虛擬試驗(yàn)室在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

本文格式為Word版，下載可任意編輯——虛擬試驗(yàn)室在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用總結(jié)來說，微觀可視化視頻具有以下這些特點(diǎn)[3]：

（1）交互性強(qiáng).微觀可視化視頻可以根據(jù)試驗(yàn)者的操作對(duì)試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行真實(shí)模擬，從而完成對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)計(jì)劃和試驗(yàn)?zāi)繕?biāo).

（2）仿真性強(qiáng).微觀可視化視頻可以模擬真實(shí)試驗(yàn)過程中肉眼難以觀測(cè)到、或抽象不易理解的實(shí)際物理現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出完整的三維可視化試驗(yàn)?zāi)Ｐ停绻饩€、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等，可以進(jìn)行微觀、假想虛擬形式的輔助浮現(xiàn)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)、光路）.

（3）直觀性強(qiáng).微觀可視化視頻可以將試驗(yàn)現(xiàn)象、試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行直觀的、形象的可視化展示，從而協(xié)助學(xué)生構(gòu)建微觀認(rèn)知，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力、認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化規(guī)律、減輕學(xué)生記憶負(fù)擔(dān).

2虛擬試驗(yàn)室案例分析

本文以人教版高中物理選修3-1第三章第6節(jié)“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)〞為例，結(jié)合101教育PPT-虛擬試驗(yàn)室（https：///），探究虛擬試驗(yàn)室的虛擬浮現(xiàn)功能和微觀可視化視頻在教學(xué)中的應(yīng)用.

2.1“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)〞教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1.1教材分析

2023版普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)課的要求是：能用洛倫茲力分析帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng).本節(jié)課主要通過試驗(yàn)和理論探究沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，并探討分析圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本過程;了解質(zhì)譜儀的工作原理.

2.1.2學(xué)習(xí)者特征分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)會(huì)運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律分析力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，能分析勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，會(huì)用功能關(guān)系分析物體運(yùn)動(dòng)狀況.在上一課學(xué)習(xí)中學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識(shí)了洛倫茲力，會(huì)判斷洛倫茲力的方向，會(huì)計(jì)算洛倫茲力的大小，并具備一定的三維空間思維能力.但是在認(rèn)識(shí)帶電粒子的圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，空間想象力仍是本節(jié)最大的障礙.學(xué)生對(duì)如何顯示帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡感興趣，故而對(duì)洛倫茲力演示儀的工作原理表現(xiàn)出好奇心，并對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象感興趣.對(duì)于洛倫茲力的應(yīng)用也表現(xiàn)出一定的興趣.

2.1.3教學(xué)目標(biāo)分析

（1）通過理論分析結(jié)合試驗(yàn)探討帶電粒子沿不同方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生有依據(jù)的猜想及試驗(yàn)驗(yàn)證的科學(xué)探究核心素養(yǎng).

（2）通過學(xué)生自己動(dòng)手畫圖，認(rèn)識(shí)找圓半徑和圓心的重要性，再引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)規(guī)范化畫圓軌跡，提高學(xué)生對(duì)圓半徑大小影響因素的學(xué)習(xí)興趣.

（3）通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中軌跡圓大小影響因素，會(huì)求帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)半徑、周期以及運(yùn)動(dòng)時(shí)間，培養(yǎng)科學(xué)論證思維能力.

（4）通過先分析無邊界磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)到有邊界磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，先分析同一粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)到不同粒子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，靈活把握分析帶電粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和分析方法，并初步認(rèn)識(shí)質(zhì)譜儀的工作原理，引導(dǎo)認(rèn)識(shí)知識(shí)的應(yīng)用與社會(huì)責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生利用知識(shí)推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的責(zé)任感.

2.1.4教學(xué)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)中，試驗(yàn)班使用虛擬試驗(yàn)室的洛侖茲力演示儀進(jìn)行試驗(yàn)儀器的介紹和演示，對(duì)比班使用真實(shí)的洛侖茲力演示儀進(jìn)行演示.教學(xué)設(shè)計(jì)見表1.

2.2教學(xué)效果分析

為了探究虛擬試驗(yàn)室對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況帶來的影響，采用由授課教師設(shè)計(jì)的同一份試卷，分別對(duì)試驗(yàn)班和對(duì)比班同學(xué)進(jìn)行前后測(cè)對(duì)比測(cè)驗(yàn).實(shí)施前后測(cè)的試驗(yàn)的目的是為了檢測(cè)虛擬試驗(yàn)室顆粒、微觀視頻及學(xué)科工具所帶來的價(jià)值點(diǎn)，通過檢測(cè)卷來分析顆粒的使用是否對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)有幫助.

2.2.1學(xué)習(xí)效果總結(jié)

結(jié)論：對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)方式，使用虛擬試驗(yàn)室工具對(duì)學(xué)生整體學(xué)習(xí)效果提升不明顯.

測(cè)試結(jié)果見表2，使用虛擬試驗(yàn)室教學(xué)和使用傳統(tǒng)教學(xué)方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果都有提升作用.

