虛擬現實技術在中職物理電學實驗中的應用研究

摘 要 當前，在中職物理課堂中，物理學科素養和綜合實踐能力的培養已經成為一個熱門話題。文章以中職物理電學實驗中的“楞次定律”為例，基于虛擬現實技術，從課前、課中、課后三個環節設計了本次物理電學實驗教學。采用對照法，對實驗班和對照班的前后測試結果進行了差異化分析。結果表明，在實驗班和對照班兩班前測成績相當的情況下，采用虛擬現實技術輔助教學的實驗班后測平均分明顯高于對照班的后測平均分，且差異具有統計學意義。

關鍵詞 中職物理；電學；實驗；虛擬現實；楞次定律

中圖分類號：G712 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.08.004

Research on the Application of Virtual Reality Technology in Secondary

Vocational School Physics Electrical Experiments

ZHU Zhongfei

（Shangyu Technical School， Shaoxing， Zhejiang 312300）

Abstract Currently， the cultivation of physics literacy and comprehensive practical ability has become a hot topic in vocational physics classrooms. The article takes the \"Lenz's Law\" in vocational physics and electrical experiments as an example， and based on virtual reality technology， designs the teaching of this physics and electrical experiment from three aspects： pre class， in class， and post class. Differential analysis was conducted on the pre-test and post-test results between the experimental group and the control group using a comparative method. The results showed that in the case where the pre-test scores of the experimental class and the control class were comparable， the average post test score of the experimental class using virtual reality technology assisted teaching was significantly higher than that of the control class， and the difference was statistically significant.

Keywords secondary vocational school physics; electrical studies; experiments; virtual reality; Lenz's Law

虛擬現實技術憑借其獨特的沉浸式體驗、高度的交互性和生動的可視化展示等特點，為物理教學領域開辟了新的可能性。特別是在實驗教學環節，傳統教學方法常常遭遇一些難以克服的難題，如實驗室資源匱乏、實驗現象的微觀和抽象性，以及實驗操作流程的復雜性等，這些問題都可能對學生理解物理知識和提升實驗技能造成障礙。而虛擬現實技術的引入，為解決這些傳統教學難題提供了新的途徑。通過創建一個虛擬的實驗環境，模擬出各種所需的實驗條件和場景，以一種逼真的方式呈現給學生，讓他們在虛擬的實驗情境中進行學習。學生能夠清晰地觀察到實驗的每一個細節和操作步驟，實時地看到實驗過程中各種物理量的變化，從而將原本抽象的物理概念轉化為直觀的視覺和觸覺體驗。這種教學方式極大地促進了學生在實驗過程中的理解力，幫助他們更好地掌握實驗原理和操作技巧?；谶@樣的認識，本文將以“楞次定律”為例，探討如何結合虛擬現實技術來設計中職物理電學實驗，旨在為中等職業學校的物理實驗教學提供一種新的視角和實踐參考。

1" 教材與學情分析

1.1" 教材分析

楞次定律是中職物理電磁板塊的核心內容，不僅是對磁場、電磁感應等知識的深化與拓展，也有利于學生更好地理解后續知識。教材以實驗引出楞次定律的原理，讓學生通過實驗現象掌握感應電流和磁通量的關系。在實驗教學中，教師應重點注重對學生自主學習能力的培養，如改變控制變量、觀察實驗現象和記錄，使學生理解“楞次定律”的理論基礎，在實踐中體驗科學探究的過程，培養其邏輯思維和解決問題的能力。

1.2" 學情分析

在本節課前，學生已經對電路、電流、磁場等基本的電學概念有了一定程度的了解，具備了初步的電學知識基礎。然而，電磁感應現象相對抽象，中職學生的思維發展水平和抽象思維能力還沒有完全成熟，在理解楞次定律和實驗操作時可能存在一定的困難。在教學過程中，教師需要充分考慮學生的學情特點，采取直觀、生動、具有啟發性的教學方法，激發學生對實驗的興趣，幫助其克服學習過程中遇到的困難，提升其學習效果。

