基于建構(gòu)主義下的高中物理虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

吳強 吳旭普 李念

摘要：隨著現(xiàn)代教育信息技術(shù)的高速發(fā)展，教學(xué)與信息技術(shù)的融合已經(jīng)成為重要的教學(xué)手段，實驗是在物理教學(xué)不可替代的環(huán)節(jié)，因此，如何將物理實驗教學(xué)中運用信息技術(shù)，使之更好地為教學(xué)服務(wù)是我們今后物理教學(xué)的重要目標。虛擬仿真技術(shù)的新起，使得信息化教學(xué)與物理實驗教學(xué)成為現(xiàn)實，這也為高中物理實驗教學(xué)的改革提供新的方向。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗; 高中物理; 實驗教學(xué)

1.引言

由于設(shè)備短缺等原因使得高中物理實驗教學(xué)在實際教學(xué)中不受重視，實驗教學(xué)中對于學(xué)生的實踐能力的訓(xùn)練比較薄弱，為此，筆者提出將虛擬仿真技術(shù)與實驗教學(xué)進行融合。虛擬仿真實驗可以重復(fù)、網(wǎng)絡(luò)進行操作，豐富了現(xiàn)有的教學(xué)手段。本文從虛擬仿真實驗應(yīng)用于教學(xué)的可行性和高中物理虛擬仿真實驗教學(xué)的設(shè)計過程來進行分析。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為，“學(xué)習(xí)，是學(xué)習(xí)者通過在一定的背景下利用必要的學(xué)習(xí)條件獲得認知識的過程;知識不是由教師教給的，而是通過建構(gòu)的方式獲取的”。由此可見，建構(gòu)主義是通過學(xué)生自主建構(gòu)的學(xué)習(xí)理念。物理教學(xué)過程中，通過實驗教學(xué)環(huán)節(jié)能夠引起學(xué)習(xí)者在認知上的共鳴，從而引導(dǎo)學(xué)生的主動發(fā)現(xiàn)、建構(gòu)知識體系。虛擬仿真實驗通過場景的設(shè)計，和對真實實驗的模擬，可以打破時間、地域的限制，可以為實驗教學(xué)創(chuàng)設(shè)適合建構(gòu)主義教學(xué)的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過基于虛擬仿真對教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)，為教學(xué)提供交互條件，通過教師與學(xué)生的互動，學(xué)生能夠自主完成實驗;并且針對實驗中遇到的問題可以及時與教師進行交互，從而促進便于學(xué)生自我的知識體系建構(gòu)。

2.基于虛擬仿真實驗教學(xué)的調(diào)查

對在校高二3個班179名學(xué)生的學(xué)習(xí)物理實驗興趣進行問卷調(diào)查，結(jié)果進行整理如圖1 。

對物理實驗學(xué)習(xí)不感興趣的原因進行進調(diào)查，原因如圖2

對不同難度的物理實驗，學(xué)生喜歡的教學(xué)方式調(diào)查180名學(xué)生結(jié)果如圖3、圖4。

3.虛擬仿真實驗教學(xué)的設(shè)計

根據(jù)前面的調(diào)查，虛擬仿真實驗引入高中物理實驗教學(xué)對于物理教學(xué)具有重要的促進作用，因此列出了虛擬仿真實驗教學(xué)的設(shè)計流程。

