虛擬實(shí)驗(yàn)在合作學(xué)習(xí)環(huán)境下對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的作用研究

甘清源 岳志兵

摘要：在高新技術(shù)快速發(fā)展的今天，科學(xué)技術(shù)融入教學(xué)已成必然之勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)生便是一個(gè)很好的例子。本文從中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)在小組合作學(xué)習(xí)模式下對(duì)復(fù)習(xí)課和新授課中的作用進(jìn)行研究，并得出一般性結(jié)論，虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)的輔助作用已經(jīng)能夠凸顯出來(lái)，它直觀，可重復(fù)，不受時(shí)間和空間限制的特點(diǎn)，也促進(jìn)了教和學(xué)的效率。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；小組合作；對(duì)比；作用分析

一、 物理分組實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和不足

中學(xué)物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，其中需要學(xué)習(xí)的許多知識(shí)和結(jié)論都是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中推導(dǎo)出來(lái)的，比如牛頓第二定律F=ma的表達(dá)式，影響滑動(dòng)摩擦力的因素，測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻等；也有許多理論推導(dǎo)的結(jié)果需要實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，比如萬(wàn)有引力定律等。

中學(xué)物理采取學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的方式，由學(xué)生分工來(lái)完成一項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。這不僅是實(shí)驗(yàn)的基本流程，也是從伽利略時(shí)代開(kāi)始所建立的物理問(wèn)題的科學(xué)的研究方法。

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)有著很多優(yōu)點(diǎn)，如：

1. 研究的問(wèn)題清晰；

2. 實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行方法多樣；

3. 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單；

4. 需要的器材容易配備；

5. 分組實(shí)驗(yàn)合理分工，效率較高；

6. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果易記錄；

7. 實(shí)驗(yàn)具有極高的可重復(fù)性；

8. 能訓(xùn)練和提升學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，培養(yǎng)其科學(xué)的研究思想，增強(qiáng)實(shí)踐能力。

分組實(shí)驗(yàn)，在中學(xué)物理教學(xué)中，是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。是提升學(xué)生思維和動(dòng)手能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

分組實(shí)驗(yàn)的作用體現(xiàn)在其對(duì)問(wèn)題的探究和結(jié)論的得到上。但在學(xué)生的學(xué)習(xí)中，由于分組實(shí)驗(yàn)具備。

1. 特定的空間性和時(shí)間性，也使分組實(shí)驗(yàn)具備了一定的局限性。例如，在復(fù)習(xí)的過(guò)程中，要滿足考試對(duì)實(shí)驗(yàn)技能的考察，就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)，而在復(fù)習(xí)過(guò)程中，主要憑借記憶或者適當(dāng)?shù)囊曨l和教師演示進(jìn)行回顧，不能及時(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，回顧復(fù)習(xí)的效果比較差，很多結(jié)論是依靠死記硬背記住的，這與知識(shí)的理解要求和靈活應(yīng)用不相適應(yīng)。

2. 某些實(shí)驗(yàn)由于其具有一定的危險(xiǎn)性，我們只能通過(guò)視頻去學(xué)習(xí)，降低的實(shí)驗(yàn)本身的實(shí)用價(jià)值。例如初中物理中的托里拆利實(shí)驗(yàn)。

故我們需要研究一種能夠在平時(shí)，易于得到，便于操作，安全性高，簡(jiǎn)單直觀的實(shí)驗(yàn)方式。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)的作用逐漸凸顯。

二、 虛擬實(shí)驗(yàn)的可行性分析

虛擬實(shí)驗(yàn)是借助計(jì)算機(jī)、VR等設(shè)備在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室之外進(jìn)行的高仿真實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)方式打破了時(shí)間和空間的限制，讓學(xué)生借助輔助設(shè)備，在課堂中或課堂外利用網(wǎng)絡(luò)等媒介進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證結(jié)論或得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的教學(xué)手段。

1. 國(guó)外

虛擬實(shí)驗(yàn)首先出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大學(xué)課堂中，為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象概念的理解，以信息技術(shù)為載體，打造出的以學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)課堂模式。此模式的重點(diǎn)是激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)彼此合作，高度互動(dòng)，動(dòng)手實(shí)作的能力，實(shí)驗(yàn)虛擬，過(guò)程可視，體現(xiàn)“教室就是實(shí)驗(yàn)室”的理念。

