基于建構主義下的高中物理虛擬仿真實驗教學設計

吳強 吳旭普 李念

摘要：隨著現代教育信息技術的高速發展，教學與信息技術的融合已經成為重要的教學手段，實驗是在物理教學不可替代的環節，因此，如何將物理實驗教學中運用信息技術，使之更好地為教學服務是我們今后物理教學的重要目標。虛擬仿真技術的新起，使得信息化教學與物理實驗教學成為現實，這也為高中物理實驗教學的改革提供新的方向。

關鍵詞：虛擬仿真實驗; 高中物理; 實驗教學

1.引言

由于設備短缺等原因使得高中物理實驗教學在實際教學中不受重視，實驗教學中對于學生的實踐能力的訓練比較薄弱，為此，筆者提出將虛擬仿真技術與實驗教學進行融合。虛擬仿真實驗可以重復、網絡進行操作，豐富了現有的教學手段。本文從虛擬仿真實驗應用于教學的可行性和高中物理虛擬仿真實驗教學的設計過程來進行分析。建構主義學習理論認為，“學習，是學習者通過在一定的背景下利用必要的學習條件獲得認知識的過程;知識不是由教師教給的，而是通過建構的方式獲取的”。由此可見，建構主義是通過學生自主建構的學習理念。物理教學過程中，通過實驗教學環節能夠引起學習者在認知上的共鳴，從而引導學生的主動發現、建構知識體系。虛擬仿真實驗通過場景的設計，和對真實實驗的模擬，可以打破時間、地域的限制，可以為實驗教學創設適合建構主義教學的學習環境。通過基于虛擬仿真對教學環境的創設，為教學提供交互條件，通過教師與學生的互動，學生能夠自主完成實驗;并且針對實驗中遇到的問題可以及時與教師進行交互，從而促進便于學生自我的知識體系建構。

2.基于虛擬仿真實驗教學的調查

對在校高二3個班179名學生的學習物理實驗興趣進行問卷調查，結果進行整理如圖1 。

對物理實驗學習不感興趣的原因進行進調查，原因如圖2

對不同難度的物理實驗，學生喜歡的教學方式調查180名學生結果如圖3、圖4。

3.虛擬仿真實驗教學的設計

根據前面的調查，虛擬仿真實驗引入高中物理實驗教學對于物理教學具有重要的促進作用，因此列出了虛擬仿真實驗教學的設計流程。

3.1 虛擬仿真實驗的設計原則

虛擬仿真實驗教學應該遵循以下三個原則，即科學性、必要性、教學性。1、科學性，虛擬仿真實驗的設計必須要要以物理規律為根本，以原理為依據、以教學大綱為導向，虛擬仿真實驗的設計不能單純為實驗而實驗，在遵循物理規律的基礎上，還需要仔細研讀教學大綱，遵循教學規律進行。2、必要性，信息化條件的引入確實給教學提供了極大的便利，但是傳統教學手段也不能摒棄，選擇虛擬仿真實驗項目需要考慮其必要性，要遵從“能實不虛”的原則。例如，現象單擺這個實驗，在實驗室中進行效果就比虛擬仿真教學好。主要是因為，單擺屬于實驗現象明顯，操作比較簡單的實驗，結論容易獲得，如果將其虛擬化，將是得不償失的。而受限于教室的環境比如“密立根油滴”實驗，這種價錢昂貴無法獲得的實驗項目，就可以采取虛擬仿真教學。3、教學性。虛擬仿真實驗教學的設計不僅僅要依據學生的認知水平，還要考慮教師與學生在教學活動中的提升，從而實現“教學相長”的良好局面。虛擬仿真實驗設計的是為了通過豐富教學資源來促進學生對知識的建構，而不是直接將知識交給學生。因此所有的設計應該以學生的認知能力的基礎，遵循教學規律和物理規律來進行。

3.2 虛擬仿真實驗教學的一般過程

依據上述三個設計原則，按照設計的先后順序，可將設計的過程劃分為以下三個步驟，即選題分析、實驗設計、實驗運用與評價及實驗改進，其一般教學流程如下圖所示。

1、題目的選取，本環節需要對學生學情進行分析，明確學生的認知水平、知識水平的基礎上來進行設計，只有做好前期的調研才能在教學中收到好的效果。其次是考慮目標的設計，本節課需要學生通過虛擬仿真實驗下達到什么目標。最后是實驗的必要性，如果沒有必要的實驗就不進行虛擬仿真教學。2、實驗教學環節的設計，教師需要認真對比虛擬仿真實驗和實體實驗的區別，并且明確教學目標，從而設計教學過程，不一定要遵循實驗系統里面的固定內容，可以針對學生易錯點、教學難點等方面進行設計，3、實驗評價，本環節不僅僅是教師對于學生的評價，還應該有學生的呼聲，教學從專業角度對學生實驗過程，重點難點的掌握來對學生進行評價，而學生可以從教師的教學過程來對教師進行評價，4、教師對實驗教學的改進。

總之，虛擬仿真教學在今后的物理實驗教學中將起到不可替代的作用，與傳統實驗教學，它具有可重復性、趣味性、交互性等優勢，如何讓它更好服務于教學是需要更多的探索的。只有充分發揮“學生主體，教師主導”的原則下，才能夠使得在信息化高速發展的今天讓虛擬仿真實驗教學不流于形式，真正融入教學，為廣大師生帶來福音。

參考文獻：

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【項目基金】：本文系2019年安順市教育科學規劃課題“基于VR和沉浸式體驗技術在高中物理實驗教學中的創新應用”（項目編號：AS2019B037）