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

一、引言

物理实验是培养学生科学探究能力的核心，但传统实验教学存在设备短缺、操作复杂、有安全风险等问题。教育信息化 2.0 时代，虚拟现实技术成突破方向，虚拟实验室可模拟真实环境、支持交互，提供安全高效的实验空间。本研究立足惠安四中物理教学实际，自 2024 年 2月起，经两年实践，探索虚拟实验室与物理教学融合模式。团队开发适配课标资源，构建教学闭环，旨在提供可复制经验。

二、研究基础与理论框架

（一）核心概念界定

虚拟实验室是指利用虚拟现实技术构建的数字化实验平台，通过模拟物理现象、实验仪器及操作流程，支持学生在虚拟环境中完成实验设计、数据采集与分析。其核心特征包括交互性（实时响应操作指令）、仿真性（还原物理规律的真实性）、扩展性（突破时空与设备限制）。

信息技术与物理教学深度融合并非技术的简单叠加，而是通过虚拟实验室重构教学要素：在内容上，将抽象物理概念转化为可视化实验过程；在方法上，以学生自主探究替代传统演示讲解；在评价上，通过学习分析技术实现过程性评估，最终达成 “以学为中心” 的教学转型。

（二）国内外研究现状

国内研究多聚焦于虚拟实验工具的应用层面，如基于 LabVIEW 平台开发力学实验模拟系统，或利用 Easy Java Simulations 设计电学虚拟实验，但对教学融合的系统性研究不足。国外研究则更注重教学策略创新，例如美国俄亥俄州立大学开发的 PhET 虚拟实验库，通过游戏化设计引导学生自主发现物理规律，其 “探究 验证 迁移” 的教学模式对本研究具有重要借鉴意义。

现有研究存在三方面局限：一是虚拟实验设计与课程标准的契合度不足；二是缺乏对学生科学思维培养的量化分析；三是虚实教学的衔接机制尚未完善。本研究针对上述问题，构建了本土化的融合路径。

三、研究设计与实施

（一）研究对象与方法

研究选取惠安四中高一年级 2 个平行班为样本，其中实验班（45 人）采用虚拟实验室融合教学，对照班（43 人）沿用传统实验教学。研究周期为 2024 年 3 月至 2025 年 7 月，主要方法包括：

行动研究法：通过 “设计 - 实践 — 反思 — 改进” 的循环，优化虚拟实验教学方案；

实验法：对比两班学生的实验操作能力、物理成绩及科学探究素养；

调查法：采用问卷与访谈收集师生对虚拟实验室的使用反馈。

（二）虚拟实验室的构建

平台开发：基于 Unity3D 引擎开发适配中学物理的虚拟实验系统，涵盖力学（平抛运动、动量守恒）、电学（电路设计、欧姆定律）、光学（光的折射、干涉）等 8 个模块，支持参数调节、数据自动记录与现象可视化。

资源设计：结合人教版教材，制作 12 个虚拟实验教学案例，每个案例包含 “实验目的 虚拟操作步骤 真实实验对照 — 拓展探究”四部分，形成结构化学习资源包。

技术支持：配置校园云服务器实现资源共享，通过教师端后台监控学生操作过程，为个性化指导提供数据支持。

（三）融合教学模式的实践

构建 “三维五步” 教学模式：

1、认知维度：通过虚拟实验直观呈现物理现象（如模拟微观粒子运动解释压强概念）；

2、操作维度：学生自主设计实验方案（如调整斜面倾角探究加速度与力的关系）；

3、迁移维度：将虚拟实验结论应用于真实实验验证（如用虚拟数据预测单摆周期）。

具体实施步骤包括情境导入、虚拟探究、协作讨论、真实验证、反思总结。以 “牛顿第三定律” 教学为例，学生先通过虚拟系统模拟不同质量物体碰撞过程，观察作用力与反作用力的大小关系，再分组用弹簧测力计进行真实实验，最终形成实验报告。

四、研究结果与分析

（一）学生学习成效提升

学业成绩：实验班前测平均分（72.3 分）与对照班（71.8 分）无显著差异（P>0.05），后测实验班平均分（85.6 分）显著高于对照班（78.2分），差异具有统计学意义（P<0.01）。

实验技能：实验班在 “实验设计完整性”“数据处理准确性”“误差分析合理性” 三项指标的评分分别为 89.2 分、86.5 分、82.3 分，均高于对照班的 76.3 分、73.1 分、68.7 分。

学习兴趣：问卷调查显示， 87.6% 的学生认为虚拟实验室 “增强了学习兴趣”，79.3% 的学生表示 “更愿意主动探究物理问题”。

（二）教学模式创新价值

突破时空限制：虚拟实验室使 “天体运动”“核反应” 等难以实操的实验得以模拟，拓展了实验教学范围；课后学生可通过校园平台反复操作，平均每周自主练习时长增加 1.2 小时。

促进个性化学习：教师根据后台数据发现， 40% 的学生在虚拟电路实验中倾向于探究非标准接法，通过针对性指导，这部分学生的创新思维得分提升 23.5% 。

优化教学评价：采用 “过程性数据 + 终结性成果” 的评价方式，例如通过分析学生虚拟实验操作轨迹，发现 32% 的学生存在步骤逻辑性问题，及时调整教学重点。

（三）实践中的问题反思

技术适配性： 15% 的学生反映部分设备运行虚拟系统时存在卡顿，需进一步优化软件兼容性；

虚实衔接：少数学生过度依赖虚拟实验，真实操作中出现仪器使用不规范现象，需加强虚实结合的训练；

教师能力：部分教师对虚拟实验的教学设计能力不足，需持续开展技术与教学融合的专项培训。

五、讨论与结论

（一）研究发现的意义

本研究证实了虚拟实验室的应用价值：理论上丰富了信息技术与学科融合路径，为建构主义提供实证；实践上其教学模式与资源体系可直接应用，为同类学校提供参考。

创新点在于：建立虚拟与真实实验双向迁移机制，避免 “重虚轻实”；通过校本化资源开发，解决通用平台与教材脱节问题。

（二）教学建议

推进虚实互补，形成 “虚拟探规律 — 真实验结论” 闭环；完善评价体系，将虚拟操作数据纳入评价；加强教师 “技术 + 教学设计” 双轨培训。

（三）研究局限与展望

样本仅来自一所学校，后续需扩大范围；未深入分析对学生空间想象能力的影响，可结合眼动实验探究。未来将探索与人工智能结合，开发智能辅导系统。

参考文献

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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。