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摘要:虛擬實驗能夠增強物理實驗教學(xué)的趣味性和吸引力，提高物理實驗教學(xué)質(zhì)量和效果．基于中央電化教育館虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)在物理教學(xué)方面具有的全面化呈現(xiàn)實驗內(nèi)容、創(chuàng)設(shè)自主探究學(xué)習(xí)環(huán)境、提供沉浸式學(xué)習(xí)體驗等優(yōu)勢，本文以“聲音的特性”一節(jié)內(nèi)容為例進行實驗教學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計，并在武漢市二橋中學(xué)進行實施，發(fā)現(xiàn)其在提高學(xué)習(xí)成績、增強學(xué)習(xí)體驗等方面教學(xué)效果顯著．

關(guān)鍵詞:虛擬實驗;中學(xué)物理;教學(xué)應(yīng)用

1引言

實驗教學(xué)是國家課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，也是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑．2019年11月，教育部發(fā)布《關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》，強調(diào)要創(chuàng)新實驗教學(xué)方式，“促進傳統(tǒng)實驗教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機融合，切實增強實驗教學(xué)的趣味性和吸引力，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效果”［1］．傳統(tǒng)的物理實驗教學(xué)存在材料難獲取、儀器成本高、現(xiàn)象不明顯、操作難度大等問題［2］，虛擬實驗教學(xué)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(xué)，使課堂教學(xué)擺脫客觀因素限制，困擾著眾多中學(xué)物理教師．本文結(jié)合中央電化教育館(簡稱“央館”)2021年度中小學(xué)虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新案例———“聲音的特性”，探究虛擬實驗在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用．

2央館虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用優(yōu)勢

2．1全面化呈現(xiàn)實驗內(nèi)容

央館中小學(xué)虛擬實驗教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)(簡稱“虛擬實驗系統(tǒng)”)提供電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)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(tǒng)能夠高度逼真地還原物理實驗現(xiàn)象，直觀展示微觀、復(fù)雜的實驗過程，多角度呈現(xiàn)具體的實驗細(xì)節(jié)．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(chuàng)建的虛擬實驗教學(xué)資源可直觀呈現(xiàn)聲音相關(guān)參數(shù)的變化過程，協(xié)助學(xué)生建立抽象概念到具體內(nèi)容之間的聯(lián)系，調(diào)動其多感官參與，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．

2．2創(chuàng)設(shè)自主探究學(xué)習(xí)情境

虛擬實驗系統(tǒng)圍繞實驗教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)者特征，創(chuàng)設(shè)符合學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的自主探究學(xué)習(xí)情境．該學(xué)習(xí)情境提供豐富的交互功能和靈活的協(xié)作會話機制，支持學(xué)生自由拼裝創(chuàng)新實驗，充分滿足其實驗探索的需求．學(xué)生在系統(tǒng)中可自主設(shè)計實驗?zāi)康?、選擇實驗用品、設(shè)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(jīng)驗，完成對知識意義的建構(gòu)．例如:學(xué)生可以自由選擇鋼琴、音叉、示波器等不同的聲學(xué)虛擬元器件和儀器，通過模擬聲學(xué)實驗流程和操作，得到并分析實驗數(shù)據(jù)，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(xué)習(xí)體驗

虛擬實驗系統(tǒng)采用3D、VＲ等先進技術(shù)整合豐富媒體資源，模擬真實物理實驗，為學(xué)生提供多角度的體驗和情境化的學(xué)習(xí)環(huán)境［3］．學(xué)生在系統(tǒng)中開展物理實驗時，能獲得清晰的操作目標(biāo)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(huán)境中深入思考，達(dá)到深度學(xué)習(xí)、高效學(xué)習(xí)的效果．例如:在物理聲學(xué)實驗中高仿真的聲波實驗內(nèi)容與可視化的示波器實驗結(jié)果幫助學(xué)生形成全方位的感知體驗，充分理解和記憶聲學(xué)課程內(nèi)容，促進知識的轉(zhuǎn)化與遷移．

3應(yīng)用案例

筆者利用上述虛擬實驗教學(xué)應(yīng)用優(yōu)勢，采用虛擬實驗系統(tǒng)開展物理教學(xué)，以人教版八年級上冊“聲音的特性”一課為例，詳細(xì)講解虛擬實驗在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用．

