初中虚拟仿真实验室

东师理想理化生虚拟实验室

建设方案

东北师范大学理想信息技术研究院

2016年9月

一、初中物理虚拟实验室方案

1. 概述

东师理想初中物理虚拟实验室软件秉承培养学生创新精神和实践能力的设计理念，以学科课程标准为依据，在演示实验、探究实验智慧教育思路与方法、最佳教学过程设计的基础上设计研发。重点解决常规实验室完成困难甚至无法完成、成本过高、危险过大的演示实验、探究实验，以及实验原理不易理解、实验现象不易观察等问题。

针对初中物理教学内容，提供演示实验、探究实验、仪器学习、问题驱动学习，通过一体化集成环境将四个部分有机集成。能够构建虚拟实验环境以及问题驱动式学习环境，为物理演示实验、探究实验和问题驱动式学习提供有效支持。能够满足教师实验教学、教师引导学生探究式学习、学生自主探究式学习等多种教学模式的需要。为教师和学生提供了一个界面友好、科学准确、内容丰富的实验操作平台。

作为常规实验室的补充和提高，本虚拟仿真实验室软件可系统了解初中物理实验室中的常用实验器材；可以对演示实验提供规范的操作规程，包括分步演示、连续演示和虚拟操作，其中分步演示可方便教师在课堂教学进行展示和讲解，连续演示帮助教师在备课时了解实验的规范操作步骤，虚拟操作为师生提供仿真的演示环境；每个探究实验为学生提供真正动手探究前的仿真实验或者学生在探究过程中的研究工具，在探究后可帮助学生再现探究过程，让探究实验过程更加生动，成为师生探究实验过程中有用的工具；每个问题驱动式学习课题有效的将问题，自主学习，重难点讲解，深度练习，拓展等几个环节通过问题驱动的方式联系在一起，提供学生自主学习过程中所需要的核心问题，支撑环境，以及适当的练习，让学生可以自主的进行探究性学习，将所学知识消化吸收，归纳总结。2. 软件总体架构

理化生虚拟仿真实验室的整体架构主要分为三层：数据层，业务层和应用层。

（1）数据层

数据层为虚拟仿真实验室提供了所需的基础资源数据，包括实验仪器的模型文件、模型纹理资源、声音资源、演示实验库、探究实验库和问题驱动学习资源库。

（2）业务层

业务层处理虚拟实验室的核心逻辑，包括三维实验场景的创建、三维仪器的显示与控制，以及实验资源调度策略，为应用层提供业务逻辑支持。

（3）应用层

应用层面向用户，以数据层和业务层为基础，为用户提供演示实验、探究实验、仪器学习和问题驱动学习等内容。

3. 软件功能设计

3.1 总体功能设计

初中物理虚拟仿真实验室主要包括一体化集成环境、演示实验、探究实验、仪器学习和问题驱动学习。

3.2 一体化集成环境

初中物理虚拟仿真实验室以三维虚拟实验室场景呈现，虚拟场景中有学生实验台、教师实验台、黑板、仪器柜等基础设施，用户可以从各个视角观察实验室环境，并集成了演示实验、探究实验、仪器学习和问题驱动学习四个模块。3.3演示实验

根据初中物理教学需求，共提供演示实验76个，其中每个演示实验包括实验介绍、实验仪器、操作演示、虚拟操作。

（1）实验介绍

提供实验的目的、原理、要求等。

（2）实验仪器

对实验中所涉及的仪器进行展示，并提供主要用途、使用方法及注意事项等等。

（3）操作演示

以动画形式演示规范的实验操作步骤，分为分步演示和连续演示。实验前通过生动形象的演示使学生迅速、准确地把握实验的内涵，减少实验操作的盲

目性。

（4）虚拟操作

以动画形式提供虚拟实验操作环境。可以按照实验原理自主操作仪器完成实验过程，每个实验步骤配有相应的操作说明。

3.4探究实验

根据初中物理教学需求，共提供探究实验39个，其中每个探究实验包括实验指导、实验仪器、实验探究、实验方案。

（1）实验指导

提供实验的重难点讲解及实验注意事项等。

（2）实验仪器

对实验中所涉及的仪器进行展示，并提供主要用途、使用方法及注意事项。

（3）实验方案

提供探究实验任务分析、探究活动设计、学习成果评价方法等。

（4）实验探究

以动画形式为使用者提供虚拟实验操作环境。使用者可以根据探究活动的需要自主操作仪器与装置，每个实验步骤提供必要的操作说明。根据探究活动的需要。配备必要的原理讲解和拓展应用模拟。