2" 基于虛擬現實技術的“楞次定律”實驗教學設計

教學策略的整體規劃涵蓋三個階段：課前準備、課堂講授、課后復習。在課前準備階段，教師構建虛擬實驗教學環境，學生通過計算機或移動設備進行預習，虛擬現實系統提供反饋報告，教師隨后據此調整教學計劃。課堂講授階段，教師展示實際應用場景以引入課題，學生回顧預習內容并思考，隨后分組進入虛擬實驗環境進行操作。課后復習階段包括教師發布虛擬作業、學生完成作業并就遇到的問題向AI助教咨詢、系統生成反饋報告，最后教師依據反饋提供個性化習題和資源。

2.1" 課前預習

楞次定律實驗難度較大，充分的預習能夠使學生對楞次定律的基本概念、實驗原理和操作步驟有初步的理解，增強學生的自信心，使其積極參與課堂教學。

為了提升學生的預習質量，教師可以利用虛擬現實技術，創建虛擬的實驗教學空間，并在虛擬教學空間調用本次實驗所需的器材，在步驟選項位置編輯預習任務。學生利用計算機或手機可以自行進行預習，在虛擬空間完成預習任務，如了解實驗原理、認識實驗器材、理解磁通量和感應電流、進行實驗猜想等，初步嘗試實驗操作，觀察楞次定律的現象，提前熟悉實驗流程和步驟，以此激發學生的學習興趣，提升其自主探究能力，進而為后續課堂學習打下基礎。學生完成預習任務后，虛擬現實系統會根據學生的預習過程生成反饋報告，分析學生的預習情況，教師按照分析結果調整備課方案，以確保授課內容符合大部分學生的學情，使其更好地參與課堂教學。

2.2" 課中授課

在授課環節，傳統的導入模式為教師通過黑板繪制示意圖或口頭講解，介紹楞次定律的相關應用場景。通過課堂提問，引導學生說出其對楞次定律的理解和認識，進而引出本次課的重點。在實驗探究階段，學生分組進行傳統的實驗操作，使用實驗器材，如線圈、磁鐵、電流表等，按照實驗步驟進行操作和記錄。然而，由于實驗器材的局限性和操作的復雜性，學生可能無法實現預期的實驗效果，對結果的認知和理解不夠深入。同時，在實驗過程中，學生主要依靠教師的指導和自身的觀察進行操作和記錄，小組之間的交流較少，團隊合作能力無法得到鍛煉。在實驗結束后，教師會通過提問的形式，讓學生描述實驗現象和匯報數據，并在黑板上板書記錄，通過分析有限的數據總結楞次定律，但由于課程內容抽象，學生理解困難，授課效果不理想。

為了提升課中授課質量，教師可以利用虛擬現實技術，向學生展示與“楞次定律”相關的實際應用場景，如電磁阻尼現象、變壓器的工作原理等，激發學生的興趣，引出此次實驗的課題，而后引導學生回顧課前預習環節的實驗操作流程，并提出“虛擬實驗過程中，磁鐵運動方式發生改變時，感應電流的方向和大小是如何變化的？可能的原因是什么？”進而讓學生思考感應電流方向可能受到的影響。學生帶著問題分組進入虛擬實驗環境，使用參數不同的實驗器材進行操作，并觀察感應電流和磁通量的變化關系。教師會在關鍵環節設置提示，輔助學生完成實驗操作，如改變線圈匝數、磁鐵的磁場強度等，引導學生思考影響因素。學生在虛擬環境中與組內同學共享實驗數據，通過討論分析，確定最佳的數據并展示。教師將不同小組的數據導入三維模型，展示磁場的分布變化，將抽象的規律以直觀的形式展示出來，幫助學生更好地理解磁通量、磁通量和感應電流的關系，理解“阻礙”的含義，進而推理能量守恒轉化，總結楞次定律。

2.3" 課后復習

在傳統的教學模式下，課后教師通常會布置書面作業，如習題、總結等，內容較為單一，主要側重于對課堂知識的記憶或公式的運用。學生在完成作業的過程中，遇到問題時主要通過翻閱教材、筆記或請教同學等方式解決。在遇到難度較大的問題時，學生可能無法及時得到解答，容易積累知識盲點。批改作業時，教師會總結作業中存在的問題并統一講解，但是學生個體學情不同，可能無法完全理解解答的內容，導致學習效果不均衡。

