1、東師理想物理、化學(xué)、生物虛擬實驗室建設(shè)方案西南師范大學(xué)理想信息技術(shù)研究院2016年9月小學(xué)數(shù)學(xué)虛擬實驗室計劃。 概述東師理想高中數(shù)學(xué)虛擬實驗室軟件秉承培養(yǎng)中學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的設(shè)計理念。 以學(xué)科課程標準為基礎(chǔ)，在示范實驗、探索實驗智慧教育理念和方法、優(yōu)化教學(xué)流程設(shè)計的基礎(chǔ)上進行設(shè)計開發(fā)。 重點解決常規(guī)實驗室難以甚至無法完成的演示實驗、探索性實驗、成本高、危險性太大等問題物理虛擬實驗室是學(xué)科教學(xué)軟件嗎，以及實驗原理難以理解、實驗現(xiàn)象難以觀察等問題。 針對高中數(shù)學(xué)教學(xué)內(nèi)容，提供演示實驗、探究實驗、儀器學(xué)習(xí)、問題驅(qū)動學(xué)習(xí)，并通過集成集成環(huán)境將四部分有機地結(jié)合起來。只有這樣，才能建立虛擬實驗環(huán)境和問題驅(qū)動學(xué)習(xí)環(huán)境，可用于化學(xué)演示實驗、探究實驗和問題驅(qū)動學(xué)習(xí)。
2、習(xí)近平提供有力支持。 以滿足班主任實驗教學(xué)、中學(xué)生教師引導(dǎo)探究學(xué)習(xí)、學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)等多種教學(xué)模式的需要。 為班主任和中學(xué)生提供一個界面友好、科學(xué)準確、內(nèi)容豐富的實驗操作平臺。該虛擬仿真實驗室軟件作為常規(guī)實驗室的補充和完善，可以系統(tǒng)地了解中學(xué)數(shù)學(xué)實驗室常見的實驗設(shè)備； 可為演示實驗提供標準化操作流程，包括分步演示、連續(xù)演示和虛擬操作。 分步演示可以方便班主任在課堂教學(xué)中進行演示和講解，連續(xù)演示可以幫助班主任在備課時了解實驗的標準操作步驟。 重現(xiàn)中學(xué)生探究的過程，讓探究實驗的過程更加豐富
3、形象生動，成為教師和學(xué)生探究性實驗過程中的有用工具； 每個問題驅(qū)動的學(xué)習(xí)主題通過問題驅(qū)動的形式將問題、自主學(xué)習(xí)、重難點講解、深入練習(xí)、拓展等有效連接起來，為中學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程中提供核心問題、支撐環(huán)境和適當?shù)木毩?xí)，使中學(xué)生能夠自主地進行探索性學(xué)習(xí)，消化吸收所學(xué)知識并進行總結(jié)。 軟件總體架構(gòu) 理化生物虛擬仿真實驗室總體架構(gòu)主要分為三層：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層。 實驗儀器學(xué)習(xí)問題驅(qū)動學(xué)習(xí)探索 應(yīng)用層——用戶界面 實驗儀器學(xué)習(xí)問題驅(qū)動學(xué)習(xí)探索（一）數(shù)據(jù)層（一）數(shù)據(jù)層 業(yè)務(wù)層——一核邏輯 3D儀器顯示與控制的3D實驗場景創(chuàng)建 資源調(diào)度策略演示 實驗數(shù)據(jù)層提供虛擬仿真實驗室所需的基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)，包括