3.1 虛擬仿真實驗的設(shè)計原則

虛擬仿真實驗教學(xué)應(yīng)該遵循以下三個原則，即科學(xué)性、必要性、教學(xué)性。1、科學(xué)性，虛擬仿真實驗的設(shè)計必須要要以物理規(guī)律為根本，以原理為依據(jù)、以教學(xué)大綱為導(dǎo)向，虛擬仿真實驗的設(shè)計不能單純?yōu)閷嶒灦鴮嶒?，在遵循物理?guī)律的基礎(chǔ)上，還需要仔細研讀教學(xué)大綱，遵循教學(xué)規(guī)律進行。2、必要性，信息化條件的引入確實給教學(xué)提供了極大的便利，但是傳統(tǒng)教學(xué)手段也不能摒棄，選擇虛擬仿真實驗項目需要考慮其必要性，要遵從“能實不虛”的原則。例如，現(xiàn)象單擺這個實驗，在實驗室中進行效果就比虛擬仿真教學(xué)好。主要是因為，單擺屬于實驗現(xiàn)象明顯，操作比較簡單的實驗，結(jié)論容易獲得，如果將其虛擬化，將是得不償失的。而受限于教室的環(huán)境比如“密立根油滴”實驗，這種價錢昂貴無法獲得的實驗項目，就可以采取虛擬仿真教學(xué)。3、教學(xué)性。虛擬仿真實驗教學(xué)的設(shè)計不僅僅要依據(jù)學(xué)生的認知水平，還要考慮教師與學(xué)生在教學(xué)活動中的提升，從而實現(xiàn)“教學(xué)相長”的良好局面。虛擬仿真實驗設(shè)計的是為了通過豐富教學(xué)資源來促進學(xué)生對知識的建構(gòu)，而不是直接將知識交給學(xué)生。因此所有的設(shè)計應(yīng)該以學(xué)生的認知能力的基礎(chǔ)，遵循教學(xué)規(guī)律和物理規(guī)律來進行。

3.2 虛擬仿真實驗教學(xué)的一般過程

依據(jù)上述三個設(shè)計原則，按照設(shè)計的先后順序，可將設(shè)計的過程劃分為以下三個步驟，即選題分析、實驗設(shè)計、實驗運用與評價及實驗改進，其一般教學(xué)流程如下圖所示。

1、題目的選取，本環(huán)節(jié)需要對學(xué)生學(xué)情進行分析，明確學(xué)生的認知水平、知識水平的基礎(chǔ)上來進行設(shè)計，只有做好前期的調(diào)研才能在教學(xué)中收到好的效果。其次是考慮目標的設(shè)計，本節(jié)課需要學(xué)生通過虛擬仿真實驗下達到什么目標。最后是實驗的必要性，如果沒有必要的實驗就不進行虛擬仿真教學(xué)。2、實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計，教師需要認真對比虛擬仿真實驗和實體實驗的區(qū)別，并且明確教學(xué)目標，從而設(shè)計教學(xué)過程，不一定要遵循實驗系統(tǒng)里面的固定內(nèi)容，可以針對學(xué)生易錯點、教學(xué)難點等方面進行設(shè)計，3、實驗評價，本環(huán)節(jié)不僅僅是教師對于學(xué)生的評價，還應(yīng)該有學(xué)生的呼聲，教學(xué)從專業(yè)角度對學(xué)生實驗過程，重點難點的掌握來對學(xué)生進行評價，而學(xué)生可以從教師的教學(xué)過程來對教師進行評價，4、教師對實驗教學(xué)的改進。

總之，虛擬仿真教學(xué)在今后的物理實驗教學(xué)中將起到不可替代的作用，與傳統(tǒng)實驗教學(xué)，它具有可重復(fù)性、趣味性、交互性等優(yōu)勢，如何讓它更好服務(wù)于教學(xué)是需要更多的探索的。只有充分發(fā)揮“學(xué)生主體，教師主導(dǎo)”的原則下，才能夠使得在信息化高速發(fā)展的今天讓虛擬仿真實驗教學(xué)不流于形式，真正融入教學(xué)，為廣大師生帶來福音。

參考文獻：

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[2]宋象軍.虛擬實驗室在高校實驗教學(xué)中的應(yīng)用前景[J].實驗技術(shù)與管理，2005（6）.

【項目基金】：本文系2019年安順市教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于VR和沉浸式體驗技術(shù)在高中物理實驗教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用”（項目編號：AS2019B037）