為了鞏固課中授課的效果，教師可以利用虛擬現實技術虛擬考核情境，發布針對本次實驗的虛擬作業，包括實驗步驟回顧、數據分析、現象解釋等多種題型，全面考查學生對楞次定律的掌握情況，如要求學生在虛擬環境中再次進行實驗，記錄不同實驗條件下的電流方向和大小，解釋其與磁通量變化的關系，增強學生的實踐能力，幫助學生理解楞次定律的內容。在學生完成作業時，如果遇到問題，可以向AI助教提問，AI助教可以為學生提供指導和提示，幫助學生解決遇到的問題，深入理解課程內容。例如，當學生對感應電流的方向判斷存在疑問時，AI助教可以引導學生回顧實驗原理，分析相關的物理量變化情況，減少其在學習過程中可能遇到的挫折感。學生完成作業后，系統自動生成反饋報告，分析學生的知識掌握情況，指出學生在知識理解和實驗方面存在的問題。教師根據反饋報告的內容，針對不同學情的學生，推送符合其學習能力的習題和資源，如針對基礎薄弱的學生推送基礎知識的習題和資料；對于已熟練掌握知識的學生，推送拓展習題和資料，以差異化教學，幫助其在適合的學習路上不斷進步。

3" 教學效果分析

3.1" 實驗前檢測成績的差異分析

在進行實驗前，對實驗班和對照班進行對比實驗前的測試，對前測成績平均分進行獨立樣本分析。實驗班42人，平均分61.867分，標準差19.245；對照班44人，平均分61.558分，標準差17.917；值為-0.075，值為0.942。按照測試結果，實驗班和對照班的平均分相當，差異小，在進行實驗前，兩班的基礎相當，具有可比性。

3.2" 實驗后檢測成績的差異分析

在實驗班利用虛擬現實技術構建虛擬的教學情境，在對照班通過傳統教學模式進行教學，在此次實驗完成后，對實驗班和對照班進行后測測試，測試內容為此次實驗的內容。對后測成績進行樣本分析。實驗班42人，平均分70.429分，標準差16.057；對照班44人，平均分60.955分，標準差18.77；值為2.511，值為0.012。實驗結果表明，實驗班的后測平均分明顯高于對照班，差異明顯，說明此次實驗中虛擬現實技術輔助的方式，有利于提升學生的學習效果。

4" 結語

本文選取了中等職業學校物理課程中的一個電學實驗——“楞次定律”作為研究對象，深入探討了虛擬現實技術在實驗教學中的應用。特別關注如何將虛擬現實技術融入實驗教學的各個環節，包括課前的準備、課中的實際操作以及課后的復習鞏固階段。通過設計虛擬實驗情境，學生能夠在虛擬環境中模擬實驗過程，不僅增強了他們的學習興趣，也提高了其實驗操作的熟練度。

為了驗證虛擬現實技術輔助教學的有效性，同步進行了實驗前后測成績的對比分析。實驗開始前，兩個班級的學生在相關知識的掌握程度上是相當的，沒有顯著差異。在實驗結束后，實驗班的學生在后測中的平均成績顯著高于對照班的學生。這一結果表明，虛擬現實技術的應用對于學生掌握課程內容、提升學習效果以及增強實踐能力具有積極的影響。通過這種創新的教學方式，學生能夠更加直觀地理解物理概念，加深對實驗原理的認識，從而在學習和實踐方面取得更好的成績。

此外，虛擬現實技術的引入還促進了學生之間的互動與合作。在虛擬實驗環境中，學生可以共同參與實驗，相互討論，共同解決問題，不僅提高了他們的團隊協作能力，也激發了他們對物理學科深入探索的興趣。實驗班的學生普遍反映，虛擬現實技術輔助的學習體驗更加生動有趣，有助于他們更好地記憶和理解復雜的物理概念。因此，將虛擬現實技術應用于中職物理電學實驗教學，不僅能夠提高教學效率，還能激發學生的學習熱情，是一種值得推廣的教學模式。

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