4、實驗儀器模型文件、模型紋理資源、聲音資源、演示實驗庫、探究實驗庫、問題驅(qū)動學(xué)習(xí)資源庫。 (2)業(yè)務(wù)層業(yè)務(wù)層處理虛擬實驗室的核心邏輯，包括3D實驗場景的創(chuàng)建、3D儀器的顯示與控制、實驗資源的調(diào)度策略，為應(yīng)用層提供業(yè)務(wù)邏輯支持。 （3）應(yīng)用層 應(yīng)用層面向用戶，以數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層為基礎(chǔ)，為用戶提供演示實驗、探究實驗、儀器學(xué)習(xí)、問題驅(qū)動學(xué)習(xí)等。 軟件功能設(shè)計 總體功能設(shè)計 中學(xué)數(shù)學(xué)虛擬仿真實驗室主要包括集成集成環(huán)境、演示實驗、探究性實驗、儀器學(xué)習(xí)和問題驅(qū)動學(xué)習(xí)。 中學(xué)數(shù)學(xué)虛擬仿真實驗室集成環(huán)境 中學(xué)數(shù)學(xué)虛擬仿真實驗室以三維虛擬實驗室場景呈現(xiàn)。 虛擬場景中有中學(xué)生實驗臺、教師實驗臺、黑板、儀器柜等。
5.基礎(chǔ)設(shè)施，用戶可以多角度觀察實驗室環(huán)境，集成了演示實驗、探究實驗、儀器學(xué)習(xí)和問題驅(qū)動學(xué)習(xí)四大模塊。 示范實驗根據(jù)中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)需要，共提供76個示范實驗，每個實驗包括實驗介紹、實驗設(shè)備、操作演示、虛擬操作等。 演示實驗 (1)實驗簡介 提供實驗的目的、原理、要求等。 （2）實驗儀器 展示實驗所涉及的儀器，并提供主要用途、使用方法及注意事項等。 （3）操作演示 以動畫方式演示標準實驗操作步驟，分為逐步演示和連續(xù)演示。 通過實驗前生動的演示，中學(xué)生可以快速、準確地掌握實驗的內(nèi)涵，減少實驗操作的盲目性。 (4)虛擬操作以動畫的形式提供虛擬的實驗操作環(huán)境?？梢愿鶕?jù)實驗原理獨立操作儀器完成實驗過程
6、每個實驗步驟均配有相應(yīng)的操作說明。 演示實驗清單類型序號實驗名稱軟件名稱功能演示實驗1.紙盆振動唱歌小人通過揚聲器振動使小人唱歌2.觀察音樂的波形，觀察聲音的波形。 模擬音叉的演示以及男女生聲音的波形。 3. 觀察噪聲波形。 觀察噪聲的波形。 模擬噪聲波形的演示。 觀察波形圖，用示波器模擬音叉形成的聲音波形。 7. 施肥煮沸 施肥煮沸 模擬燒杯頂部施肥后停止煮水，再次煮沸的過程。 8. 光如何傳播 光通過激光引導(dǎo)采煤機的線性傳播模擬演示了光
7. 光的直線傳播 9. 光的折射 光進入水底的折射模擬 10. 光纖 光纖模擬光沿著杯子流出的水傳播的過程 11. 光色散現(xiàn)象 光色散模擬演示白光撞擊棱鏡后的分解 12. 鏡頭對光的影響 成像投影儀模擬演示投影儀成像情況 15. 幻燈機幻燈機模擬演示幻燈機工作過程 16. 虛像與實像虛像與實像實像模擬演示凸透鏡變成虛像和實像 17.放大鏡的作用 放大鏡模擬演示放大鏡功能 18.溫度計自制溫度計模擬演示濕度計的使用 19.通過帶電玻璃棒和橡膠棒實現(xiàn)電荷之間的相互作用
8.電荷之間的相互作用用于模擬和演示電荷之間的相互作用。 20.收費的定向銜接。 電荷的定向運動模擬了電荷的定向連接過程。 21.電壓表的使用。 造成內(nèi)阻的各種原因 26、決定內(nèi)阻大小的因素 決定內(nèi)阻大小的因素 用實驗來探究決定內(nèi)阻大小的因素
9.電阻值模擬實驗流程物理虛擬實驗室是學(xué)科教學(xué)軟件嗎，借助歐姆定理檢測小燈泡內(nèi)阻 30.額定電流和額定功率 額定電流和額定功率模擬演示不同額定電流和額定功率的燈泡連接到電路水表的變化 31.電力 電力模擬水表的工作過程，了解電力的概念 32.電壓的熱效應(yīng) 模擬電壓的加熱過程，探究電壓的熱效應(yīng) 33.額定功率和額定功率模擬小燈泡發(fā)光實驗環(huán)境，探究額定功率原理 34. 檢測小燈電功率，檢測小燈 35. 電壓熱效應(yīng) 電壓熱效應(yīng)仿真演示 無內(nèi)阻加熱煤油時的溫度變化 36. 保險絲功能 保險絲功能仿真演示 37. 磁場方向 磁場方向仿真演示與判斷
10.破碎磁場的方向 38.磁體之間的相互作用 模擬演示磁體之間的相互作用 磁體之間的相互作用 39.磁化和磁化模擬金屬的磁化過程 44.磁場對載流導(dǎo)體的影響。 通過蹄磁鐵、軌道、鐵棒等模擬磁場對濁度線的影響，演示磁場對濁度體的影響。 45.電動機的原理。
