虛擬實驗在初中物理電學復習課中的融合應用

隨著教育信息化2.0時代的到來，信息化教學正從整合走向深度融合和創新應用，實現這一轉變的關鍵在于做好教學設計。教師需要在教學理論的指引下，充分發揮信息化手段的優勢，設計適切的教學活動，提高教與學的效率，更好地達成教學目標。虛擬實驗平臺是新型的實驗教學系統，基于虛擬實驗平臺開展的虛擬實驗具有仿真、安全、即時反饋的功能，優勢明顯，但在教學中，要不要用、何時用、如何用，很多教師仍有困惑。筆者結合虛擬實驗的特點和教學的需求，構思了三節初中物理電學的復習課，并對應用過程中遇到的問題進行思考分析，以期為復習課的創新和虛擬實驗平臺的融合應用提供思路與策略。之所以選擇復習課來研究，一是因為復習課承擔著歸納整理、查漏補缺，以及強化理解、遷移應用的職責，是當前教學研究的重點，二是復習課與新授課不同，沒有充足的時間進行講解、演示和動手操作，問題情境綜合復雜，必須詳略得當，注重效率。所以虛擬實驗的融合應用，有望因應教學需求，更好地引領學生思考和學習。

一、基于建構主義設計虛擬實驗技術支持下的復習課教學流程

建構主義理論認為，學習是學習者主動建構內部心理表征的過程，是以已有經驗為基礎，積極主動地提取已有的知識經驗，對教師提供的內容重新解釋，重新建構其意義的過程。所以在建構主義學習環境下，教學設計不僅要考慮教學目標分析，還要考慮創設有利于學生進行意義建構的情境，并將情境創設看作教學設計的重要內容之一^[1]。

相比于教材中結構良好的知識，真實的學習情境往往是復雜的、結構不良的。如果學生不能將復雜問題情境進行辨析、分解和轉化，不能將知識進行遷移和綜合應用，那么他們在面對結構不良的問題情境時就會受挫、畏難^[2]。

因此，在復習課的教學中，教師要創設較為真實的、復雜的問題情境，針對性地指導學生分析問題，將結構不良問題進行拆分和轉化，與結構良好問題建立起來關聯，教會學生分析問題并解決問題，提升他們知識遷移應用的能力，幫助他們理解。

建構主義指導下的復習課教學流程（如圖1） ：首先，教師從教材中結構良好的問題情境出發，幫助學生復習回顧已學知識，為后續學習作好鋪墊。其次，教師設置結構不良的情境，提出來源于生活實際且較為復雜的問題，還需要根據學生的知識能力水平對任務進行設計，使之處于學生的最近發展區，且稍高于學生的知識能力水平。然后，教師引導學生將結構不良的問題進行分析，梳理其與已學知識之間的關系，將其拆解或轉化為結構良好的問題，以便學生提取所學知識并遷移應用。教師引導學生通過自主思考或協作交流，借助虛擬實驗進行探索，獲取解決方案或者實驗方案;師生共同對學生的方案進行對比、評析、優化，形成最終方案，并進行真實的實驗，獲得結論。最后，師生共同總結，歸納復雜問題情境的特點，提煉知識遷移應用的策略和方法，加深學生對知識的理解，形成新的知識建構。

二、在問題情境中應用虛擬實驗開展電學復習課教學的案例

按照上述的復習課流程，筆者設計了三節電學復習課的案例，現就虛擬實驗對教學的支撐和融合應用，做重點分析。

（一）變換問題情境，從單一方法到多種方法測電阻

教師從伏安法測電阻的實驗出發，依次改變問題情境，引導學生學習雙伏法、單伏法、雙安法、單安法及替代法等多種測電阻的方法，將所學知識靈活變通、遷移應用。

在此案例中，每個問題情境都需要設計不同的實驗方案，但并不需要實施每個實驗，只需要檢驗實驗方案的正確性。操作者利用虛擬實驗平臺，可以快速完成檢驗。學生將虛擬的實驗器材連接好后，系統即時給出反饋：如果連接為通路，則出現電流的動畫;儀表的指針有擺動或顯示數值。學生根據系統的反饋，將相關數值與預設對照，進而判斷實驗方案正確與否。因教室硬件設施不同，操作方法也有所不同，可以是教師在一體機上進行展示，也可以是學生在平板上自行檢驗。