近年來(lái)，由于VR等技術(shù)的發(fā)展和成熟，國(guó)外開(kāi)始發(fā)展以虛擬現(xiàn)實(shí)為載體的虛擬實(shí)驗(yàn)，大大增加了虛擬實(shí)驗(yàn)的仿真性。

2. 國(guó)內(nèi)

近幾年，我國(guó)在技術(shù)創(chuàng)新和高新技術(shù)的研發(fā)上做了大量的投入，也得到了大量的回報(bào)。因此在國(guó)內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展和應(yīng)用上走在了世界的前列。教育部高等教育司《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》明確了信息化教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革創(chuàng)新的方向。

在虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用和開(kāi)展上，各路工作者投身其中，但基本都是以高等教育為主。中學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的建設(shè)基本處于理論探究階段，并沒(méi)有確切的發(fā)展規(guī)劃。但在中學(xué)階段，虛擬實(shí)驗(yàn)是一種值得借鑒的實(shí)驗(yàn)方式。中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及需要的器材一般都比較簡(jiǎn)單，通過(guò)普通的計(jì)算機(jī)輔助程序便能設(shè)計(jì)出符合實(shí)用要求的虛擬實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生來(lái)開(kāi)闊視野，及時(shí)地在課堂中再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室里實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，使這兩種方式能相輔相成，提高教和學(xué)的效率，改變實(shí)驗(yàn)課程少，試驗(yàn)時(shí)間緊張的現(xiàn)狀，并讓全新的科學(xué)技術(shù)融入教學(xué)中，體現(xiàn)教育手段的與時(shí)俱進(jìn)。

三、 虛擬實(shí)驗(yàn)在高效課堂模式中的應(yīng)用過(guò)程

基于以上考慮，在前期實(shí)驗(yàn)歸類和素材積累分析的基礎(chǔ)上，我們收集了部分虛擬實(shí)驗(yàn)的素材，并對(duì)其可用性進(jìn)行分分析，然后進(jìn)行課堂設(shè)計(jì)和改進(jìn)再設(shè)計(jì)，具體的操作過(guò)程如下。

1. 素材的選取

在前期素材的積累過(guò)程中，我們對(duì)課本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分類。列舉了一些簡(jiǎn)單易行易操作的實(shí)驗(yàn)。然后進(jìn)行對(duì)應(yīng)虛擬實(shí)驗(yàn)素材的篩選，具體的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)為：

①力的合成實(shí)驗(yàn)

②平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

③游標(biāo)卡尺和螺旋測(cè)微器的使用

④研究彈簧彈力與伸長(zhǎng)量實(shí)驗(yàn)

⑤影響導(dǎo)體電阻的因素實(shí)驗(yàn)

2. 虛擬實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)分析

在備選的五個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)中，由于要進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，從課程的難易程度，以及虛擬實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)在操作上的仿真性對(duì)比分析，選擇實(shí)驗(yàn)②和實(shí)驗(yàn)③作為課程設(shè)計(jì)的備選實(shí)驗(yàn)。

在設(shè)計(jì)課程時(shí)，為了需要，將實(shí)驗(yàn)②設(shè)計(jì)為復(fù)習(xí)課虛擬實(shí)驗(yàn)。而將實(shí)驗(yàn)③選定為新課教學(xué)輔助虛擬實(shí)驗(yàn)，其內(nèi)容更加偏向分組實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。

樣本選擇A班和B班，樣本容量A班45人，B班45人。

實(shí)驗(yàn)①②③均進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)（在小組合作學(xué)習(xí)中，班級(jí)被分成7個(gè)學(xué)習(xí)小組，組內(nèi)由物理學(xué)科組長(zhǎng)帶領(lǐng)其他同學(xué)共同學(xué)習(xí)），并形成對(duì)比。

根據(jù)最終的考察結(jié)果分析，實(shí)驗(yàn)②中，在A班應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，B班進(jìn)行傳統(tǒng)講授，從課堂效果來(lái)看，A班同學(xué)熱情高漲，情緒被完全調(diào)動(dòng)，能夠積極投入到學(xué)習(xí)中，而B班同學(xué)的表現(xiàn)則比較平靜。

