少數民族地區中學物理虛擬實驗教學模式的探究

李偉 蔡燃 宋偉 馬傳連

摘 要：“互聯網+教育”的發展促使教育形態不斷變化，混合式教學已成為一種趨勢，傳統的中學物理實驗教學方式輔以線上教學，能夠更加高效地實現教學目標。文章從中學物理實驗教學的重要性出發，通過分析少數民族地區中學物理實驗教學面臨的問題，在虛擬實驗室的概念、優勢及主要技術等方面著手，探討如何構建適合少數民族地區中學物理虛擬實驗與真實實驗相耦合的實驗教學模式。

關鍵詞：中學物理;實驗教學模式;虛擬實驗室;云計算

中圖分類號：G642.1;G434? ? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2021）08-0047-05

一、引言

中學物理教學以實驗教學環節為基礎，在教學過程中通過理論教學與實驗教學相結合，提高學生的科學能力與素養[1]。中學物理實驗教學是中學課程改革的重要組成部分，一方面，學生的學習興趣可以通過物理實驗教學來激發;另一方面，學生探索和解決問題的能力能夠得到提高。最重要的是學生自身的創新意識以及創造性思維也得到了培養。然而，由于少數民族地區教育信息化發展落后、教育資源分配不均衡等因素，導致該地區的中學物理實驗教學存在諸多問題，如實驗儀器不齊全、設備陳舊老化、實驗室場地擁擠、實驗教學內容不完善等等?；诖?，有必要通過中學物理虛擬實驗教學來解決少數民族地區在實際教學中遇到的問題，輔助傳統實體實驗教學，兩種教學方式相互增效，高效實現教學目標。

二、少數民族地區中學物理實驗教學面臨的問題

我國高度重視少數民族地區的教育問題，近年來，少數民族地區的教育規模不斷擴大。截至2019年年底，基礎教育階段全國各級各類學校中，少數民族在校生共有3466.6萬人，是1951年98.3萬人的35倍之多。其中，普通中學少數民族在校生有678.6萬人，占全國學生總數比重的11.87%，而且少數民族學校和學生規模還在穩步擴大[2]。然而，少數民族地區各級各類學校教學中所面臨的問題也不少，其中，中學物理實驗教學所面臨的現狀及問題主要有以下四點：

1.偏遠地區的教育信息化發展水平落后，導致實驗教學內容常年不變

少數民族地區大部分屬于較為偏遠的地區，受地理位置以及氣候條件的影響，造成一些偏遠地區交通不便、出入困難，不便于與外界進行信息交流，從而使得這些偏遠地區的教育信息化水平嚴重滯后。在實驗教學中，實驗內容是比較基礎的驗證性實驗，演示型實驗不夠豐富，學生自主設計型實驗更是少之又少，從而無法激發學生的理論學習興趣，也無法培養學生的實驗操作能力?？傊?，常年不變的實驗教學內容嚴重影響了實驗效果。

2.存在教育資源投入不到位、分配不均衡，實驗室硬件設施不夠完善的情況

由于少數民族地區的經濟發展較為落后，可能會導致很大程度上加劇少數民族地區教育資源配置的不平衡和不充分[3]。經濟發展的落后、資源財力的有限都將會在很大程度上導致教育資源的投入不到位，辦學條件需要進一步改善。由于實驗設備沒有得到及時的完善及更新，不能滿足學生在實驗過程中的切身體驗，不能更全面地提高學生的學習能力，最終呈現的教學效果不佳，預期的教學目標也無法實現。

3.實驗室的開放程度和利用率不高

少數民族地區中學對物理實驗課的授課方式是“理論+實操”，其中“實操”的時間是在教學課時內，教師帶領學生到實驗室開展實驗，而在課余時間，實驗室緊關大門，不對學生開放。實驗室對學生的開放程度比較低，導致其利用率也比較低，學校應該提高開放實驗室的重視程度，增加專職教師負責實驗室的開放工作量[4]。

4.師資力量薄弱、水平不高

受經濟發展落后、地理位置不佳等各種因素影響，少數民族地區很難吸引外界優秀教師，而本土優秀教師也會流入到發達地區，從而導致這些欠發達地區師資力量不足、師資水平不高。

少數民族地區的教師在中學物理實驗教學中主要存在以下一些不足：一是部分教師對示范整個實驗過程的教學效果的重要性認識不夠或不太重視，很少向學生演示實驗，或較為機械化、形式化地演示實驗，學生最多能夠了解實驗現象和結論，不能深入理解實驗過程和本質，更不能熟練掌握物理實驗過程所體現的思想和方法。二是大多數教師只是照搬教科書上的實驗，根據實驗設計找實驗儀器，如果實驗室沒有對應的儀器就略過此實驗，教師不敢甚至不想去改變原本的實驗計劃，以致于無法開展部分實驗。