3．1“聲音的特性”教學(xué)設(shè)計與實施

3．1．1教學(xué)內(nèi)容分析．本節(jié)課是“聲現(xiàn)象”章節(jié)的核心內(nèi)容，包含的知識難度不高，但內(nèi)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(shè)置實驗使知識間的邏輯關(guān)系清晰且易于接受，是本節(jié)課設(shè)計的重點．通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠厘清響度與振幅、音調(diào)與頻率、音色與發(fā)聲體之間的關(guān)系，辨別不同特性聲音的波形圖，有利于培養(yǎng)學(xué)生觀察、動手和探究能力．3．1．2學(xué)習(xí)者特征分析．學(xué)生已經(jīng)初步掌握聲音由物體振動產(chǎn)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(diào)、音色、波形圖等物理概念時，抽象思維能力仍是本節(jié)教學(xué)最大的障礙［4］．學(xué)生對聲音的認(rèn)識更多來源于生活經(jīng)驗，故而對聲音本身的特性充滿好奇心，對樂器發(fā)聲的內(nèi)在原理十分感興趣，對于聲波的具象化呈現(xiàn)也充滿期待．3．1．3教學(xué)目標(biāo)分析．基于對教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)者特征的分析以及《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》中對實驗教學(xué)的要求，制定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo):知道聲音的音調(diào)與發(fā)聲體的振動頻率有關(guān)，響度與發(fā)聲體的振幅有關(guān)，音色與發(fā)聲體材料有關(guān);通過鋼尺振動實驗發(fā)現(xiàn)音調(diào)與振動頻率的關(guān)系，了解“轉(zhuǎn)換法”與“控制變量法”在物理研究中的運用;感受物體發(fā)聲的豐富多彩，逐步養(yǎng)成認(rèn)真細(xì)致的觀察習(xí)慣和求真態(tài)度．3．1．4教學(xué)實施過程．本節(jié)課分為五個教學(xué)環(huán)節(jié)，本著“相互補充、虛實結(jié)合、能實不虛、用出價值”的應(yīng)用原則，在“導(dǎo)撥釋疑，探究新知”與“視頻過渡，開展實驗”兩個主要教學(xué)環(huán)節(jié)融入虛擬實驗系統(tǒng)，涉及“觀察不同樂器發(fā)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(chuàng)新課堂教學(xué)形式，筆者特別加入自制原創(chuàng)抗疫歌曲視頻《最美的星星》、現(xiàn)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(tǒng)物理教學(xué)，在本節(jié)課中，教師利用虛擬實驗以虛促實，為學(xué)生動態(tài)展示不同樂器發(fā)聲時的波形變化，使學(xué)生通過聽、看、想、做，主動、獨立、積極地獲取知識，完成知識建構(gòu)與內(nèi)化，幫助學(xué)生更好地理解物理概念，增強創(chuàng)新意識［5］．虛擬實驗系統(tǒng)中“觀察不同樂器發(fā)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(diào)取虛擬實驗所需元件，全方位呈現(xiàn)仿真化實驗器材、清晰的實驗步驟，動態(tài)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(xì)節(jié)，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(xué)生視覺和聽覺感受，化抽象為具體，有助于學(xué)生更好地理解振幅、頻率等抽象物理概念，從而為達(dá)成教學(xué)目標(biāo)提供堅實有力的保障［6］．

3．2教學(xué)效果分析

為進一步探究虛擬實驗對物理教學(xué)效果的影響，筆者在武漢市二橋中學(xué)隨機選取八年級兩個平行班開展對比實驗，在教學(xué)前、后通過問卷星發(fā)放問卷對學(xué)生進行調(diào)查，時間為15分鐘左右．教學(xué)前主要測試學(xué)生的前認(rèn)知水平，以排除客觀差異;教學(xué)后從知識檢測、學(xué)習(xí)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(chǎn)生“練習(xí)效應(yīng)”影響，前后測的題目圍繞音色、音調(diào)、響度和波形圖四個知識點設(shè)置為不同內(nèi)容，其難度相似，均為10道客觀題，每題10分;學(xué)習(xí)體驗、虛擬實驗接受度共計25道題，學(xué)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(yīng)1～5分．問卷采用克隆巴赫系數(shù)進行信度分析，信度系數(shù)為0．968，表明信度非常好．在實驗結(jié)束后，共回收74份前后測試卷和學(xué)習(xí)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(shù)據(jù)分析．3．2．1學(xué)習(xí)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(zhì)，具有相同的學(xué)習(xí)起點．教學(xué)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(xué)可以顯著提高學(xué)習(xí)者的知識測試成績．3．2．2學(xué)習(xí)體驗．本研究從學(xué)習(xí)滿意度、自我效能感、沉浸感三個方面分析學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的學(xué)習(xí)體驗．實驗結(jié)果見表2，在學(xué)習(xí)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(xué)相比傳統(tǒng)教學(xué)能讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生更高的滿意度，完成任務(wù)時獲得更強烈的成就感，并能提供更強的沉浸感，激發(fā)其學(xué)習(xí)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(xué)生對虛擬實驗的接受度，分析結(jié)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(tǒng)的圖片和視頻教學(xué)，學(xué)生更加接受與認(rèn)可虛擬實驗教學(xué)．表2學(xué)習(xí)體驗分析結(jié)果類別對照組實驗組均值(M)均值(M)學(xué)習(xí)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(jié)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(jié)

本研究針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題，分析、總結(jié)虛擬實驗運用于中學(xué)物理教學(xué)的優(yōu)勢，并以“聲音的特性”為例重點研究虛擬實驗在教學(xué)各個環(huán)節(jié)中的運用方式．同時采用對比實驗，利用問卷調(diào)查法探究虛擬實驗的教學(xué)效果，結(jié)果表明，使用虛擬實驗輔助教學(xué)對學(xué)生知識測試成績的提升、學(xué)習(xí)體驗效果均優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)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(xué)有利于突破教學(xué)重、難點問題，促進學(xué)生對抽象概念的理解，能更好地發(fā)揮學(xué)生主體性，提升教學(xué)效果．

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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(xué)