11. 8. 電磁波的產(chǎn)生 通過無線電接收電池漏電電磁波脈沖來模擬電磁波的形成。 量杯的使用是為了模擬量杯的使用。 53.時間的檢測。 時間的檢測。 模擬演示使用秒表來測量時間。 54. 力的作用。
12.相互 56.慣性實驗 慣性實驗通過彈簧、小球、支架來模擬演示慣性 57.液體浮力的特性 液體浮力的特性 8.通過罐、壓力表、精制鹽來模擬演示液體浮力的特性。 力的療效 61. 大氣壓托里拆利實驗 水銀、玻璃管等模擬托里拆利實驗 62. 活塞式水泵 活塞式水泵模擬活塞式水泵的工作過程 63. 金屬盒氣壓計 金屬盒氣壓計模擬金屬盒氣壓計結(jié)構(gòu) 64. 硬幣“跳高”比賽投幣比賽模擬嘴吹硬幣跳柵欄實驗 65. Po 漂浮rk 豬肉浮子 模擬豬肉
13、在鹽水中浮沉的過程中，了解壓力的大小以及與什么原因有關(guān)。 66、塑料塊的浮沉。通過改變金屬箔的形狀來模擬金屬箔的上下浮動。 68、工作原理通過杠桿和滑輪演示工作原理。 力 73. 做功會改變物體的內(nèi)能。 做功會改變物體的內(nèi)能。
14、火中之火、空氣撞擊氣缸、玻璃瓶模擬演示改變物體內(nèi)能。 74.熱力機和熱力機通過試管、水、酒精燈轉(zhuǎn)化為機械能75.斷裂裂變模擬核裂變的過程76.內(nèi)燃機四種內(nèi)燃機的四沖模擬。 尋求探究性實驗共39個，其中每個探究性實驗包括實驗指導(dǎo)、實驗儀器、實驗探究、實驗方案。 （1）實驗指導(dǎo)，對實驗的重點、難點以及實驗的注意事項進行說明。 （2）實驗儀器 展示實驗所涉及的儀器，并說明其主要用途、使用方法及注意事項。 (3)實驗計劃提供了探究實驗的任務(wù)分析、探究活動的設(shè)計、學(xué)習(xí)成果的評價方法。 (4)實驗探索以動畫的形式為用戶提供一個虛擬的實驗操作環(huán)境。用戶可以依賴
15、勘探活動需要獨立操作儀器設(shè)備，并為每個實驗步驟提供必要的操作說明。 根據(jù)研究活動的需要。 配備必要的原理講解和擴展應(yīng)用模擬。 探索實驗清單類型 序號 實驗名稱 軟件名稱 功能 探索實驗 1. 探索聲音是如何形成的 通過擊鼓、蟬鳴等模擬探索聲音的形成 探索聲音的產(chǎn)生條件 2. 聲音如何從發(fā)聲物體傳播到遠處 聲音傳播模擬 探索聲音傳播的條件，證明真空不能傳播聲音 模擬探索反射定理 5. 平面鏡成像專題 8. 探索平面鏡成像的特性任意調(diào)節(jié)物體與平面鏡的距離，觀察
16、通過觀察圖像探究平面鏡的成像特性。 6、色光與染料的混合。 調(diào)整色光和染料的比例，看看混合后的結(jié)果。 7、凸透鏡的成像規(guī)律。 通過調(diào)節(jié)物體到透鏡的距離來模擬探索凸透鏡的成像規(guī)律。 8、固體熔化時溫度的變化規(guī)律。 溫度的變化 9. 水的沸騰 探索水沸騰時溫度變化的特點 用酒精燈加熱燒瓶中的水，觀察水的沸騰情況，記錄沸騰時的溫度變化 10. 串聯(lián)電路中電流的規(guī)律 改變串聯(lián)電路中電流的規(guī)律 改變串聯(lián)電路中電壓表的位置，模擬探索串聯(lián)電路中電流的規(guī)律
17.并聯(lián)電路中的流動規(guī)律 改變并聯(lián)電路中電壓表的位置，模擬探索并聯(lián)電路中電流的規(guī)律 12.探索串聯(lián)電路中電流的規(guī)律，探索串聯(lián)電路中電流的規(guī)律 改變串聯(lián)電路中電流表的位置，模擬探索串聯(lián)電路中電壓的規(guī)律 13.探索并聯(lián)電路中電流的關(guān)系 15.探索內(nèi)阻上的電壓與兩端電壓的關(guān)系 探索關(guān)系內(nèi)阻上的電壓與兩端電流之間的關(guān)系通過組裝電路，調(diào)整內(nèi)阻和電流，獨立探索內(nèi)阻上的電壓與兩端電流的關(guān)系1
