基于虛擬實驗室的初中物理實驗教學策略
——以“科學探究：凸透鏡成像”為例

福建省福州屏東中學 朱志綠

虛擬實驗室是在計算機端創造一個可輔助或代替傳統現實實驗的可視化虛擬空間，該虛擬空間可從視覺、聽覺等感官方面，高度模擬真實實驗室的儀器設備和實驗效果。胡玲等提出了虛擬實驗室在測量性、驗證性、探究性和學習性等類型實驗教學中的應用模式。吳榮華和方欽華分析了虛擬實驗室的虛擬呈現功能和微觀可視化視頻的特點，并展開其應用于高中物理實驗教學的研究。嚴煒和楊曉梅將NOBOOK虛擬實驗室軟件中的初、高中物理實驗進行了分類，并展示了其在物理教學中的應用。徐錢欣等對虛擬實驗在初中物理中的實驗特點和教學類型進行了分類，并通過案例具體展示了虛擬實驗在課堂教學中的應用。李雯君分析虛擬實驗室在初中物理探究性實驗教學中的可行性，結合科學探究的七個關鍵要素，將其應用于實際的物理教學實踐中。

目前，國內多數研究都是從實驗特點和教學類型等宏觀角度對虛擬實驗室的應用進行分析，而對于虛擬實驗室在具體實驗教學中實施策略設計的研究較少。鑒于此，以滬科版八年級物理全一冊第四章“科學探究：凸透鏡成像”為例，結合中央電教館虛擬實驗室服務系統，設計了基于虛擬實驗室的初中物理實驗教學實施策略，以期為初中物理實驗教學的創新設計提供參考。

一、基于虛擬實驗室的教學策略設計案例

（一）教材與學情分析

1.教材分析

科學探究“凸透鏡成像規律”是本章的核心，也是學生在學習科學探究過程中的初始端倪，是“凸透鏡”知識的延伸和升華，同時又是學習“神奇的眼睛”和“凸透鏡的應用”的理論基礎，在本章中起著承上啟下的重要作用。

本節課教材先是通過介紹凸透鏡在生活中的投影儀、照相機、放大鏡等中的應用引入新課，讓學生使用凸透鏡觀察不同距離物體的成像情況，提出“凸透鏡成像有何規律”的問題，促使學生思考并猜想“物、鏡之間的距離是否就是影響凸透鏡成像的主要因素？”針對實驗猜想設計實驗和制定計劃，根據計劃完成實驗并對收集的證據進行分析與論證，最終得出結論。探究過程中需要注重輔助學生自主探究，這樣才能促進學生對實驗現象的記憶，增進學生對于凸透鏡成像規律的理解和應用。教材探究過程充分實現了物理新課標中“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念。

2.學情分析

本節課前，學生知道了如何區分實像與虛像，認識了凸透鏡的結構特征，知道它對光具有會聚作用，學會了利用平行光聚焦法測量凸透鏡的焦距，但并不了解凸透鏡成像有何規律。凸透鏡成像性質變化多樣，學生會因此倍感興趣。已有的知識儲備能夠促進學生對凸透鏡成像規律的認識，但部分學生對如何設計實驗探究凸透鏡成像規律會感到困難。

（二）“科學探究：凸透鏡成像”教學策略設計

1.課前預習實施策略

“科學探究：凸透鏡成像”是探究型實驗，對初中生來說，此類型實驗難度較大。教師在授課過程中往往是指導學生按照實驗導學案努力做對實驗，而不是讓學生設計合理的實驗方案和進行自主探究，最終導致學生只能死記硬背地“記住”凸透鏡成像的規律，而不能靈活運用。為了提升學生設計實驗方案和自主探究的能力，筆者設計了虛擬實驗室在課前預習的實施策略，如圖1所示。

圖1 虛擬實驗在課前預習中的實施策略

教師通過中央電化教育館虛擬實驗室服務系統的“創編系統”功能，可以創設一個沉浸式虛擬實驗教學空間。教師在虛擬實驗教學空間中可以從用品欄中調用實驗所需的器材資源，并在步驟選項中編輯了解實驗原理、認識實驗器材及作用、理解物距和像距概念、實驗猜想、實驗方案設計等預習任務，如表1所示。教師可將實驗資源和預習任務發布并推送給學生，學生可以在計算機或手機端開展實驗預習，通過實驗任務引導完成預習任務，并初步完成實驗方案設計，嘗試進行虛擬實驗操作。教師可以對學生完成預習后生成的反饋報告進行學情分析，并及時調整備課方案。