綜上所述，少數民族地區中學進行物理實驗教學需要解決的首要問題是如何更加合理地分配教育資源，然而由于少數民族地區經濟發展落后，通常很難通過擴充實驗室整體規模、增加實驗儀器設備來解決其物理實驗教學所面臨的首要問題，因此在中學階段引入虛擬實驗室來輔助實體實驗教學，成為一個很好的突破口。

三、中學物理虛擬實驗教學的優勢

1.虛擬實驗室的概念

虛擬實驗室是一個基于計算機技術、網絡技術以及多媒體技術的無墻實驗中心，它不受時空的束縛，能夠隨時隨地操作使用，學生共同享用虛擬儀器設備、網絡數據以及學習資源，教師能夠及時給予學生指導，并且師生之間可以隨時進行討論交流[5]。通過虛擬仿真技術，將真實的物理實驗儀器設備和實驗場景虛擬化，進而開展實驗教學，對實驗過程和實驗結果的性能進行預測和評價。虛擬實驗一方面能夠節省實驗成本，另一方面又能節約實驗前期準備工作的時間，提高實驗操作效率[6]。

2.中學物理虛擬實驗教學的優勢

中學物理虛擬實驗室運用計算機網絡技術改善了實驗教學的條件，在實現教育資源共享的同時，提高了實驗教學的質量。最重要的是，中學物理虛擬實驗室可以彌補因實驗教學資源不足而帶來的問題，節約了實驗儀器設備以及實驗室場地等方面的投入，并且能夠有效降低學生開展實體實驗所帶來的風險，提高學生學習物理實驗的興趣和效率[7]。

與傳統的中學物理實體實驗教學相比，虛擬實驗教學主要具有以下五個優勢：

第一，節約教學資源的投入成本，主要體現在中學物理實驗儀器設備和實驗室場地兩個方面。通過虛擬仿真技術將實驗室場景、實驗儀器設備虛擬化，實現教學資源的重復利用，可以解決少數民族地區中學物理實驗教學所面臨的教育資源不充沛的問題。

第二，不受時間和空間的束縛，教師與學生可以挑選任意時間和地點開展中學物理實驗。近年來，少數民族地區學生規模不斷擴大，導致實驗室場地擁擠，一名教師不可能在有限的時間內督促每一位學生的實際操作，也不可能滿足每一位學生的學習需求，以致于實驗教學效果大打折扣。然而，虛擬實驗教學可以靈活安排實驗時間，不受空間的限制，這是傳統實體實驗教學方式所無法比擬的。

第三，不受客觀條件的影響，可以實現傳統的中學物理實體實驗中比較難以開展的綜合性實驗，在較小誤差的情況下進行多次實驗。比如，傳統實驗中驗證機械守恒定律時，由于摩擦和空氣阻力的影響，實驗結果總會存在一定的誤差;可以防止一些實驗儀器設備所導致的與實驗目的不相干的不良因素。比如，線路接觸不佳、儀器設備存在故障等;可以有效避免實驗儀器的損壞。比如，在做傳統實驗中短路過載及其防護實驗時，學生的錯誤操作會導致實驗儀器的直接性損壞。

第四，中學物理虛擬實驗室具有開放性，虛擬器材庫品種齊全、虛擬實驗平臺易于操作，能夠有效解決少數民族地區中學物理實驗教學內容不完善的問題。開放式實驗室管理系統易于管理，整體適應性好且受益面廣，能夠幫助少數民族地區增強師資力量，提高師資水平。

第五，中學物理虛擬實驗教學能夠有效去除實驗過程中學生自身安全存在的隱患，比如，傳統實驗的托里拆利實驗過程中，玻璃管內的水銀存在重大安全隱患。而作為傳統實體實驗的輔助教學途徑，虛擬仿真實驗教學可以帶來比實體實驗教學更佳的實驗效果，且能保證實驗的安全性、精準性，學生可以自主地設計實驗過程，大膽地探究實驗的本質，在培養學生科學素養的同時，保證了學生在實驗過程中的人身安全。

四、基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式

現代教育技術正在全方位、深層次地融入到教與學的過程中，線上教學顯現出其突破時空限制、資源共享的優勢，市場規模迅速擴大。從艾媒咨詢機構公布的相關數據顯示來看，2020年在線教育行業市場規模同比增長35.5%至2573億元 ，整體線上化率23%～25%，疫情下教育領域獲融資最多，而其中在線教育最受資本青睞，2020年教育行業累計融資1164億元，其中在線教育融資金額1034億元，占比 89% [8]。

針對少數民族地區中學的物理實驗教學，本文提出了基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式，通過線上與線下相結合、傳統實體實驗教學與虛擬實驗教學相互補充，高效實現中學物理實驗教學目標。下面，筆者將從教學模式的構成要素、教學模式的技術支持、云計算學習平臺的基本架構和功能三個方面著手，探討基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式的基本框架。