18.6。 探索同一物體的質(zhì)量和體積之間的關(guān)系。 使用不同周長的圓形鋁塊、天平、尺子等來模擬和探索同一物體的質(zhì)量與體積的關(guān)系。 17、檢測鹽水和不規(guī)則形狀塑料塊的密度。 密度檢測 使用天平、量筒、燒杯等檢測鹽水和不規(guī)則形狀塑料塊的密度。 標記這條線并練習(xí)用刻度尺測量寬度。 19.阻力對物體運動的影響。 阻力對物體運動的影響。 模擬探索卡車在浴巾、棉布、光滑木板上等速行駛的距離。
19、彈簧秤、木塊、不同粗糙度的木板來模擬并探究摩擦力產(chǎn)生的原因。 22、杠桿的平衡條件。 通過對杠桿和吊鉤代碼的模擬，探索杠桿的平衡條件。 .流體浮力與流速的關(guān)系通過兩張紙之間不同流速的空氣來模擬流體浮力與流速的關(guān)系，探討流體浮力與流速的關(guān)系。 26.壓力的大小。
20. 斜坡、彈簧秤和木塊模擬環(huán)境，探索斜面的機械效率。 28.動能以及與其相關(guān)的因素。 使用質(zhì)量和速度可調(diào)的球和木塊來模擬和探索動能。 能夠通過水、食用油和酒精燈等模擬來比較不同物質(zhì)吸收熱量的能力。 31. 使用普通溫度計測量氣溫。 32. 檢測物體運動的速度 檢測物體運動的速度 使用尺子和秒表來估計物體的運動
21. 速度。 33、檢測固體密度 檢測固體密度三維模擬實驗，通過天平、量筒、燒杯、細線等儀器，練習(xí)檢測各種不規(guī)則固體的密度。 34、探究凸透鏡的成像規(guī)律。 探究凸透鏡的成像規(guī)律。 三維模擬實驗。 通過改變物距、像距和凸透鏡的焦距，觀察在光屏上形成的圖像的變化。 35、彈簧測力計的制造和使用 彈簧測力計的制造和使用 用彈簧檢測鉤碼的重量，觀察彈簧的伸長量與其所受力的關(guān)系。 進行實驗以了解彈簧測力計的工作原理。 36、兩力平衡條件 通過操作鉤碼探索兩力平衡條件，了解物體在什么條件下保持靜止或勻速直線運動。 37.檢測小燈泡電功率 通過改變滑塊檢測小燈泡電功率
22、用變阻器觀察小燈泡照度的變化，根據(jù)公式檢測小燈泡的電功率。 38、探究導(dǎo)體在磁場中運動時產(chǎn)生感應(yīng)電壓的條件探究導(dǎo)體在磁場中運動時形成感應(yīng)電流的條件。 通過模擬導(dǎo)體在磁場中切割磁感線的運動，探討感應(yīng)電壓形成的條件。 39. 研究通電螺線管外部磁場的方向 探索帶小 n 極的通電螺線管外部磁場的方向。 儀器學(xué)習(xí)展示小學(xué)數(shù)學(xué)常用實驗儀器的三維展示，并提供儀器的主要用途、使用方法或注意事項。 樂器學(xué)習(xí)的主要目的以及主要目的和使用方法的注意事項。 問題驅(qū)動學(xué)習(xí)根據(jù)中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)需要，共提供51個問題驅(qū)動學(xué)習(xí)實驗，每個問題驅(qū)動學(xué)習(xí)包括問題啟發(fā)、自主學(xué)習(xí)、重難點講解、
23、深入實踐，拓展知識。 探究實驗（1）問題啟發(fā)：圍繞課程標準要求的重要知識點提出問題，對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行多層次、多角度的聯(lián)覺。 （2）自主學(xué)習(xí)：提供虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，滿足不同學(xué)習(xí)形式的學(xué)習(xí)需求，幫助中學(xué)生內(nèi)化知識。 （3）重難點講解：提供問題引導(dǎo)和分析功能，滿足中學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求。 （4）深入實踐：提供支持分層應(yīng)用和訓(xùn)練的測試工具，為中學(xué)生學(xué)業(yè)成績的提升提供保障。 （5）知識拓展：將知識拓展和延伸到課外生活的相關(guān)材料中，培養(yǎng)中學(xué)生獲取、分析、處理和使用信息的知識和能力。 2． 初中物理虛擬實驗室計劃。 概述東石理想中學(xué)物理虛擬實驗室軟件秉承培養(yǎng)中學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的設(shè)計理念，以學(xué)科課程標準為基礎(chǔ)，在演示實驗中
