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摘要:虛擬實驗能夠增強物理實驗教學的趣味性和吸引力，提高物理實驗教學質量和效果．基于中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統在物理教學方面具有的全面化呈現實驗內容、創設自主探究學習環境、提供沉浸式學習體驗等優勢，本文以“聲音的特性”一節內容為例進行實驗教學應用創新設計，并在武漢市二橋中學進行實施，發現其在提高學習成績、增強學習體驗等方面教學效果顯著．

關鍵詞:虛擬實驗;中學物理;教學應用

1引言

實驗教學是國家課程方案和課程標準規定的重要教學內容，也是培養創新人才的重要途徑．2019年11月，教育部發布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，強調要創新實驗教學方式，“促進傳統實驗教學與現代新興科技有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學質量和效果”［1］．傳統的物理實驗教學存在材料難獲取、儀器成本高、現象不明顯、操作難度大等問題［2］，虛擬實驗教學能夠有效彌補其不足．但是，如何將虛擬實驗巧妙融入物理教學，使課堂教學擺脫客觀因素限制，困擾著眾多中學物理教師．本文結合中央電化教育館(簡稱“央館”)2021年度中小學虛擬實驗教學應用創新案例———“聲音的特性”，探究虛擬實驗在中學物理教學中的應用．

2央館虛擬實驗教學應用優勢

2．1全面化呈現實驗內容

央館中小學虛擬實驗教學服務系統(簡稱“虛擬實驗系統”)提供電學、磁學、聲學、光學等六大物理實驗引擎、400+元器件、2000+實驗資源．使用虛擬實驗系統能夠高度逼真地還原物理實驗現象，直觀展示微觀、復雜的實驗過程，多角度呈現具體的實驗細節．例如:在真實世界中聲波看不見、摸不著，示波器儀器價格昂貴，實驗過程不易觀察;使用3D示波器元器件創建的虛擬實驗教學資源可直觀呈現聲音相關參數的變化過程，協助學生建立抽象概念到具體內容之間的聯系，調動其多感官參與，激發學生學習興趣．

2．2創設自主探究學習情境

虛擬實驗系統圍繞實驗教學內容和學習者特征，創設符合學習者認知發展規律的自主探究學習情境．該學習情境提供豐富的交互功能和靈活的協作會話機制，支持學生自由拼裝創新實驗，充分滿足其實驗探索的需求．學生在系統中可自主設計實驗目的、選擇實驗用品、設計實驗步驟、開展實驗操作，通過實驗交流與反思活動形成具體的經驗，完成對知識意義的建構．例如:學生可以自由選擇鋼琴、音叉、示波器等不同的聲學虛擬元器件和儀器，通過模擬聲學實驗流程和操作，得到并分析實驗數據，從而明晰聲音的三大特性與其決定因素，提升獨立思考、解決問題的能力．

2．3提供沉浸式學習體驗

虛擬實驗系統采用3D、VＲ等先進技術整合豐富媒體資源，模擬真實物理實驗，為學生提供多角度的體驗和情境化的學習環境［3］．學生在系統中開展物理實驗時，能獲得清晰的操作目標與及時的錯誤反饋，令其注意力高度集中，全身心投入到物理虛擬實驗環境中深入思考，達到深度學習、高效學習的效果．例如:在物理聲學實驗中高仿真的聲波實驗內容與可視化的示波器實驗結果幫助學生形成全方位的感知體驗，充分理解和記憶聲學課程內容，促進知識的轉化與遷移．

3應用案例

筆者利用上述虛擬實驗教學應用優勢，采用虛擬實驗系統開展物理教學，以人教版八年級上冊“聲音的特性”一課為例，詳細講解虛擬實驗在中學物理教學中的應用．

3．1“聲音的特性”教學設計與實施

3．1．1教學內容分析．本節課是“聲現象”章節的核心內容，包含的知識難度不高，但內容較多，知識密度較大，需要依托大量豐富有趣的實驗，教師如何精選和設置實驗使知識間的邏輯關系清晰且易于接受，是本節課設計的重點．通過本節課的學習，學生能夠厘清響度與振幅、音調與頻率、音色與發聲體之間的關系，辨別不同特性聲音的波形圖，有利于培養學生觀察、動手和探究能力．3．1．2學習者特征分析．學生已經初步掌握聲音由物體振動產生，并以波的形式傳播，并具備一定的推理與歸納能力．然而在理解音調、音色、波形圖等物理概念時，抽象思維能力仍是本節教學最大的障礙［4］．學生對聲音的認識更多來源于生活經驗，故而對聲音本身的特性充滿好奇心，對樂器發聲的內在原理十分感興趣，對于聲波的具象化呈現也充滿期待．3．1．3教學目標分析．基于對教學內容、學習者特征的分析以及《義務教育物理課程標準(2022年版)》中對實驗教學的要求，制定本節課的教學目標:知道聲音的音調與發聲體的振動頻率有關，響度與發聲體的振幅有關，音色與發聲體材料有關;通過鋼尺振動實驗發現音調與振動頻率的關系，了解“轉換法”與“控制變量法”在物理研究中的運用;感受物體發聲的豐富多彩，逐步養成認真細致的觀察習慣和求真態度．3．1．4教學實施過程．本節課分為五個教學環節，本著“相互補充、虛實結合、能實不虛、用出價值”的應用原則，在“導撥釋疑，探究新知”與“視頻過渡，開展實驗”兩個主要教學環節融入虛擬實驗系統，涉及“觀察不同樂器發出聲音的波形”“探究決定聲音響度的因素”“聲音的波形”三個資源．為豐富、創新課堂教學形式，筆者特別加入自制原創抗疫歌曲視頻《最美的星星》、現場彈奏著名古琴曲《流水》等活動，具體框架見表1．相較于傳統物理教學，在本節課中，教師利用虛擬實驗以虛促實，為學生動態展示不同樂器發聲時的波形變化，使學生通過聽、看、想、做，主動、獨立、積極地獲取知識，完成知識建構與內化，幫助學生更好地理解物理概念，增強創新意識［5］．虛擬實驗系統中“觀察不同樂器發出聲音的波形”3D課件包含虛擬示波器和各種樂器(如圖1所示)，教師能夠靈活調取虛擬實驗所需元件，全方位呈現仿真化實驗器材、清晰的實驗步驟，動態展示不同音色的波形圖．借助“探究決定聲音響度的因素”演示視頻觀察乒乓球靠近振動音叉時的變化，放大實驗細節，令實驗效果更明顯、直觀．“聲音的波形”3D課件展示不同頻率聲音的波形變化，增強學生視覺和聽覺感受，化抽象為具體，有助于學生更好地理解振幅、頻率等抽象物理概念，從而為達成教學目標提供堅實有力的保障［6］．