在實(shí)驗(yàn)③中，A、B班的成績(jī)比較相近，但B班由于在小組合作使用了虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)重復(fù)操作，相對(duì)于A班，B班學(xué)生課堂的參與度更高，在基本實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)操作中的失分更少。在數(shù)據(jù)讀取練習(xí)方面，A、B兩班出錯(cuò)率基本一致。

四、 虛擬實(shí)驗(yàn)在高效課堂模式中的作用分析

從設(shè)計(jì)過(guò)程和考察結(jié)果來(lái)看，虛擬實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)課堂，在復(fù)習(xí)的過(guò)程中，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)作用，能夠使學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)器材，實(shí)驗(yàn)流程以及實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。能幫助學(xué)生更形象地鞏固和掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

虛擬實(shí)驗(yàn)新授課，由于其帶入了全新的授課內(nèi)容，且實(shí)操性很強(qiáng)，故能引起學(xué)生極大的興趣和參與熱情，再加上小組之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，使得課堂效果和收益取得了很大的提高。從課后的解題能力上來(lái)看，由于虛擬實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行了實(shí)例分析計(jì)算，所以學(xué)生在具體問(wèn)題的分析和知識(shí)的應(yīng)用能力上都有一定的提高。

因此，在小組合作學(xué)習(xí)的課堂模式下，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)論在復(fù)習(xí)課還是新授課，都能夠起到良好的輔助作用，幫助學(xué)生更好地理解、掌握和應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)。

五、 總結(jié)和展望

此次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)新課程教育理念下的物理教學(xué)起到了良好的幫助作用，但實(shí)驗(yàn)中也存在著不合理的地方，應(yīng)在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行修正和補(bǔ)充。

1. 樣本容量較少，故不能有效減小偶然因素的干擾。

2. 所選的實(shí)驗(yàn)是在經(jīng)過(guò)比對(duì)和篩選之后確定的，在難度和課操作性上已經(jīng)預(yù)先進(jìn)行了控制，所以此次實(shí)驗(yàn)也存在一定的局限性。

3. 虛擬實(shí)驗(yàn)素材質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致某些虛擬實(shí)驗(yàn)在備課和實(shí)操階段反而不如分組實(shí)驗(yàn)直觀易懂。

4. 由于課程設(shè)計(jì)和虛擬實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)的原因，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)方面的掌握程度要遜色于在實(shí)驗(yàn)操作方面的掌握程度。

5. 沒(méi)有使用調(diào)查問(wèn)卷的形式，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)感受進(jìn)行及時(shí)反饋。

6. 結(jié)果分析方法還不夠完善，不夠系統(tǒng)。

雖然仍有不足，但是其優(yōu)點(diǎn)和所得到的結(jié)果卻讓然感到欣慰，在高新技術(shù)快速發(fā)展的今天，各行業(yè)都在應(yīng)用不同的方式，進(jìn)行著革新和進(jìn)步。傳統(tǒng)教學(xué)也一定能在不斷的探索中，尋找到適合自己的變革方式，使教學(xué)手段更加先進(jìn)，教學(xué)的成效更加顯著。在虛擬實(shí)驗(yàn)被大學(xué)教學(xué)大量應(yīng)用的今天，中學(xué)物理也能從中找到適合自己的方向，將虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)帶入課堂，為學(xué)生服務(wù)，為教學(xué)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈志林.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中學(xué)物理，2010（12）：31-32.

[2]耿麗.中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)[J].教育與裝備研究，2012（12）：58-60.

[3]馬鵬程.虛擬實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016，15（19）：133-134.

[4]王煥香，姚紹欣.高中物理教學(xué)中網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室的有效運(yùn)用[J].高中數(shù)理化，2016（16）：32.

作者簡(jiǎn)介：甘淸源，二級(jí)教師，甘肅省隴南市，成縣陜西師范大學(xué)成州中學(xué)；

岳志兵，一級(jí)教師，甘肅省隴南市，成縣陜西師范大學(xué)成州中學(xué)。