基于數(shù)字化學(xué)習(xí)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與研究

王文濤

摘 要?本文論述了數(shù)字化學(xué)習(xí)對于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的影響、中學(xué)虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建方法，以高中物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺為例探討了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的需求分析與設(shè)計(jì)過程。

關(guān)鍵詞?數(shù)字化學(xué)習(xí);虛擬實(shí)驗(yàn);高中物理;設(shè)計(jì)原則

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2020）32-0179-02

信息技術(shù)的發(fā)展迅速改變了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式。推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合，建立現(xiàn)代的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺是當(dāng)代教育發(fā)展的新方向。構(gòu)建數(shù)字化學(xué)習(xí)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺可以促進(jìn)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的效果，成為實(shí)際實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充。

一、數(shù)字化學(xué)習(xí)對于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的影響

（一）數(shù)字化學(xué)習(xí)的概念

數(shù)字化學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者在數(shù)字化的學(xué)習(xí)環(huán)境中利用數(shù)字化信息資源，以數(shù)字化方式進(jìn)行學(xué)習(xí)的過程。它包括三個(gè)基本要素，即，數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境、數(shù)字化學(xué)習(xí)資源和數(shù)字化學(xué)習(xí)方式。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化，在技術(shù)上已經(jīng)沒有難度，而數(shù)字化學(xué)習(xí)的觀念還遠(yuǎn)未普及。

（二）物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的重要性

物理學(xué)科的發(fā)展是伴隨著實(shí)驗(yàn)的發(fā)展而來，根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)提出的各種理論解釋，再通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的正確與否。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代物理學(xué)中大約有84%的知識與實(shí)驗(yàn)有直接關(guān)系。物理實(shí)驗(yàn)一方面是物理學(xué)的發(fā)展動力，同時(shí)另一方面在物理學(xué)習(xí)中也同樣重要，大多數(shù)物理知識的提出都與某個(gè)物理實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系。而利用物理知識解決實(shí)際問題更要掌握物理實(shí)驗(yàn)的一些基本原則和方法，并在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。

（三）建立虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的必要性

實(shí)驗(yàn)如此重要，但是我國現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀堪憂。我國物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)以教師講述演示、學(xué)生模仿完成方式為主。對江蘇省普遍使用的人教版普通高中物理教科書（2014年12月版）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，從高一到高二年級僅完成約12個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，而兩年高中物理課程大約180課時(shí)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間不超過總學(xué)時(shí)的7%。而虛擬實(shí)驗(yàn)平臺可以讓學(xué)生提前了解實(shí)驗(yàn)儀器并模擬實(shí)驗(yàn)。通過虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的學(xué)習(xí)可培養(yǎng)學(xué)生在觀察中思考探究的能力，有利于學(xué)生掌握利用現(xiàn)代化信息技術(shù)學(xué)習(xí)、拓展知識的能力;有助于提高學(xué)生的數(shù)學(xué)圖形分析能力、對復(fù)雜物理問題的分析判斷能力;有助于對學(xué)生自主探究的創(chuàng)新和鉆研能力的培養(yǎng)。

二、中學(xué)虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)建方法

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的建立原則

（1）科學(xué)性

科學(xué)性是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的必然要求。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是實(shí)際實(shí)驗(yàn)所包含物理知識的展現(xiàn)者。在構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺時(shí)，對于無關(guān)的因素可以適當(dāng)簡化或者去除，但是對于其主要展現(xiàn)的包含物理規(guī)律的現(xiàn)象應(yīng)該表現(xiàn)準(zhǔn)確。相關(guān)人員在設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺時(shí)，必須考慮到文字表述的嚴(yán)謹(jǐn)、圖像繪制的準(zhǔn)確、動畫或反饋效果的合理。

（2）交互性

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺對于人機(jī)工學(xué)提出了較高的要求。不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、缺乏提示、流程固化等等這類問題容易在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)中出現(xiàn)。較好的設(shè)計(jì)應(yīng)該包含以學(xué)習(xí)者為中心、界面清晰、有明確的說明和提示、系統(tǒng)開放自由度高等。

（3）簡約性

實(shí)驗(yàn)平臺中單個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)內(nèi)容要盡量獨(dú)立、模塊化，這樣在實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)上才可以盡量簡潔地表現(xiàn)，學(xué)生容易在學(xué)習(xí)過程中掌握實(shí)驗(yàn)中的要點(diǎn)。

