虛擬試驗室在高中物理教學(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[3]：

（1）交互性強.微觀可視化視頻可以根據(jù)試驗者的操作對試驗過程和試驗結(jié)果進行真實模擬，從而完成對應(yīng)的試驗計劃和試驗?zāi)繕?biāo).

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

（3）直觀性強.微觀可視化視頻可以將試驗現(xiàn)象、試驗內(nèi)容進行直觀的、形象的可視化展示，從而協(xié)助學(xué)生構(gòu)建微觀認知，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力、認識物質(zhì)及其變化規(guī)律、減輕學(xué)生記憶負擔(dān).

2虛擬試驗室案例分析

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

2.1“帶電粒子在勻強磁場中的運動〞教學(xué)設(shè)計與實施

2.1.1教材分析

2023版普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)課的要求是：能用洛倫茲力分析帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動.本節(jié)課主要通過試驗和理論探究沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，并探討分析圓周運動規(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)會運用牛頓運動定律分析力與運動的關(guān)系，能分析勻速圓周運動的向心力，會用功能關(guān)系分析物體運動狀況.在上一課學(xué)習(xí)中學(xué)生已經(jīng)認識了洛倫茲力，會判斷洛倫茲力的方向，會計算洛倫茲力的大小，并具備一定的三維空間思維能力.但是在認識帶電粒子的圓周運動規(guī)律時，空間想象力仍是本節(jié)最大的障礙.學(xué)生對如何顯示帶電粒子的運動軌跡感興趣，故而對洛倫茲力演示儀的工作原理表現(xiàn)出好奇心，并對試驗現(xiàn)象感興趣.對于洛倫茲力的應(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)合試驗探討帶電粒子沿不同方向進入勻強磁場的運動，理解帶電粒子在勻強磁場中做圓周運動，培養(yǎng)學(xué)生有依據(jù)的猜想及試驗驗證的科學(xué)探究核心素養(yǎng).

（2）通過學(xué)生自己動手畫圖，認識找圓半徑和圓心的重要性，再引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會規(guī)范化畫圓軌跡，提高學(xué)生對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驗證帶電粒子在勻強磁場中軌跡圓大小影響因素，會求帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動半徑、周期以及運動時間，培養(yǎng)科學(xué)論證思維能力.

（4）通過先分析無邊界磁場的運動到有邊界磁場的運動，先分析同一粒子在勻強磁場中的運動到不同粒子進入勻強磁場中的運動，靈活把握分析帶電粒子的運動規(guī)律和分析方法，并初步認識質(zhì)譜儀的工作原理，引導(dǎo)認識知識的應(yīng)用與社會責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生利用知識推動社會發(fā)展的責(zé)任感.

2.1.4教學(xué)設(shè)計

本次試驗中，試驗班使用虛擬試驗室的洛侖茲力演示儀進行試驗儀器的介紹和演示，對比班使用真實的洛侖茲力演示儀進行演示.教學(xué)設(shè)計見表1.

2.2教學(xué)效果分析

為了探究虛擬試驗室對學(xué)生學(xué)習(xí)狀況帶來的影響，采用由授課教師設(shè)計的同一份試卷，分別對試驗班和對比班同學(xué)進行前后測對比測驗.實施前后測的試驗的目的是為了檢測虛擬試驗室顆粒、微觀視頻及學(xué)科工具所帶來的價值點，通過檢測卷來分析顆粒的使用是否對學(xué)生學(xué)習(xí)的知識點有幫助.

2.2.1學(xué)習(xí)效果總結(jié)

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

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

從正確率來看，試驗班在前后測正確率上均高于對比班，因此效果的差異來源于班級本身的區(qū)別.對兩班的提高效果進行獨立樣本T檢驗.結(jié)果顯示，采用虛擬試驗室顆粒教學(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），即使用虛擬試驗室顆粒對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有提升，但是提升不明顯.

2.2.2微觀可視化視頻對教學(xué)效果的影響

結(jié)論：對比傳統(tǒng)教學(xué)方式，使用微觀視頻浮現(xiàn)微觀粒子的運動軌跡（如圖1），對學(xué)生學(xué)習(xí)對應(yīng)知識的效果提升明顯.

測試結(jié)果見表3，使用微觀視頻演示對學(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，試驗班在前后測正確率上均高于對比班，因此效果的差異來源于班級本身的區(qū)別.對兩班的提高效果進行獨立樣本T檢驗.結(jié)果顯示，采用虛擬試驗室工具教學(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），即使用虛擬試驗室顆粒（虛擬浮現(xiàn)電流方向和磁感應(yīng)線），對學(xué)生學(xué)習(xí)電流方向和磁感線知識的效果沒有顯著提升.

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

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

測試結(jié)果見表5，使用虛擬試驗室和真實儀器教學(xué)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果都有提升作用.

從正確率來看，試驗班在前后測正確率上均高于對比班，因此效果的差異來源于班級本身的區(qū)別.對兩班的提高效果進行獨立樣本T檢驗.結(jié)果顯示，采用虛擬試驗室工具教學(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），即使用虛擬試驗室顆粒進行儀器結(jié)構(gòu)介紹，對學(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室的虛擬浮現(xiàn)和微觀可視化視頻在物理試驗教學(xué)中的特點，二者對于高中物理試驗教學(xué)有著很好的結(jié)合.通過對虛擬試驗室的虛擬浮現(xiàn)在物理教學(xué)中的應(yīng)用研究，對于豐富高中物理課堂教學(xué)實踐，推進物理教學(xué)模式優(yōu)化與改革來說有著深遠的意義.

在物理實踐活動實施現(xiàn)狀方面，本次試驗根據(jù)前后測學(xué)習(xí)效果評測的綜合分析可知，目前使用虛擬試驗室顆粒和微觀視頻教學(xué)，對學(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)微觀粒子的運動軌跡，對學(xué)生學(xué)習(xí)對應(yīng)知識的效果提升明顯;驗證了微觀視頻對知識進行微觀表征的過程，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)績效;

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

（3）使用虛擬試驗室顆粒進行儀器結(jié)構(gòu)介紹，對學(xué)生把握儀器結(jié)構(gòu)沒有顯著提升.

3.2研究反思

本次試驗課程中，虛擬試驗室僅作為儀器結(jié)構(gòu)的補充講解，甚至是簡單引入，沒有觸及更深的教學(xué)難點，因此對于該工具能否良好解決教學(xué)難點等維度存在質(zhì)疑.建議后期試驗中，在進行教學(xué)設(shè)計時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