基于虚拟实验室的信息技术与物理教学深度融合实践研究

物理实验是物理学科的基石，但传统教学存在诸多弊端：高端设备成本高、更新慢，多数学校难以配齐；部分实验有安全风险，常以演示代替操作；且受时空限制，学生课后复习和反复操作机会少，导致参与度低、探究能力不足，制约教学质量提升。教育信息化 2.0 时代，虚拟实验室凭借低成本、高安全性、强交互性等优势成为破解难题的重要手段，其能模拟真实环境，让学生自主设计参数、重复操作、实时观察，弥补传统实验不足并激发探究欲。本研究立足中学物理教学实际，探索二者深度融合机制，意义在于丰富教学资源、突破设备与时空限制，创新模式、提升参与度，为同类学校提供可复制经验、推动区域教育均衡。

一、核心概念与理论框架

（一）核心概念界定

虚拟实验室：指基于计算机技术、虚拟现实技术构建的数字化实验平台，能够模拟物理实验所需的仪器、环境及操作流程，支持学生通过人机交互完成实验任务，并实时生成数据与结果。其核心特征包括情境仿真性、操作交互性、数据可视化。

深度融合：区别于简单的技术叠加，指将虚拟实验室融入物理教学的目标设定、内容组织、方法选择、评价体系等全流程，形成 “技术服务于教学，教学反哺技术优化” 的协同关系，最终实现教学质量与学生素养的双重提升。

（二）理论支撑

认知负荷理论：虚拟实验室通过动画、模拟等方式将抽象物理概念具象化，降低学生的认知负荷，帮助其聚焦核心知识的理解。例如，在 “电场线分布” 教学中，虚拟实验室可动态展示不同电荷组合下的电场线变化，使抽象概念可视化。

建构主义学习理论：强调学习是学习者主动建构意义的过程。虚拟实验室为学生提供自主探究的空间，使其在 “设计实验 — 操作验证 — 分析结论” 的过程中，通过亲身体验建构物理知识体系。

混合式学习理论：主张线上线下优势互补。本研究将虚拟实验与实体实验结合，虚拟实验负责拓展广度（如模拟极端条件下的实验），实体实验负责强化深度（如感受真实仪器的操作手感），形成 “虚拟铺垫 — 实体验证 — 虚拟拓展”的学习链条。

二、国内外研究现状

国内对虚拟实验室的研究始于 21 世纪初，早期聚焦技术引进与简单应用，近年逐渐深入：王小明（2021）发现其能提高高中生动力学实验设计能力；张文兰等（2020）提出 “技术适配性” 原则。但存在不足：资源开发缺乏系统性，多针对单一知识点；融合模式停留在 “演示替代” 层面；评价体系侧重成绩提升，对学生素养关注不足。

国外研究起步早，技术应用成熟。美国 PhET 虚拟实验室涵盖上千个物理实验，用游戏化设计提升参与度；德国 “三维虚拟实验室” 支持多用户协同实验，培养合作能力。其特点是技术迭代快、注重学生体验，但因教育体制差异，模式难直接应用于我国中学教学。

本研究借鉴国内外成果，立足本土实际，创新点有三：资源开发与教材同步，形成覆盖全学段体系；构建 “教学 — 评价” 一体化融合模式；建立兼顾知识与素养的多元评价体系。

三、研究设计与方法

（一）研究对象

选取高一年级 4 个平行班为研究对象，其中 2 个班（102人）为实验班，采用虚拟实验室与物理教学深度融合的模式；另外 2 个班（98 人）为对照班，采用传统实验教学模式。为确保科学性，对两班学生的入学成绩、性别比例、学习基础（如初中物理实验操作考核成绩）进行统计分析，结果显示无显著差异（ P>0.05 ），具有可比性。

选择高一年级学生的原因：高一是中学物理学习的关键阶段，学生开始接触复杂概念和实验原理（如曲线运动、电磁感应），对探究需求高；同时，高一学生已具备一定的计算机操作能力和自主学习能力，能较好适应虚拟实验室的操作环境，开展自主探究。

（二）研究工具

虚拟实验资源库：研究团队联合 3 所中学的物理教师、信息技术人员及教育技术专家，历时 8 个月开发完成。该资源库涵盖力学、电学、光学、热学、声学、原子物理 6 个模块，包含基础实验 32 个（如 “基本仪器使用”“单摆周期测量”）、探究性实验 18 个（如 “影响滑动摩擦力的因素”“凸透镜成像规律探究”）。资源库支持学生自主调节参数（如改变物体质量、电流大小、入射角），自动记录数据并生成图表（如位移 - 时间图像、电流 - 电压图像），方便分析结果。每个实验配套详细的目的、原理、步骤和注意事项说明，帮助学生规范操作。

评价量表：为全面评估融合效果，设计系列工具：《学生实验操作能力评分表》含实验设计、操作规范、数据记录、现象观察、结论分析 5 个维度，每个维度设 3-4个指标（如 “实验设计” 含变量控制合理性、器材选择恰当性），采用 5 分制评分；《物理学习兴趣问卷》含 15 个问题，涉及对实验课的喜爱程度、课后主动探究意愿、参与物理课外活动的积极性等，采用李克特五级评分法；《科学思维能力测试题》涵盖归纳推理（如从实验数据总结规律）、演绎推理（如用规律预测现象）、模型构建（如用受力分析模型解释运动状态）等内容，经 3 位教育学和物理学专家审定，信度（α=0.86）和效度良好。