（4）趣味性

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的使用情景是學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)過程，獨(dú)立學(xué)習(xí)中容易產(chǎn)生學(xué)習(xí)的疲勞感，因此在設(shè)計(jì)中必須考慮到如何保持學(xué)習(xí)興趣。增加虛擬實(shí)驗(yàn)的趣味性是卓有成效的一種方式。如在Universty of Colorado Boulder 制作PhET Interactive Simulation系列課件中的斜拋運(yùn)動中，不但可以發(fā)射常見高爾夫球之類的物體，還可以發(fā)射鋼琴、轎車等物體，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中保持學(xué)習(xí)的勁頭。設(shè)計(jì)合適的競爭環(huán)節(jié)也是有效的手段之一，比如在平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)中，將積分制和模擬飛行引入實(shí)驗(yàn)平臺，飛機(jī)投彈命中目標(biāo)就加一分，通過這樣激勵(lì)性的措施增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動性。

（5）可參與性

學(xué)習(xí)的最佳方式是在運(yùn)用中學(xué)習(xí)，在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)中，也可以讓學(xué)生參與虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的制作。學(xué)生可以利用一些自己可以掌握的軟件開發(fā)一些物理虛擬實(shí)驗(yàn)，通過開發(fā)進(jìn)一步掌握物理規(guī)律，以及理解物理規(guī)律如何運(yùn)用數(shù)學(xué)方法表述。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺建立過程中就需要考慮到學(xué)生的參與性，從而讓虛擬實(shí)驗(yàn)平臺獲得更多的活力。

（二）虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺的分析與設(shè)計(jì)過程

（1）需求分析

需求分析決定了整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方向，所以做好需求分析才能讓后期的實(shí)驗(yàn)平臺建立的具體制作過程有明確的導(dǎo)向。

（2）總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)

根據(jù)前述的需求分析進(jìn)行總體規(guī)劃，明確后期虛擬實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)的具體方面，劃分開發(fā)模塊，確定虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的具體原則，并形成具體的開發(fā)計(jì)劃文稿。一般可以分為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)。其中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)為核心，界面設(shè)計(jì)是人機(jī)交互的窗口，軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)前述兩個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

虛擬平臺的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)并不同于普通課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，在此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)主要明確實(shí)驗(yàn)需要達(dá)到的目標(biāo)、如何創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)的情境以保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、如何規(guī)劃收集素材資源以支持學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程等。

界面設(shè)計(jì)也是重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)過程主要就是通過界面交互。相關(guān)人員在設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合適的顏色，對于展現(xiàn)的各個(gè)要素要分布合理，設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)。設(shè)計(jì)邏輯要符合學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，同時(shí)也要便于軟件后續(xù)實(shí)現(xiàn)。

軟件設(shè)計(jì)中需要將各種需求合理地表現(xiàn)，同時(shí)還需要滿足數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境的建立，因此選擇合適的集成軟件至關(guān)重要，比較主流的有Adobe Flash、Java等跨平臺軟件，而充分利用Html5也可以方便建立交互性強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。

（3）虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺模塊組成

虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺指的是在課程標(biāo)準(zhǔn)與探究實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)對象，按照科學(xué)原理展開的建模行為。以此來實(shí)現(xiàn)儀器仿真，并通過科學(xué)的原理和內(nèi)部的潛在規(guī)律形成自動化的畫面。同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)儀器開展三維建模，并確保相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)的仿真可控操作。對此，也可將虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺大致分為六個(gè)模塊，即文件模塊、編輯模塊、同步實(shí)驗(yàn)?zāi)K、仿真工具模塊、輔助工具模塊以及系統(tǒng)配置模塊。這里以同步實(shí)驗(yàn)?zāi)K為例。該模塊的工作原理主要體現(xiàn)在課程標(biāo)準(zhǔn)的同步實(shí)驗(yàn)上，根據(jù)課程的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行演示活動與探究實(shí)驗(yàn)活動，并給予學(xué)生能夠在虛擬環(huán)境下開展課程的有效條件。那么，從演示實(shí)驗(yàn)的組成來看，主要囊括了介紹儀器、速度與流程標(biāo)準(zhǔn)、虛擬實(shí)驗(yàn)操作以及模型實(shí)驗(yàn)操作演示等內(nèi)容。過程中，學(xué)生會既可以親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可以對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行觀看，更便于實(shí)驗(yàn)相關(guān)行為的展開。而探究實(shí)驗(yàn)主要是由虛擬軟件支持、方案設(shè)計(jì)、有效指導(dǎo)以及軟件說明等內(nèi)容組成。不同于此前部分，在該階段學(xué)生的自主性要更好。

三、結(jié)語

虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺的建立有利于突出“以學(xué)習(xí)者為中心”，落實(shí)學(xué)生的主體地位。作為實(shí)際實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，它有利于培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代的科學(xué)素養(yǎng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生敏銳的信息素養(yǎng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生主動的探究意識和能力，有利于提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)水平。

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