基于數(shù)字化學(xué)習(xí)的虛擬實驗平臺設(shè)計與研究

岳志兵

【摘要】虛擬實驗是對于傳統(tǒng)實體操作實驗的有效補充，對于難以用實體操作方式完成的實驗，借助虛擬實驗可以取得較好的演示教學(xué)效果。進(jìn)入信息化時代，為切實改善物理教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)加強物理虛擬實驗平臺建設(shè)，以此充分滿足教學(xué)需求，力求提升學(xué)生的實驗探究能力與實踐創(chuàng)新能力。本文主要以高中物理實驗平臺為例，探討基于數(shù)字化學(xué)習(xí)的虛擬平臺設(shè)計策略，旨在提供有價值的參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化學(xué)習(xí);虛擬實驗平臺;高中物理實驗平臺

引言：虛擬實驗是區(qū)別于實體實驗而言的一類全新實驗演示方式，借助虛擬實驗，教師可以展示實踐操作難度較大、危險性較強、復(fù)雜程度較高的實驗，同時也能夠為學(xué)生提供熟悉實驗細(xì)節(jié)的機(jī)會，有利于改善實驗教學(xué)的實效性。實驗是物理學(xué)科的重要基礎(chǔ)，開發(fā)物理虛擬實驗平臺，是提升物理教學(xué)水平的重要措施。具體而言，基于數(shù)字化學(xué)習(xí)設(shè)計虛擬實驗平臺時，有如下策略：

一、注意落實虛擬實驗平臺的設(shè)計原則

設(shè)計虛擬實驗平臺的目的是幫助學(xué)生掌握實驗操作細(xì)節(jié)，因此，首先需要落實真實感原則，即確保虛擬實驗?zāi)軌蛴行У赝瓿烧鎸嵓?xì)節(jié)的傳遞、能夠有效地還原真實情境[1]。通常情況下，通過應(yīng)用3D動畫表現(xiàn)方式來展開設(shè)計，達(dá)到體現(xiàn)實驗細(xì)節(jié)和真實化表現(xiàn)的目的。例如，在表現(xiàn)“打點計時器的使用”這一實驗的細(xì)節(jié)時，需要應(yīng)用3D模型渲染打點計時器，還原打點計時器上的各處細(xì)節(jié)，從而使學(xué)生能夠通過計算機(jī)虛擬操作掌握這一儀器的應(yīng)用要點。其次，由于虛擬實驗平臺是為了滿足課程教學(xué)需求，因而資金較為有限，在設(shè)計時需要注意做好成本控制工作，將盡可能地應(yīng)用低成本設(shè)計。第三，由于虛擬實驗平臺依托于計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)而得以運作，而交互性是互聯(lián)網(wǎng)的基本特征，因此在展開虛擬實驗平臺設(shè)計時，還應(yīng)遵循互動性原則，注意將互動環(huán)節(jié)滲透至實驗教學(xué)的每一個步驟之中，在虛擬實驗平臺中設(shè)置“實驗提示”“實時測試”等模塊，確保能夠及時為學(xué)生提供指導(dǎo)和反饋。例如，虛擬實驗平臺在呈現(xiàn)“驗證機(jī)械能守恒定律”這一實驗時，在學(xué)生應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行虛擬操作時，虛擬實驗平臺應(yīng)具備根據(jù)其操作情況提供提示的能力。

二、合理安排虛擬實驗平臺的功能模塊

在設(shè)計虛擬實驗平臺時，需要合理地安排功能模塊。以高中物理虛擬實驗平臺為例，主要應(yīng)包括如下模塊：

其一，文件模塊，主要包括各類常用指令，比如新建實驗、打開已保存實驗文件、另存、打印實驗步驟等[2]。

其二，編輯模塊，主要對實驗中所包含的各部分細(xì)節(jié)加以說明，可以進(jìn)行文字、圖片、音頻、視頻及動畫素材的插入。此外，還包括其他功能模塊，以高中物理虛擬實驗平臺為例，主要需包含以下模塊：儀器功能包含各類實驗所需儀器設(shè)備，在該功能模塊中應(yīng)包含打點計時器、滑動變阻器、安培表等儀器;表格功能用于插入呈現(xiàn)與實驗相關(guān)數(shù)據(jù)的表格;公式與符號模塊包含常用的各類物理公式和符號，借助此模塊可以快速插入與實驗相關(guān)的物理的公式和符號，例如“Ω”等，有利于提高教學(xué)效率;屬性模塊主要用于對實驗中各項內(nèi)容的屬性進(jìn)行調(diào)整，比如質(zhì)量大小、電阻高低等。

其三，同步實驗?zāi)K，主要用于對教材上的實驗內(nèi)容進(jìn)行演示，在虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以自主完成高中部分所有實驗的學(xué)習(xí)。這一模塊主要分為演示實驗?zāi)K和虛擬操作模塊兩個子模塊：在演示實驗?zāi)K，學(xué)生可以自主觀看實驗的全過程，明確各項操作細(xì)節(jié);在虛擬操作模塊，學(xué)生則可以自主通過實驗操作展開實驗探究。

其四，仿真工具模塊，這一模塊包含各類工具：力學(xué)仿真工具、電學(xué)仿真工具、光學(xué)仿真工具及液體壓強仿真工具。

其五，輔助模塊，主要包含測量、計算、三維呈現(xiàn)等功能。

其六，系統(tǒng)配置模塊，這一模塊的主要功能是在線交流互動。

三、全面結(jié)合高中物理實驗教學(xué)的內(nèi)容

虛擬實驗平臺的設(shè)計與應(yīng)用目的是為高中物理教學(xué)活動提供充分便利，因此在設(shè)計時，需要全面結(jié)合高中物理實驗教學(xué)的內(nèi)容，注意從高中物理實驗的特征和需求出發(fā)，合理設(shè)計各個功能模塊，從而確保其能夠高效地應(yīng)用于實踐[3]。為此，教師應(yīng)重視結(jié)合高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對物理教材展開深入全面的分析，明確各個實驗的內(nèi)容與要求，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)思考在虛擬實驗中完成物理實驗演示及操作的可能性，并在此基礎(chǔ)上對于虛擬實驗平臺中包含的各項功能模塊進(jìn)行優(yōu)化，從而確保取得理想的實踐效果。例如，關(guān)于“用伏特表和安培表測電源的電動勢和內(nèi)電能”這一實驗，需要在儀器模塊做好伏特表和安培表兩種重要儀器的渲染工作。

結(jié)束語：

進(jìn)入信息化時代，為切實增強實驗教學(xué)的實效性，應(yīng)重視加強虛擬實驗平臺建設(shè)工作，重視落實好虛擬實驗平臺的設(shè)計原則、合理安排虛擬實驗平臺的功能模塊并全面結(jié)合學(xué)科教學(xué)內(nèi)容，從而提升虛擬實驗平臺的設(shè)計水平，確保虛擬實驗平臺取得理想的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪紫婕.探討VR技術(shù)在高中物理實驗中的應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界，2018（01）：168+205.

[2]李繼平.高中物理學(xué)虛擬實驗室中操作診斷研究[J].才智，2018（13）：18.

[3]王巧麗，任新成，劉竹琴.以實驗為基礎(chǔ)的中學(xué)物理教學(xué)探討[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（24）：219-220.