1.教學模式的構成要素

基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式由五個基本要素構成：理論基礎、教學目標、教學程序、實現條件、教學評價。這五個基本要素是將教學理論運用到教學實踐的關鍵媒介，其具體內容分別如下：

（1）理論基礎

建構主義理論認為，學習者的認知并不是通過接收傳統教學中教師填鴨式的傳授得到的，而是一種以主體已有的知識和經驗為基礎的主動建構?；诮嬛髁x理論的新發展，國內學者創新性地將其冠以“新建構主義”的名稱。新建構主義理論強調，網絡時代的學習是一個零存整取、不斷重構的過程[9]。建構主義理論的新發展促進了教學模式的改革與創新。

（2）教學目標

知識與技能目標：學生能夠在新的情境中靈活運用所學的中學物理知識概念進行總結，并能夠建立合理聯系;能夠自主完成中學物理實驗操作，并能合理調整、改進實驗內容與操作步驟。

過程與方法目標：學生通過中學物理探究，能夠掌握科學探究的基本方法，進而發現、探索與認識物理規律的科學過程;學生在學習過程中能夠認識到與同學、教師交流合作的重要性，通過團隊協作能解決物理探究過程中所遇到的實際問題。

情感、態度與價值觀目標：學生具有勇于探索、堅持真理的科學態度以及主動與他人交流合作的團隊精神，在探究實踐中不斷提高自身的科研能力與科學素養。

（3）教學程序

課前預習→課中提出問題→做出假設→實踐驗證→討論合作→分享成果→課后評價反饋→總結提高。此教學模式的教學程序是根據中學物理實驗教學基本流程，基于“引導—發現式”教學模式的教學程序創新性變化而確立的。

（4）實現條件

在教學活動中，以學生為中心，支持學生自主學習、獨立思考，教師通過引導學生主動獲得知識，教學過程中給予學生幫助與輔導，搭建云計算學習平臺作為輔助傳統實體實驗教學的教學環境。

（5）教學評價

以教學目標為依據，以自我評價為重點。學生課后總結未解決的疑惑以及學習需求，并對教師教學工作作出評價，主要包括教學內容、教學方式、教學質量;教師課后總結課中存在的問題，反思教學過程中的不足之處，通過布置課后作業或組織測驗考試來對學生學習效果作出評價。

2.教學模式的技術支持

云計算技術是以互聯網為中心，利用Web提供快速且安全的訪問服務及數據存儲等，使服務器的管理和應用虛擬化。云計算技術可以解決有些學校計算機設備落后、運行速度慢的問題。云計算技術的主要特點是客戶端的維護成本低、實驗數據的處理高效率、容錯及負載能力高可用，最重要的是極其便捷，各種具有瀏覽器的設備都可以通過云計算技術實現對虛擬實驗室的運行訪問，這就為少數民族地區的遠程教育提供了有力的技術支持。

3.云計算學習平臺的基本架構和功能

云計算學習平臺是一種依托于計算機仿真技術、多媒體技術、網絡技術和云計算技術的虛擬實驗教學平臺。平臺通過實物仿真技術，具備中學物理實驗所需的各種儀器及實驗工具，集實驗資源信息、實驗結果自動批改、實驗教學管理于一體，滿足了中學物理實驗教學的需求。

云計算學習平臺的總體架構分為五層，每一層都為上一層提供服務：數據層涉及到多種類型虛擬實驗組件及數據;支撐層是整個平臺的核心框架，負責整個基礎系統的運行、維護和管理;服務層提供虛擬實驗教學環境的一些通用支持組件;仿真層最后為上層提供實驗結果數據的格式化輸出;應用層最終實現基站部署，利用服務層提供的功能及仿真層提供的器材進行實驗。其總體架構如圖1所示。

構建中學物理虛擬實驗室環境的關鍵步驟：首先，利用云計算技術搭建云教育數據中心，并配置應用程序和用戶終端服務;其次，通過虛擬現實仿真技術創建中學物理虛擬實驗室場景，主要包括中學物理實驗所需的虛擬儀器設備和虛擬實驗工具;再次，將中學物理虛擬機實驗室資源轉化為云服務資源，同時整合云教育平臺的優勢;最后，學生通過云終端進入中學物理虛擬實驗環境[10]。

云計算學習平臺可實現的內容有：①實驗教學管理，主要包括中學物理實驗的發布、增加、修改、刪除、答疑以及用戶信息的管理;②中學物理虛擬實驗儀器工具的共享、實驗結果數據的分析及自動批改;③中學物理虛擬實驗的設計與配置，主要指可提供DIY工具的設計型實驗;④師生之間或生生之間實時的互動交流討論模塊、教學效果評價模塊。

