旨在提供有價值的參考。

【關鍵詞】數字化學習;虛擬實驗平臺;高中物理實驗平臺

引言：虛擬實驗是區別于實體實驗而言的一類全新實驗演示方式，借助虛擬實驗，教師可以展示實踐操作難度較大、危險性較強、復雜程度較高的實驗，同時也能夠為學生提供熟悉實驗細節的機會，有利于改善實驗教學的實效性。實驗是物理學科的重要基礎，開發物理虛擬實驗平臺，是提升物理教學水平的重要措施。具體而言，基于數字化學習設計虛擬實驗平臺時，有如下策略：

一、注意落實虛擬實驗平臺的設計原則

設計虛擬實驗平臺的目的是幫助學生掌握實驗操作細節，因此，首先需要落實真實感原則，即確保虛擬實驗能夠有效地完成真實細節的傳遞、能夠有效地還原真實情境[1]。通常情況下，通過應用3D動畫表現方式來展開設計，達到體現實驗細節和真實化表現的目的。例如，在表現“打點計時器的使用”這一實驗的細節時，需要應用3D模型渲染打點計時器，還原打點計時器上的各處細節，從而使學生能夠通過計算機虛擬操作掌握這一儀器的應用要點。其次，由于虛擬實驗平臺是為了滿足課程教學需求，因而資金較為有限，在設計時需要注意做好成本控制工作，將盡可能地應用低成本設計。第三，由于虛擬實驗平臺依托于計算機和互聯網而得以運作，而交互性是互聯網的基本特征，因此在展開虛擬實驗平臺設計時，還應遵循互動性原則，注意將互動環節滲透至實驗教學的每一個步驟之中，在虛擬實驗平臺中設置“實驗提示”“實時測試”等模塊，確保能夠及時為學生提供指導和反饋。例如，虛擬實驗平臺在呈現“驗證機械能守恒定律”這一實驗時，在學生應用計算機進行虛擬操作時，虛擬實驗平臺應具備根據其操作情況提供提示的能力。

二、合理安排虛擬實驗平臺的功能模塊

在設計虛擬實驗平臺時，需要合理地安排功能模塊。以高中物理虛擬實驗平臺為例，主要應包括如下模塊：

其一，文件模塊，主要包括各類常用指令，比如新建實驗、打開已保存實驗文件、另存、打印實驗步驟等[2]。

其二，編輯模塊，主要對實驗中所包含的各部分細節加以說明，可以進行文字、圖片、音頻、視頻及動畫素材的插入。此外，還包括其他功能模塊，以高中物理虛擬實驗平臺為例，主要需包含以下模塊：儀器功能包含各類實驗所需儀器設備，在該功能模塊中應包含打點計時器、滑動變阻器、安培表等儀器;表格功能用于插入呈現與實驗相關數據的表格;公式與符號模塊包含常用的各類物理公式和符號，借助此模塊可以快速插入與實驗相關的物理的公式和符號，例如“Ω”等，有利于提高教學效率;屬性模塊主要用于對實驗中各項內容的屬性進行調整，比如質量大小、電阻高低等。

其三，同步實驗模塊，主要用于對教材上的實驗內容進行演示，在虛擬環境中，學生可以自主完成高中部分所有實驗的學習。這一模塊主要分為演示實驗模塊和虛擬操作模塊兩個子模塊：在演示實驗模塊，學生可以自主觀看實驗的全過程，明確各項操作細節;在虛擬操作模塊，學生則可以自主通過實驗操作展開實驗探究。

其四，仿真工具模塊，這一模塊包含各類工具：力學仿真工具、電學仿真工具、光學仿真工具及液體壓強仿真工具。

其五，輔助模塊，主要包含測量、計算、三維呈現等功能。

其六，系統配置模塊，這一模塊的主要功能是在線交流互動。

三、全面結合高中物理實驗教學的內容

虛擬實驗平臺的設計與應用目的是為高中物理教學活動提供充分便利，因此在設計時，需要全面結合高中物理實驗教學的內容，注意從高中物理實驗的特征和需求出發，合理設計各個功能模塊，從而確保其能夠高效地應用于實踐[3]。為此，教師應重視結合高中物理課程標準對物理教材展開深入全面的分析，明確各個實驗的內容與要求，結合現有技術思考在虛擬實驗中完成物理實驗演示及操作的可能性，并在此基礎上對于虛擬實驗平臺中包含的各項功能模塊進行優化，從而確保取得理想的實踐效果。例如，關于“用伏特表和安培表測電源的電動勢和內電能”這一實驗，需要在儀器模塊做好伏特表和安培表兩種重要儀器的渲染工作。

結束語：

進入信息化時代，為切實增強實驗教學的實效性，應重視加強虛擬實驗平臺建設工作，重視落實好虛擬實驗平臺的設計原則、合理安排虛擬實驗平臺的功能模塊并全面結合學科教學內容，從而提升虛擬實驗平臺的設計水平，確保虛擬實驗平臺取得理想的應用效果。

參考文獻：

[1]汪紫婕.探討VR技術在高中物理實驗中的應用[J].數字通信世界，2018（01）：168+205.

[2]李繼平.高中物理學虛擬實驗室中操作診斷研究[J].才智，2018（13）：18.

[3]王巧麗，任新成，劉竹琴.以實驗為基礎的中學物理教學探討[J].教育現代化，2019，6（24）：219-220.