高中物理虚拟实验与传统实验的互补教学研究

一、引言

高中物理实验是帮助学生理解物理知识、培养实践能力和科学思维的重要途径。传统物理实验以真实的仪器设备为载体，学生通过亲手操作、观察现象、记录数据来完成实验，能让学生直观感受物理过程，增强动手能力。而随着信息技术的快速发展，虚拟实验逐渐进入物理教学领域，它利用计算机技术、多媒体技术等构建虚拟的实验环境，学生可在虚拟场景中进行实验操作，不受器材、时空等条件限制。当前，教育领域对二者如何结合应用的关注度不断提升，开展高中物理虚拟实验与传统实验的互补教学研究，具有重要的现实意义。

二、目前教学存在的问题

在当前高中物理实验教学中，传统实验和虚拟实验的应用存在一些问题，影响了教学效果。一方面，传统实验受多种因素制约。部分学校物理实验器材配备不足或更新不及时，一些较为复杂、危险性较高的实验难以开展，如高压电场相关实验，因器材和安全条件限制，学生无法亲自动手操作，只能通过教师演示或理论讲解了解实验过程，学生参与度低。

三、实施策略

为解决当前高中物理实验教学中存在的问题，充分发挥虚拟实验与传统实验的互补优势，需从教学实际出发，制定科学合理的实施策略，将二者有机结合，提升实验教学质量，帮助学生更好地掌握物理知识，培养相关能力。

（一）基于实验类型规划虚实实验开展顺序

在高中物理实验教学中，不同类型的实验具有不同的特点和教学目标，需根据实验类型合理规划虚拟实验与传统实验的开展顺序。对于基础操作性实验，如“打点计时器的使用”“伏安法测电阻”等，这类实验主要目的是让学生掌握基本仪器的操作方法和实验技能，应优先开展传统实验。教师先向学生讲解实验仪器的结构、原理和操作规范，然后让学生亲手操作实验器材，进行实验数据的测量和记录。

（二）结合教学目标设计虚实实验内容衔接方案

教学目标是实验教学的导向，需结合具体的教学目标设计虚拟实验与传统实验内容的衔接方案，确保二者围绕教学目标协同发挥作用。在“牛顿运动定律应用”的实验教学中，教学目标是让学生理解牛顿第二定律中力、质量和加速度的关系，并能运用该定律解决实际问题。首先，设计虚拟实验内容，搭建虚拟的实验场景，如水平轨道上的小车实验，学生可在虚拟环境中改变小车的质量、施加的拉力大小，通过传感器实时获取小车的加速度数据，并自动生成力 - 加速度图像。学生通过分析图像，初步得出力与加速度成正比的关系。接着，开展传统实验，选用实际的小车、打点计时器、砝码等器材。学生按照实验步骤，测量小车的质量、砝码的重力（近似为拉力），通过打点计时器获取纸带数据，计算小车的加速度。将传统实验得到的数据与虚拟实验的数据进行对比分析，讨论两者存在差异的原因，如摩擦力的影响、空气阻力的作用等。

（三）依据学生认知水平搭建虚实实验互动平台的具体过程

搭建虚实实验互动平台需依托 3D 建模技术、虚拟仿真引擎（ 如 Unity、UnrealEngine） 及 Web 端 开 发 技 术（HTML5、JavaScript），先完成基础平台框架搭建，包含用户登录模块、实验资源库、数据记录与分析系统、师生交互界面四大核心板块，确保不同设备（电脑、平板）可流畅访问。

1. 基础虚拟实验模块（针对认知水平较低学生）

① 按实验教材还原真实实验场景，用 3D 建模技术构建实验器材模型（如单摆实验中的铁架台、摆球、刻度尺、秒表），确保尺

寸、外观与实物一致；

② 在虚拟仿真引擎中设置分步引导逻辑，将实验拆解为“器材组装→参数测量 $$ 数据记录 $$ 结果计算”4 个环节，每个环节嵌入弹窗提示（如点击“刻度尺”时，弹窗显示“摆长测量需从悬点到摆球球心，精确到毫米”）；

③ 开发自动校验与反馈功能，当学生操作错误（如摆长测量位置偏差），系统即时弹出纠错提示；实验数据录入后，自动套用公式计算重力加速度，并与标准值对比，生成误差分析报告。

2. 进阶虚拟实验模块（针对认知水平较高学生）

① 保留基础模块的 3D 场景与数据记录功能，去除分步引导，增设变量调节面板，允许学生自主设置摆长（ 50cm-150cm ）、摆球质量（10g-50g）、摆角（5° -30°）；

② 开发实验方案设计模板，学生需先在平台填写“探究影响单摆周期的因素”实验假设（如“假设摆角大于 10^∘ 时，周期与摆角相关”）、变量控制方法（如“探究摆长影响时，保持摆球质量、摆角不变”），提交后系统审核方案合理性，给出优化建议（如“建议设置3 组不同摆长，每组测量3 次周期取平均值”）；

③ 增加数据可视化工具，实验完成后自动生成“周期 - 摆长”“周期 - 摆球质量”等关系曲线图，支持学生导出数据进行进一步分析。

（四）按照实验流程优化虚实实验资源整合方式

实验流程包括实验准备、实验操作、数据处理、实验分析等环节，按照实验流程优化虚实实验资源整合方式，能提高实验教学的效率和质量。在实验准备环节，利用虚拟实验资源为学生提供实验预习材料，如虚拟实验视频、仪器介绍动画、实验原理讲解课件等，学生通过在线学习，提前了解实验目的、步骤和相关知识，减少在传统实验中的准备时间。在实验操作环节，对于简单的实验操作，以传统实验为主，让学生亲自动手操作；对于复杂且难以在传统实验中实现的操作，如微观粒子的运动模拟，通过虚拟实验进行补充演示。

（五）根据教学反馈调整虚实实验教学实施计划

教学反馈是了解实验教学效果、发现问题的重要途径，根据教学反馈及时调整虚实实验教学实施计划，能不断优化教学过程，提升教学质量。在教学过程中，通过课堂观察、学生作业、实验报告、问卷调查、小组访谈等方式收集教学反馈信息。课堂观察中，关注学生在虚拟实验和传统实验中的参与度、操作熟练程度、思考问题的深度等；学生作业和实验报告能反映学生对实验知识的掌握程度和实验技能的运用能力；问卷调查可了解学生对虚实实验教学的满意度、学习兴趣和建议。

四、结语

高中物理虚拟实验与传统实验各有优势与不足，二者并非相互替代关系，而是互补共生的整体。在未来的教学实践中，还需不断探索和创新，根据教育教学的发展和学生的需求，进一步优化虚实实验的互补教学模式，让实验教学更好地助力学生物理核心素养的培养，为学生的未来学习和发展奠定坚实基础。

参考文献

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