相比真實實驗，虛擬實驗平臺操作簡單快捷，虛擬實驗可以有效提高課堂教學效率。實驗者利用虛擬實驗平臺的即時反饋功能可以檢驗實驗方案的正確性。此外，在實驗方案的準確性還未確定或操作不夠嚴謹時，虛擬實驗器材如有損壞可以輕易修復，避免造成不必要的損失。

（二）深化探究問題，從伏安法出發探究串聯分壓原理

在伏安法測定值電阻的基礎之上，教師將問題情境復雜化，讓學生研究串聯電路中兩電阻的電壓之間的關系。

在本案例的探究環節，學生要對問題進行辨析，利用所學知識進行思考，初步獲取解決辦法，并繪制實驗電路圖。虛擬實驗平臺的器材元件充足、操作便捷，有了工具的支持，學生可以快速打開思路，找到解決辦法。如果學生一時沒有頭緒，可以先借助虛擬實驗器材分析問題：將問題中涉及的元件用虛擬實驗器材列舉出來，擺放到合適的位置，用導線連接，根據系統反饋進行調整。學生在反復嘗試的過程中，逐漸獲取思路，繪制實驗方案電路圖。如果學生已有初步的思路，能夠設計電路圖，那么可以直接用虛擬實驗平臺進行檢驗。

在交流評價環節，教師帶領學生對探究獲得的方案進行對比分析，討論評價，確定一個或多個可實施的方案。此時，虛擬實驗還可以作為思維呈現的工具用于展示實驗方案。

（三）聯系生活實際，研究電熱器的多檔位問題

教師出示多檔位電器的圖片，構建問題情境;分析問題后，請學生利用所學知識，設計多檔位電器的電路。

在此案例中，學生需要思考多檔位電路的工作原理，并將思維可視化。生活中的多檔位電器功能較多，電路復雜且不直觀。真實的實驗器材連接，操作不便捷且有出錯損壞的風險，虛擬實驗平臺是很好的替代工具。學生根據自己的思考來挑選元件，擺放到合適的位置，用導線連接，根據系統即時反饋的結果進行優化調整，直至獲得正確方案，畫出電路圖。虛擬實驗平臺將文字情境實物化，使抽象情境具體化、復雜情境條理化，支持學生將片段的、過程性的思維快捷直觀呈現，并提供即時反饋，為學生的問題探究提供了有力的支撐。

以上三節復習課的設計思路，均是從伏安法測定值電阻的基本實驗出發，提出更深入、更復雜的問題，引導學生將基本的知識原理方法進行遷移應用，使其加深對知識本質的理解，擴充和延伸知識結構，形成進一步的意義建構，豐富結構不良領域的知識經驗。同時，教師采用主動探索—獲取方案—實驗檢驗—修正完善的探究模式進行實驗教學，幫助學生提升在復雜情境中分析問題、解決問題的能力。

三、教學反思

雖然虛擬實驗平臺有一定的功能優勢和應用價值，但在教學中，因為產品設計的不足和局限性，加之與傳統教學習慣和思路存在沖突，虛擬實驗平臺的推廣應用并不順利。教師需要直面三個重要問題。

（一）要不要用？

目前一些學校對課堂上使用虛擬實驗的認可度較低，教師普遍認為，不能用虛擬實驗代替真實實驗，能做真實實驗就不要做虛擬實驗，即便實驗器材準備有困難，也應該努力克服。造成這一局面的主要原因有四：一是虛擬實驗平臺提供的是理想化的實驗環境，改掉了現實實驗中無法避免的摩擦力、空氣阻力等情況，因而學生無法感受到真實實驗中存在的誤差，缺乏真實實驗的體驗和感受，不利于學生理解真實實驗反復進行、多次對比的必要性，也不利于學生掌握天平等測量工具的使用方法;二是虛擬實驗器材雖然會損壞，但可輕易修復，這會讓學生認為實驗犯錯的成本很低，降低他們對錯誤的敏感度;三是學校演示用的實驗器材體積較大，固定在豎直的展示板上，學生可以清晰地觀看演示，而虛擬實驗平臺的演示只能在教室的一體機上展示，不利于學生觀察;四是虛擬實驗的實驗器材等同于實物器材，不是元件符號，這與師生習慣用電路圖表達思維的習慣不符。

筆者認為，虛擬實驗平臺的使用是有選擇的，建議教師在教學中盡量做真實實驗，尤其是測量型實驗要盡可能用真實的實驗器材，這樣可以更好地幫助學生掌握工具使用方法以及誤差分析。對于具有危險性、實驗過程較長或較短、實驗現象難以觀察等探究型實驗，教師可以考慮使用虛擬實驗平臺。此外，線上教學環境下無法進行真實實驗，虛擬實驗平臺是很好的替代、補充。