（三）研究方法

行动研究法：研究团队与 6 名一线物理教师组成共同体，在教学实践中调整优化虚拟实验应用策略，采用 “设计 — 实施 — 反思 — 改进” 循环：先根据教学目标和学生特点设计应用方案；再在实验班实践，教师记录问题与学生反馈（如操作难度、兴趣点）；随后团队与教师共同反思，分析方案不足（如虚拟实验与实体实验衔接不畅）；最后改进方案，进入下一轮循环。通过 3 轮迭代，形成成熟的融合模式。

实验对比法：学期末对两班学生进行统一测试，包括物理学业考试（含实验题）、实验操作能力考核、《物理学习兴趣问卷》和《科学思维能力测试题》。采用 SPSS 26.0 软件对数据进行统计分析，通过独立样本 t 检验比较两班差异，验

证虚拟实验室融合模式的有效性。

个案研究法：从实验班选取 6 名不同层次学生（优等生 2 名、中等生 2 名、后进生 2 名），通过每月 1 次访谈、作业分析、课堂观察、实验报告评估等方式，跟踪其学习过程：记录优等生如何通过虚拟实验拓展探究（如尝试非标准参数）、中等生如何克服操作障碍、后进生如何通过重复操作弥补基础不足，分析虚拟实验室对不同学生的影响机制。

调查法：设计针对性问卷收集师生反馈，共发放 200 份（学生 150 份，教师50 份），回收有效问卷 196 份，有效率 98% 。问卷内容包括对虚拟实验室资源质量（如仿真度、难度适配性）、操作便捷性、学习帮助程度的评价，以及使用中遇到的问题（如设备卡顿、指导不足）和改进建议，为资源库优化和模式完善提供参考。

四 、实践过程与成果

（一）虚拟实验资源库建

研究团队联合相关学校历时 8 个月建成中学物理虚拟实验资源库，具三大特色：分层设计含基础、提高、拓展层，分别侧重操作规范、方案设计与知识迁移；交互设计支持拖拽等操作，可调节参数并生成数据图表；配套教案、课件等资源方便教学。

（二）“四阶融合” 教学模式构建

形成 “预习 — 探究 — 验证 — 拓展” 模式：虚拟预习让学生课前完成基础操作；课堂探究中教师引导设计对比实验；实体验证将虚拟结论在真实实验室验证；虚拟拓展供学生课后尝试极端条件或创新实验。

（三）实证效果分析

学业成绩上，实验班平均分较对照班高 8.8 分，实验题得分率提升 16.3 个百分点；学习兴趣方面，实验班喜欢实验课和课后主动练习的学生占比远超对照班；学生科学思维更熟练，教师教学也得到优化。

五、研究结论与展望

（一）研究结论

虚拟实验室与物理教学的深度融合，能有效突破传统实验教学的设备、安全与时空限制，扩大学生的实验参与机会。

“四阶融合” 教学模式符合中学生的认知规律，虚拟实验与实体实验的互补，既能拓展学习广度，又能保证学习深度。

虚拟实验室的应用不仅提升了学生的学业成绩，更在培养科学探究精神、创新思维等方面具有积极作用，尤其对后进生的转化效果显著。

（二）实践启示

学校层面：应将虚拟实验室建设纳入信息化发展规划，加强教师培训，避免“重硬件轻应用” 的现象。

教师层面：需转变角色定位，从 “知识传授者” 变为 “探究引导者”，注重设计开放性实验任务，培养学生的高阶思维。

资源建设：虚拟实验资源需与教材、课标紧密对接，避免技术炫技，确保服务于教学目标。

（三）不足与展望

本研究存在两方面局限：一是研究周期较短（仅 2 学年），虚拟实验室对学生长期科学素养（如科学探究习惯）的影响有待进一步观察；二是当前虚拟实验室的沉浸感仍有提升空间，主要依赖视觉模拟，缺乏触觉反馈（如操作仪器的力度感知）。

未来研究将从三方面推进：一是延长研究周期至 3 年，跟踪学生从高一到高三的能力变化；二是引入 VR 技术增强沉浸感，如开发基于 VR 头显的 “天体运动” 虚拟实验室，让学生 “置身” 太阳系观察行星运动规律；三是扩大研究范围，探索虚拟实验室在初中物理（如 “声现象”）及其他理科（如化学的 “物质燃烧”、生物的 “细胞渗透”）教学中的应用，形成跨学科的融合范式。

参考文献

[1] 王小明。虚拟实验室在高中力学实验中的应用效果探究 [J]. 教学与管理，2021 (15): 78- 80.

[2] 张文兰，刘俊生，等。虚拟实验的技术适配性原则及其应用 [J]. 中国电化教育，2020 (03): 102- 108.

[3] 黄皓。中学物理 “ 虚拟仿真实验教学” 的探索与实践 [J]. 江苏智慧教育云平台，2021 (11).

[4] 郑明祥。虚实融合初中物理实验教学模式的研究 [J]. 广东省教育资源公共服务平台，2024 (05).

[5] 史汉军。基于信息技术的初中物理创新实验教学的研究 [J]. 教育信息技术，2022 (10).

[6] 何克抗。建构主义 — — 革新传统教学的理论基础 [J]. 电化教育研究，2018 (3): 3- 9.

[7] 李芒，蔡旻君。认知负荷理论及其在 E- learning 中的应用 [J]. 电化教育研究，2006 (08): 51- 53.

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本论文为泉州市教育科学“ 十四五” 规划（第二批）立项课题《基于虚拟实验室的信息技术与物理教学深度融合实践研究》（立项批准号：QG1452- 130）最终成果。