虛擬實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用

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摘要:虛擬實(shí)驗(yàn)能夠增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和吸引力，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果．基于中央電化教育館虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)等優(yōu)勢(shì)，本文以“聲音的特性”一節(jié)內(nèi)容為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并在武漢市二橋中學(xué)進(jìn)行實(shí)施，發(fā)現(xiàn)其在提高學(xué)習(xí)成績(jī)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)等方面教學(xué)效果顯著．

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

1引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國(guó)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(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》，強(qiáng)調(diào)要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，“促進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機(jī)融合，切實(shí)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和吸引力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果”［1］．傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)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(wèn)題［2］，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效彌補(bǔ)其不足．但是，如何將虛擬實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)稱“央館”)2021年度中小學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新案例———“聲音的特性”，探究虛擬實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用．

2央館虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2．1全面化呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

央館中小學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”)提供電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等六大物理實(shí)驗(yàn)引擎、400+元器件、2000+實(shí)驗(yàn)資源．使用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠高度逼真地還原物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，直觀展示微觀、復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，多角度呈現(xiàn)具體的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)．例如:在真實(shí)世界中聲波看不見(jiàn)、摸不著，示波器儀器價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不易觀察;使用3D示波器元器件創(chuàng)建的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源可直觀呈現(xiàn)聲音相關(guān)參數(shù)的變化過(guò)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(dòng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圍繞實(shí)驗(yàn)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(huì)話機(jī)制，支持學(xué)生自由拼裝創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，充分滿足其實(shí)驗(yàn)探索的需求．學(xué)生在系統(tǒng)中可自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑦x擇實(shí)驗(yàn)用品、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟、開(kāi)展實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)交流與反思活動(dòng)形成具體的經(jīng)驗(yàn)，完成對(duì)知識(shí)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(guò)模擬聲學(xué)實(shí)驗(yàn)流程和操作，得到并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而明晰聲音的三大特性與其決定因素，提升獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的能力．

2．3提供沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用3D、VＲ等先進(jìn)技術(shù)整合豐富媒體資源，模擬真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供多角度的體驗(yàn)和情境化的學(xué)習(xí)環(huán)境［3］．學(xué)生在系統(tǒng)中開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，能獲得清晰的操作目標(biāo)與及時(shí)的錯(cuò)誤反饋，令其注意力高度集中，全身心投入到物理虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中高仿真的聲波實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與可視化的示波器實(shí)驗(yàn)結(jié)果幫助學(xué)生形成全方位的感知體驗(yàn)，充分理解和記憶聲學(xué)課程內(nèi)容，促進(jìn)知識(shí)的轉(zhuǎn)化與遷移．

3應(yīng)用案例

筆者利用上述虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，采用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展物理教學(xué)，以人教版八年級(jí)上冊(cè)“聲音的特性”一課為例，詳細(xì)講解虛擬實(shí)驗(yàn)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(jì)與實(shí)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(shí)難度不高，但內(nèi)容較多，知識(shí)密度較大，需要依托大量豐富有趣的實(shí)驗(yàn)，教師如何精選和設(shè)置實(shí)驗(yàn)使知識(shí)間的邏輯關(guān)系清晰且易于接受，是本節(jié)課設(shè)計(jì)的重點(diǎn)．通過(guò)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(dòng)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(dòng)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(shí)，抽象思維能力仍是本節(jié)教學(xué)最大的障礙［4］．學(xué)生對(duì)聲音的認(rèn)識(shí)更多來(lái)源于生活經(jīng)驗(yàn)，故而對(duì)聲音本身的特性充滿好奇心，對(duì)樂(lè)器發(fā)聲的內(nèi)在原理十分感興趣，對(duì)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(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(guò)鋼尺振動(dòng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)音調(diào)與振動(dòng)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(yùn)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(shí)施過(guò)程．本節(jié)課分為五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，本著“相互補(bǔ)充、虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、用出價(jià)值”的應(yīng)用原則，在“導(dǎo)撥釋疑，探究新知”與“視頻過(guò)渡，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)”兩個(gè)主要教學(xué)環(huán)節(jié)融入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，涉及“觀察不同樂(lè)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(gè)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(chǎng)彈奏著名古琴曲《流水》等活動(dòng)，具體框架見(jiàn)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(shí)驗(yàn)以虛促實(shí)，為學(xué)生動(dòng)態(tài)展示不同樂(lè)器發(fā)聲時(shí)的波形變化，使學(xué)生通過(guò)聽(tīng)、看、想、做，主動(dòng)、獨(dú)立、積極地獲取知識(shí)，完成知識(shí)建構(gòu)與內(nèi)化，幫助學(xué)生更好地理解物理概念，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)［5］．虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中“觀察不同樂(lè)器發(fā)出聲音的波形”3D課件包含虛擬示波器和各種樂(lè)器(如圖1所示)，教師能夠靈活調(diào)取虛擬實(shí)驗(yàn)所需元件，全方位呈現(xiàn)仿真化實(shí)驗(yàn)器材、清晰的實(shí)驗(yàn)步驟，動(dòng)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(dòng)音叉時(shí)的變化，放大實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，令實(shí)驗(yàn)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(qiáng)學(xué)生視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)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(jiān)實(shí)有力的保障［6］．