24、在探索實驗智慧教育理念和技巧的基礎(chǔ)上進行設(shè)計和開發(fā)，設(shè)計最佳教學(xué)過程。 重點解決常規(guī)實驗室演示實驗、探索性實驗難以甚至難以完成、成本高、危險性過大等問題，以及實驗原理難以理解、實驗現(xiàn)象難以觀察等問題。 中學(xué)物理的特點及需求分析虛擬實驗室物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，是學(xué)校物理教學(xué)最基本的特點。 義務(wù)教育階段的物理實驗教學(xué)對于深化物理基礎(chǔ)知識和基本概念的理解，提升物理實驗的基礎(chǔ)知識和基本技能，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的基本方法，培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，迸發(fā)中學(xué)生的創(chuàng)新潛力，培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)探究能力，發(fā)揮著新物理課程其他內(nèi)容和教學(xué)方法無法替代的特殊作用和核心價值。
25、教學(xué)中，個別實驗受設(shè)備和條件的影響，無法開設(shè)演示實驗課和小組實驗課，無法培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)探究能力。對于演示實驗，實際教學(xué)往往受到實驗條件的限制、實驗操作的熟練程度和規(guī)范性、實驗現(xiàn)象不顯眼、難以觀察等限制。 對于探究性實驗來說，存在著探究方案的設(shè)計、探究步驟中探究環(huán)境和支持條件的實現(xiàn)以及探究結(jié)果的討論等難點。 探究虛擬軟件的開發(fā)可以解決實驗中可能存在的上述問題； 對于實驗設(shè)備，主要是缺乏對實驗設(shè)備的使用和注意事項的全面介紹。 了解，一些實驗設(shè)備的組件控制和拆裝經(jīng)驗，在分析一些具有類似功能的實驗設(shè)備時，很難同時重現(xiàn)這種設(shè)備
26、中學(xué)物理虛擬仿真實驗室具有以下特點： （一）科學(xué)性：組織學(xué)科專家和一線班主任按照課程標準設(shè)計開發(fā)，并在實驗校園內(nèi)應(yīng)用測試，確?？茖W(xué)有效。 （2）系統(tǒng)性：教材中所有演示、探究實驗、探究實驗的系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)。 （3）交互性：借助信息技術(shù)的虛擬交互特性，建立演示實驗環(huán)境，為探究性實驗提供支撐環(huán)境，滿足班主任演示和中學(xué)生探究性學(xué)習(xí)的需要。 （4）仿真：可根據(jù)學(xué)科原理對關(guān)鍵實驗進行建模，實現(xiàn)設(shè)備的仿真，并可根據(jù)物理反應(yīng)的原理和規(guī)則手動生成動畫； 根據(jù)參數(shù)設(shè)置即可對實驗設(shè)備進行三維建模。 可控的模擬操作。 （5）智能：根據(jù)用戶的設(shè)置和身體反應(yīng)的原理，手動估計相應(yīng)的變量，模擬真實情境，供中學(xué)生自主探索和學(xué)習(xí)，探索身體反應(yīng)的現(xiàn)象和規(guī)律。 中學(xué)物理虛擬實驗室的整體功能表明，初中化學(xué)虛擬仿真實驗室的內(nèi)容完全滿足新課程標準的要求。對于小學(xué)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容，提供演示實驗、探究實驗、儀器學(xué)習(xí)、問題驅(qū)動學(xué)習(xí)等。