4.基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式

基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式主要分為：課前自主學習、課中合作探究、課后反思總結階段，詳見圖2所示。

（1）課前自主學習階段

以學習任務為導向，主要通過云計算學習平臺來進行。教學者在實驗課前設計并發布實驗指南，再根據課程內容適量地布置一些課前學習任務，然后搜集匯總有關輔助資源，統一將這些內容以模塊的形式放在學習平臺上，通過發布通告、設置階段性的學習目標以實時監督學習者的學習進度，及時與學習者進行線上交流，進而對其進行個性化指導。學習者根據教學者發布的實驗指南、學習任務以及輔助資源，合理安排時間進行線上學習，理解實驗目的、熟悉實驗步驟，完成教師布置的學習任務，存在不理解的問題應及時與其他學生、教師進行線上交流討論。

（2）課中合作探究階段

以答疑解惑為目的，可以通過云計算學習平臺、線下或兩者結合的形式進行。教學者在正式組織進行教學之前，根據課前學習者在完成學習任務的過程中所存在的共同問題進行統一講授，然后有針對性地對學習者遇到的個別問題進行個性化指導;在講授完課程內容后，調動學習者的主動性、督促小組討論，最后解決存在的問題。學習者在教師正式組織進行教學前，大膽提出課前線上學習所遺留的疑惑，探究存在的問題，在教師授課的同時，學習者也要進行實踐操作，做到邊學邊做，然后積極參與小組交流討論，最后分享學習成果以及實驗心得。

（3）課后反思總結階段

主要以自我評價為重點，同樣也可以通過多種形式來進行。課后，教學者應該根據學習者在課堂中的表現以及學習情況布置課后學習任務，以鞏固學習者存在問題較多的實驗環節或較為薄弱的基礎知識;然后總結授課過程中存在的問題、反思教學過程中的不足之處，以完善教學內容和反饋教學資源的建設;還應與學習者及時交流，了解學習者對實驗理論內容的掌握情況以及對實驗過程的理解程度。學習者在課后可以通過撰寫實驗報告的方式，針對實驗環節進行總結和反思，這樣不僅可以明了自身的學習需求，還可以鞏固基礎知識;如果學習者存在對實驗實操環節掌握不熟練的情況，課后可以在云計算學習平臺進行線上實踐操作;此外，學習者還應自主完成教學者布置的學習任務。

五、總結

本文通過分析少數民族地區中學物理實驗教學面臨的問題，提出了基于云計算虛擬實驗室的中學物理混合式教學模式，為當前少數民族地區中學物理實驗教學提供了有力支持。云計算學習平臺的應用不應僅局限于中學物理實驗教學，還可通過調整功能模塊，實現生物、化學等其他基礎教育學科在虛擬實驗教學方面的具體應用。在少數民族地區中學物理實驗教學過程中，應用真實實驗與虛擬仿真技術相結合的虛擬仿真實驗教學，能夠帶來更佳的教學效果，而虛擬仿真實驗教學與傳統實驗教學相結合的混合式教學模式，是物理實驗教學的一種延續性創新，有助于高效實現教學目標。

參考文獻：

[1]鄭遠，楊國威，鮑德松，等.啟發式物理演示實驗教學模式探索——以聲懸浮實驗為例[J].實驗室研究與探索，2020，39（7）：192-196.

[2]中華人民共和國教育部.2019年教育統計數據[DB

/OL].http：//www.moe.gov.cn/s78/A03/moe_560/jytjsj_2019/.

[3]周自波，廖水明.試論民族地區解決教育發展不平衡不充分的根本途徑[J].貴州民族研究，2018，39（7）：203-208.

[4]王能能.伊犁州直少數民族學生高中化學實驗教學現狀調查與對策[D].伊寧：伊犁師范學院，2018.

[5]劉維棟，陳利云.與真實實驗相耦合的中學物理虛擬實驗教學模式研究[J].物理通報，2019（3）：71-73.

[6]田夏，孟佳.基于CiteSpace的我國虛擬實驗研究現狀與趨勢[J].實驗室研究與探索，2017，36（9）：97-101+106.

[7]熊巍，何蔚珊.基于Unity 3D的化學虛擬實驗系統設計與實現[J].實驗技術與管理，2020，37（2）：28-31.

[8]艾媒未來教育產業研究中心.艾媒報告|2020年中國在線教育行業發展研究報告[EB/OL].https：//www.sohu.com/a/445265077_445326.

[9]郭艷玲，楊紀平，王琳.建構主義視域下基于網絡多媒體的口譯教學模式探索[J].實驗技術與管理，2020，37（10）：216-219.

[10]張新朝，李夢雪.云教育平臺虛擬實驗室構建[J].軟件導刊，2019，18（6）：151-153+157.（編輯：李曉萍）