學生進行自主探究時，可以使用虛擬實驗平臺快捷直觀地展示自己的思考結果，與同伴和教師進行交流。在智慧教學環境中，教師可以將實驗演示同屏到學生的平板電腦上，能夠取得較好的演示效果。

任何一種教育技術都是教學需求和問題驅動的產物，并在應用中發展和完善。原則上講，技術的恰當介入會對某個環節或場景的教學有改善和提升作用。所以，要不要使用信息技術，并非單純拒絕或者接受，應根據教學的具體場景和技術功能的匹配度，選擇性使用。

（二）用哪種？

現有的虛擬實驗平臺有兩種形式：一種是與預設實驗相對應的虛擬實驗設備，僅有實驗中要用到的器材，也只能用其操作預設的實驗，如果進行其他的實驗，器材是欠缺的（如圖2）;另一種是開放性的實驗平臺，類似于真實的實驗室，按照電學、力學等知識板塊分類，提供知識板塊需要的所有器材，沒有任何的預設，支持用戶根據需要操作各種實驗（如圖3）。這兩種虛擬實驗，哪種更符合教學實際呢？

筆者的意見：第一種實驗平臺的針對性強，使用場景較少，側重演示功能（這種實驗通常是結合教學中的基本實驗，這些都是教師講解的重點，會進行真實實驗演示，而不會選擇虛擬實驗） ;第二種實驗平臺工具多，支持的場景多，具有開放性，教師可以個性化地使用，操作各種實驗，哪怕是一道習題也可以快捷操作。

（三）怎樣用？

信息技術手段或數字化教學資源，都是教學素材，合理恰當使用它們能為教學助力，這個理念已在教師中形成共識。但在什么時機融入虛擬實驗，不同教師有不同的做法。教師習慣的做法是這樣的：先結合教學目標進行教學設計，然后選擇與教學設計一致的素材，舍棄不匹配的素材。其實，在教學設計之前，如果沒有對教學資源進行充分了解，就不能全面統籌教學素材，那么教學活動的設計只是基于教師頭腦中熟知的傳統教學素材，缺乏技術手段的針對性設計，技術和教學也只是貼合或整合，沒有融合，就不能更好地發揮資源對教學的支撐作用和價值，更不可能進行技術支持下的教學創新。教師在教學設計之前應先熟悉虛擬實驗的功能特點、對教學活動的支撐作用，再融合性地設計教學，以充分發揮技術的價值優勢，實現課堂教學提質增效。

在現行教學中，師生在進行思考和表達時，習慣用電路符號表示電路元件，而不是用實驗器材進行連線和呈現，但虛擬實驗的實驗器材是高度模擬實物的，基本上可以等同于實物器材，這也是虛擬實驗在教學中遇到的實際問題。如何解決這一問題，虛擬實驗平臺設計者需要從更好地支持教學出發，對產品進行優化，增加電路符號，支持學生快速繪制電路圖，響應實際需求。學習是為了解決真實情境中的問題，而真實情境呈現的是實物元件，做實驗也是實物元件，電路圖的作用是實現從實物到抽象再到實物的過渡。筆者大膽猜想，隨著軟硬件技術發展，教育信息化程度肯定會全方位提高，虛擬實驗在課堂教學中的應用也會逐漸普及直至常態化，教育教學的理念在不斷更新和提升，電路圖的中間橋梁作用或許會逐漸弱化甚至取消。

總之，虛擬實驗是新興的教學技術手段，與實際教學還有待進一步磨合。研發人員如何設計虛擬實驗，才能更好地滿足教學需求，需要聆聽教師的意見并接受教學實踐的檢驗。教師如何基于虛擬實驗創新教學活動，助力教學目標達成，筆者認為只有在反復持久的應用和層層進階的反思中才能總結出策略。虛擬實驗開發者和使用者要思考產品和教學的融合，更要思考傳統向創新的變革。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數字教育研究院2022年度重點課題“‘雙減’背景下的數字教材學科教學應用策略研究”的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 何克抗.新型建構主義理論——中國學者對西方建構主義的批判吸收與創新發展[J].中國教育科學（中英文），2021（1）：14-29.

[2] 周友士.從認知建構理論看學生作業困難成因的研究[J].數學教育學報，2003（1）：65-68.

（作者系人教數字出版有限公司學科編輯）

責任編輯：祝元志