從正確率來看，試驗(yàn)班在前后測(cè)正確率上均高于對(duì)比班，因此效果的差異來源于班級(jí)本身的區(qū)別.對(duì)兩班的提高效果進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn).結(jié)果顯示，采用虛擬試驗(yàn)室顆粒教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果的差異不太顯著（t=1.555，p=0.123>0.05），即使用虛擬試驗(yàn)室顆粒對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有提升，但是提升不明顯.

2.2.2微觀可視化視頻對(duì)教學(xué)效果的影響

結(jié)論：對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)方式，使用微觀視頻浮現(xiàn)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡（如圖1），對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)知識(shí)的效果提升明顯.

測(cè)試結(jié)果見表3，使用微觀視頻演示對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有提升作用;而使用傳統(tǒng)教學(xué)方式反而造成學(xué)生學(xué)習(xí)效果下降.

從正確率來看，試驗(yàn)班在前后測(cè)正確率上均高于對(duì)比班，因此效果的差異來源于班級(jí)本身的區(qū)別.對(duì)兩班的提高效果進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn).結(jié)果顯示，采用虛擬試驗(yàn)室工具教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果的差異十分顯著（t=9.186，p=0.0000.05），即使用虛擬試驗(yàn)室顆粒（虛擬浮現(xiàn)電流方向和磁感應(yīng)線），對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)電流方向和磁感線知識(shí)的效果沒有顯著提升.

2.2.4虛擬試驗(yàn)室儀器結(jié)構(gòu)介紹對(duì)教學(xué)效果的影響

結(jié)論：對(duì)比傳統(tǒng)教學(xué)方式，使用虛擬試驗(yàn)室顆粒進(jìn)行儀器結(jié)構(gòu)介紹（如圖3），對(duì)學(xué)生把握儀器結(jié)構(gòu)沒有顯著提升.

測(cè)試結(jié)果見表5，使用虛擬試驗(yàn)室和真實(shí)儀器教學(xué)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果都有提升作用.

從正確率來看，試驗(yàn)班在前后測(cè)正確率上均高于對(duì)比班，因此效果的差異來源于班級(jí)本身的區(qū)別.對(duì)兩班的提高效果進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn).結(jié)果顯示，采用虛擬試驗(yàn)室工具教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式所產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果的差異不顯著（t=1.332，p=0.186>0.05），即使用虛擬試驗(yàn)室顆粒進(jìn)行儀器結(jié)構(gòu)介紹，對(duì)學(xué)生把握儀器結(jié)構(gòu)沒有顯著提升.

3研究結(jié)論與總結(jié)

3.1研究結(jié)論

在理論方面，本文梳理了虛擬試驗(yàn)室的虛擬浮現(xiàn)和微觀可視化視頻在物理試驗(yàn)教學(xué)中的特點(diǎn)，二者對(duì)于高中物理試驗(yàn)教學(xué)有著很好的結(jié)合.通過對(duì)虛擬試驗(yàn)室的虛擬浮現(xiàn)在物理教學(xué)中的應(yīng)用研究，對(duì)于豐富高中物理課堂教學(xué)實(shí)踐，推進(jìn)物理教學(xué)模式優(yōu)化與改革來說有著深遠(yuǎn)的意義.

在物理實(shí)踐活動(dòng)實(shí)施現(xiàn)狀方面，本次試驗(yàn)根據(jù)前后測(cè)學(xué)習(xí)效果評(píng)測(cè)的綜合分析可知，目前使用虛擬試驗(yàn)室顆粒和微觀視頻教學(xué)，對(duì)學(xué)生的整體學(xué)習(xí)效果提升不是十明顯顯.但不同維度的表現(xiàn)有所差異，具體來看：

（1）使用微觀視頻浮現(xiàn)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)對(duì)應(yīng)知識(shí)的效果提升明顯;驗(yàn)證了微觀視頻對(duì)知識(shí)進(jìn)行微觀表征的過程，能夠培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力、規(guī)律思維能力和空間想象能力，有利于提高學(xué)生這方面的學(xué)習(xí)績(jī)效;

（2）使用虛擬試驗(yàn)室顆粒（虛擬浮現(xiàn)電流方向和磁感線），對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)電流方向和磁感線知識(shí)的效果沒有顯著提升;

（3）使用虛擬試驗(yàn)室顆粒進(jìn)行儀器結(jié)構(gòu)介紹，對(duì)學(xué)生把握儀器結(jié)構(gòu)沒有顯著提升.

3.2研究反思

本次試驗(yàn)課程中，虛擬試驗(yàn)室僅作為儀器結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充講解，甚至是簡(jiǎn)單引入，沒有觸及更深的教學(xué)難點(diǎn)，因此對(duì)于該工具能否良好解決教學(xué)難點(diǎn)等維度存在質(zhì)疑.建議后期試驗(yàn)中，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)能夠更好地將工具多維度的功能參與到教學(xué)中，并盡可能讓學(xué)生也嘗試該工