3．2教學效果分析

為進一步探究虛擬實驗對物理教學效果的影響，筆者在武漢市二橋中學隨機選取八年級兩個平行班開展對比實驗，在教學前、后通過問卷星發放問卷對學生進行調查，時間為15分鐘左右．教學前主要測試學生的前認知水平，以排除客觀差異;教學后從知識檢測、學習46體驗、虛擬實驗接受度三個方面進行評價．為避免前測對后測產生“練習效應”影響，前后測的題目圍繞音色、音調、響度和波形圖四個知識點設置為不同內容，其難度相似，均為10道客觀題，每題10分;學習體驗、虛擬實驗接受度共計25道題，學生從“完全不符”“基本不符”“不能確定”“基本符合”“完全符合”中選擇符合其實際情況的答案，答案分值對應1～5分．問卷采用克隆巴赫系數進行信度分析，信度系數為0．968，表明信度非常好．在實驗結束后，共回收74份前后測試卷和學習體驗量表，回收率100%，剔除無效問卷后得到70份問卷，有效率95%，重新編碼部分題項后，錄入到SPSS27．0軟件開展數據分析．3．2．1學習成績．由獨立樣本T檢驗可知，對照組均值60．6分，實驗組均值54．5分，P=0．138＞0．05，前測成績不存在顯著差異，說明兩個班同質，具有相同的學習起點．教學后實驗組的成績平均分(M=72．1)提升幅度大于對照組(M=63．0)(如圖2所示)，說明使用虛擬實驗教學可以顯著提高學習者的知識測試成績．3．2．2學習體驗．本研究從學習滿意度、自我效能感、沉浸感三個方面分析學生在課堂學習中的學習體驗．實驗結果見表2，在學習滿意度、自我效能感、沉浸感三方面，實驗組均值都高于對照組，這表明虛擬實驗教學相比傳統教學能讓學習者產生更高的滿意度，完成任務時獲得更強烈的成就感，并能提供更強的沉浸感，激發其學習興趣．3．2．3虛擬實驗接受度．本研究從感知有用性和感知易用性兩個方面入手分析學生對虛擬實驗的接受度，分析結果見表3，實驗組在兩方面的均值都高于對照組，這說明相較于傳統的圖片和視頻教學，學生更加接受與認可虛擬實驗教學．表2學習體驗分析結果類別對照組實驗組均值(M)均值(M)學習滿意度27．7029．21自我效能感18．0019．24沉浸感12．6414．33表3虛擬實驗接受度分析結果類別對照組實驗組均值(M)均值(M)感知有用性18．3019．27感知易用性17．9719．48

4總結

本研究針對傳統實驗教學存在的問題，分析、總結虛擬實驗運用于中學物理教學的優勢，并以“聲音的特性”為例重點研究虛擬實驗在教學各個環節中的運用方式．同時采用對比實驗，利用問卷調查法探究虛擬實驗的教學效果，結果表明，使用虛擬實驗輔助教學對學生知識測試成績的提升、學習體驗效果均優于傳統教學，學生對虛擬實驗接受度也較高．因此，教師采用虛擬實驗輔助教學有利于突破教學重、難點問題，促進學生對抽象概念的理解，能更好地發揮學生主體性，提升教學效果．

參考文獻:

［1］中華人民共和國教育部．教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見［J］．中華人民共和國教育部公報，2019(12):19－21．

［2］劉斌，劉金梅，尹亞玲，鄧莉．虛擬仿真實驗輔助物理實驗教學功能的開發［J］．物理實驗，2020，40(10):40－46．

［3］何聚厚，梁瑞娜，韓廣欣，肖鑫，梁玉帥．基于虛擬現實技術的深度學習場域模型構建研究［J］．電化教育研究，2019，40(01):59－66．

［4］朱美?。锢斫滩木帉懸蠈W生的認知規律［J］．課程·教材·教法，2008(08):50－53+58．

［5］王燕．結合虛擬實驗優化初中物理教學［J］．科學咨詢(教育科研)，2022(01):208－210．

［6］李偉，蔡燃，宋偉，馬傳連．虛擬仿真實驗在中學物理教學中的應用實踐———以《歐姆定律》課程為例［J］．中國教育信息化，2021(24):35－39．

作者:姚佳 靳帥貞 史顏君 馬玉潔 鄧雅心 馮思佳 單位:武漢市二橋中學