3.5仪器学习

对初中物理常用的实验仪器进行三维展示，并提供仪器的主要用途、使用方法或注意事项。

3.6问题驱动学习

根据初中物理教学需求，共提供问题驱动学习实验51个，其中每个问题驱动学习包括问题启发、自主学习、重难点讲解、深度练习、知识拓展。

（1）问题启发：围绕课程标准要求的重要知识点提出问题，对学习内容进行多层次、多角度的设问。

（2）自主学习：提供虚拟学习环境，满足不同学习形态下的学习需求，帮助学生将知识内化。

（3）重难点讲解：提供问题指导与解析功能，满足学生自主学习的需要。

（4）深度练习：提供支撑分层次应用与训练的测试工具，为学生学习成绩的提高提供保证。

（5）知识拓展：扩展、延伸知识到课外生活实际的相关素材，培养学生获取、分析、加工和利用信息的知识和能力。

二、初中化学虚拟实验室方案

1. 概述

东师理想初中化学虚拟实验室软件秉承培养学生创新精神和实践能力的设计理念，以学科课程标准为依据，在演示实验、探究实验智慧教育思路与方法、最佳教学过程设计的基础上设计研发。重点解决常规实验室完成困难甚至无法完成、成本过高、危险过大的演示实验、探究实验，以及实验原理不易理解、实验现象不易观察等问题。

1.1 初中化学虚拟实验室特点及需求分析

化学是一门以实验为基础的自然科学，以实验为基础是中学化学教学最基本的特征。义务教育阶段化学实验教学在加深学生对所学化学基础知识和基本概念的理解，促进学生获得有关化学实验的基础知识和基本技能，学习科学探究的基本方法，培养学生的科学素养，激发学生的创新潜能，发展学生科学探究能力等方面，起着化学新课程其他内容与教学形式所不可代替的特殊作用和核心价值。而在常规化学实验教学中，某些实验受器材、条件影响，无法上演示实验课、分组实验课，学生科学探究能力难以培养。

对于演示实验，在实际教学中常会受限于实验条件的有限性、实验操作的熟练性、规范性、实验现象不明显不易观察等问题；对于探究实验，主要是在探究方案的设计、探究步骤中实施探究环境和支撑条件、探究结果的讨论等方面存在困难，开发探究类虚拟软件来解决实验中可能存在的以上问题；对于实验器材，主要是缺乏对实验器材使用和注意事项系统全面的介绍，对重点实验器材缺乏立体的三维展示，对一些实验器材的内部结构缺乏了解，对一些实验器材进行部件控制和拆卸组装的体验，对分析功能相近的一些实验器材时，同时再现这些器材存在困难。

初中化学虚拟仿真实验室具有以下特点：

（一）科学性：组织学科专家、一线教师依照课程标准设计开发，并在实验学校应用测试，确保科学、有效。

（二）系统性：对教材中所有演示和探究实验、探究实验等进行体系化设计和系统开发。

（三）交互性：利用信息技术的虚拟交互特点构建演示实验环境，提供探究实验支撑环境，满足教师演示和学生探究学习需要。

（四）仿真性：对关键重点实验能按照学科原理进行建模，实现器材的仿真，并能按化学反应原理、规律自动生成动画；对实验器材进行三维建模，并能根据参数设置进行可控性仿真操作。

（五）智能性：根据使用者的设置和化学反应原理自动计算相应的变量，模拟真实情境，供学生自主探究学习, 探索化学反应现象和反应规律。

1.2 初中化学虚拟实验室总体功能说明

初中化学虚拟仿真实验室的内容完全符合新课程标准以的要求。针对初中化学教学内容，提供演示实验、探究实验、仪器学习、问题驱动学习，通过集成环