表1 虛擬實驗課前預習任務單

2.課中授課實施策略

從筆者的教學經歷來看，在現實實驗操作過程中，蠟燭的燭焰通過凸透鏡后在光屏上所承接的像可能會出現不明顯、不穩定等現象，點燃的蠟燭在實驗操作時也會存在安全隱患。教師可以采取如圖2所示的虛擬實驗與真實實驗相結合的實施策略來解決此類問題。

圖2 虛擬實驗在授課中的實施策略

在授課時，教師讓學生進行分組實驗，同組學生通過交流討論，分析各成員在預習任務中已設計實驗方案的可行性，優化并形成統一的小組實驗方案。教師通過對各小組虛擬實驗情境的設置，讓各小組調用不同焦距的凸透鏡進行虛擬實驗，并完成對所收集數據的分析與論證。完成虛擬實驗后，教師可以把課堂交給學生，讓學生自我展示獲取的實驗數據和總結的實驗結論，分析使用不同焦距的凸透鏡得到的實驗結論是否一致，從而得到一個具有普遍性的凸透鏡成像規律。教師可針對學生在虛擬實驗過程中容易出現的錯誤進行答疑講解，并通過虛擬實驗室服務系統中的“實驗測試”功能，現場將已編輯好的實驗測試推送給學生完成。該功能中的AI測試助教將會對學生的操作過程和實驗記錄進行自動批改和解析，并再次生成新的測試題推送給未過關學生重新測試，待組內同學全部測試過關后，方可讓該組學生進入真實分組實驗。

3.課后復習實施策略

課堂虛擬實驗與真實實驗相結合教學后，部分同學可能出現對課堂上的實驗現象記憶不深刻或對實驗操作步驟不熟練等現象，教師可通過如圖3所示的實施策略指導學生進行課后復習。

圖3 虛擬實驗在課后復習中的實施策略

教師可以在“實驗測試”功能設置虛擬考核情境，發布并推送虛擬實驗課后練習。AI測試助教會生成學生課后練習的反饋報告，并對學生練習情況進行分析，針對不同學情的同學再次發送個性化習題資源，對優生進行提高性訓練，對差生進行基礎鞏固學習，使絕大部分同學都能熟練掌握探究凸透鏡成像的實驗過程和規律。

（三）教學效果分析

為了探究實施基于虛擬實驗室的教學策略對學生學習效果的影響，分別對筆者任教的實驗班和對照班進行前、后測對比實驗。

1.實驗前檢測成績的差異分析

在對比實驗開展前，利用第三章適應性訓練試卷作為檢測工具，讓實驗班與對照班開展實驗前檢測，并對前測成績進行獨立樣本T檢驗分析，分析結果如表2所示。從平均分來看，實驗班與對照班前測的平均分差別較小，兩個班前測成績差異不顯著（t=-0.073，p=0.942＞0.05），即說明在對比實驗開展之前，兩個班學生的物理學習基礎是相當的。

表2 實驗前檢測成績差異分析表

2.實驗后檢測成績的差異分析

筆者對實驗班采取基于虛擬實驗室的教學策略，對照班采用傳統的教學方式，并在完成教學的當天，對兩個班進行測試，測試內容為“科學探究：凸透鏡成像”的相關知識。對成績進行獨立樣本T檢驗分析，分析結果如表3所示。結果表明，對照班的平均分明顯低于實驗班的平均分，兩個班后測成績差異顯著（t=2.510，p=0.014＜0.05），說明采取基于虛擬實驗室的教學策略能夠較為有效地提升學生的學習效果。

表3 實驗后檢測成績差異分析表

二、實驗總結

本文結合中央電教館虛擬實驗室，并以“科學探究：凸透鏡成像”教學為例，通過引入虛擬實驗室進行實驗情境的創設，從課前預習、課中授課和課后復習三個環節，設計了基于虛擬實驗室的初中物理實驗教學實施策略。采用獨立樣本T檢驗對筆者所任教的實驗班和對照班進行后測成績差異對比實驗，在實驗班和對照班前測成績相當的前提下，采取基于虛擬實驗室的教學策略的實驗班后測平均分明顯高于對照班，且存在顯著差異。實驗結果表明，采取基于虛擬實驗室的教學策略不僅能使實驗內容、現象與條件直觀呈現在學生面前，還能增進學生對于凸透鏡成像規律的理解和應用，有效提升學生的學習效果。