3．2教學(xué)效果分析

為進(jìn)一步探究虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)物理教學(xué)效果的影響，筆者在武漢市二橋中學(xué)隨機(jī)選取八年級(jí)兩個(gè)平行班開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)前、后通過(guò)問(wèn)卷星發(fā)放問(wèn)卷對(duì)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，時(shí)間為15分鐘左右．教學(xué)前主要測(cè)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(shí)檢測(cè)、學(xué)習(xí)46體驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)接受度三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)．為避免前測(cè)對(duì)后測(cè)產(chǎn)生“練習(xí)效應(yīng)”影響，前后測(cè)的題目圍繞音色、音調(diào)、響度和波形圖四個(gè)知識(shí)點(diǎn)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(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)接受度共計(jì)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(shí)際情況的答案，答案分值對(duì)應(yīng)1～5分．問(wèn)卷采用克隆巴赫系數(shù)進(jìn)行信度分析，信度系數(shù)為0．968，表明信度非常好．在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，共回收74份前后測(cè)試卷和學(xué)習(xí)體驗(yàn)量表，回收率100%，剔除無(wú)效問(wèn)卷后得到70份問(wèn)卷，有效率95%，重新編碼部分題項(xiàng)后，錄入到SPSS27．0軟件開(kāi)展數(shù)據(jù)分析．3．2．1學(xué)習(xí)成績(jī)．由獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)可知，對(duì)照組均值60．6分，實(shí)驗(yàn)組均值54．5分，P=0．138＞0．05，前測(cè)成績(jī)不存在顯著差異，說(shuō)明兩個(gè)班同質(zhì)，具有相同的學(xué)習(xí)起點(diǎn)．教學(xué)后實(shí)驗(yàn)組的成績(jī)平均分(M=72．1)提升幅度大于對(duì)照組(M=63．0)(如圖2所示)，說(shuō)明使用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以顯著提高學(xué)習(xí)者的知識(shí)測(cè)試成績(jī)．3．2．2學(xué)習(xí)體驗(yàn)．本研究從學(xué)習(xí)滿意度、自我效能感、沉浸感三個(gè)方面分析學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，在學(xué)習(xí)滿意度、自我效能感、沉浸感三方面，實(shí)驗(yàn)組均值都高于對(duì)照組，這表明虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)獲得更強(qiáng)烈的成就感，并能提供更強(qiáng)的沉浸感，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣．3．2．3虛擬實(shí)驗(yàn)接受度．本研究從感知有用性和感知易用性兩個(gè)方面入手分析學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)的接受度，分析結(jié)果見(jiàn)表3，實(shí)驗(yàn)組在兩方面的均值都高于對(duì)照組，這說(shuō)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(shí)驗(yàn)教學(xué)．表2學(xué)習(xí)體驗(yàn)分析結(jié)果類(lèi)別對(duì)照組實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)接受度分析結(jié)果類(lèi)別對(duì)照組實(shí)驗(yàn)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(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，分析、總結(jié)虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于中學(xué)物理教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，并以“聲音的特性”為例重點(diǎn)研究虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中的運(yùn)用方式．同時(shí)采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用問(wèn)卷調(diào)查法探究虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，結(jié)果表明，使用虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)對(duì)學(xué)生知識(shí)測(cè)試成績(jī)的提升、學(xué)習(xí)體驗(yàn)效果均優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)，學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)接受度也較高．因此，教師采用虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)有利于突破教學(xué)重、難點(diǎn)問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)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)