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。 实验仪器模型文件纹理资源声音资源演示实验库探究实验库问题驱动学习资源库数据层——资源数据业务层——核心逻辑三维实验场景创建资源调度策略三维仪器显示与控制应用层——用户界面演示实验仪器学习探究实验问题驱动学习
（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。
初中物理虚拟仿真实验室演示实验探究实验仪器学习问题驱动学习一体化集成环境
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。
演示实验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。
演示实验列表
类型 序号 实验名称 软件名称 功能
演示实验 1. 纸盆振动 跳舞的小人 通过喇叭振动使小人跳舞
2. 观察乐音的波形 观察声音的波形 模拟演示音叉和男、女同学声音的波形
3. 观察噪声的波形 观察噪声的波形 模拟演示噪声的波形
4. 声波能传递能量吗 声波能传递能量 模拟演示声波能传递能量
5. 音调和频率的关系 音调和频率的关系 模拟用手拨直尺的不同位置，发生情况的变化
6. 观察声音的波形 观察波形 模拟用示波器观察音叉产生的声音的波形
7. 浇水沸腾 浇水沸腾 模拟停止沸腾的水在烧瓶底部浇水后再次沸腾的过程。
8. 光是怎样传播的 光的直线传播 通过激光引导掘进机模拟演示光的直线传播
9. 光的折射 光的折射 模拟演示光线射入水中的情况
10. 光导纤维 光导纤维 模拟光沿着从瓶子里流出的水传播的过程
11. 光色散现象 光的色散 模拟演示白光射到三棱镜后的分解情况
12. 透镜对光线的作用 透镜对光线的作用 模拟演示凸透镜、凹透镜对光线的作用
13. 焦点和焦距 焦点和焦距 模拟演示凸透镜的焦点和焦距
14. 观察投影仪成像 投影仪 模拟演示投影仪成像情况
15. 幻灯机 幻灯机 模拟演示幻灯机工作过程
16. 实像和虚像 实像和虚像 模拟演示凸透镜成实像和虚像
17. 放大镜的作用 放大镜 模拟演示放大镜的作用
18. 温度计 自制温度计 模拟演示温度计的使用
19. 电荷间的相互作用 电荷间作用规律 通过带电玻璃棒和橡胶棒的相互作用来模拟演示电荷间的相互作用 20. 电荷的定向移动 电荷的定向移动 模拟电荷的定向移动过程
21. 电流表的使用 电流表 模拟演示电流表的连接和读数
22. 电压表的使用 电压表 模拟演示电压表的连接和读数
23. 串联电路 串联电路 模拟串联电路，探究串联电路的特点
24. 并联电路 并联电路 模拟并联电路，探究并联电路的特点
25. 电阻 电阻 模拟影响导体电阻大小的各种因素
26. 决定电阻大小的因素 决定电阻大小的因素 利用实验探究决定电阻大小的因素
27. 电阻的串联 电阻的串联 模拟电阻的串联，探究串联后电阻的变化
28. 电阻的并联 电阻的并联 模拟电阻的并联，探究并联后电阻的变化
29. 测量小灯泡的电阻 测量小灯泡的电阻 模拟实验过程，利用欧姆定律测量小灯泡的电阻
30. 额定电压和额定功率 额定电压和额定功率 模拟演示不同额定电压和额定功率灯泡接入电路电表变化情况
31. 电功率 电功率 模拟电表的工作过程，了解电功率的概念
32. 电流的热效应 电流的热效应 模拟电流的发热过程，探究电流的热效应
33. 额定功率 额定功率 模拟小灯泡发光的实验环境，探究额定功率的原理
34. 测量小灯光的电功率 测量小灯光的电功率 提供模拟测量小灯光的电功率环境，进行自主探究
35. 电流的热效应 电流的热效应 模拟演示不通电阻加热煤油时温度的变化
36. 保险丝的作用 保险丝的作用 模拟演示保险丝的作用
37. 磁场的方向 磁场的方向 模拟演示、判断磁场的方向
38. 磁极间的相互作用 磁极间的相互作用 模拟演示磁极间的相互作用
39. 磁化 磁化 模拟金属的磁化过程
40. 电流的磁效应 电流的磁效应 模拟演示电流的磁效应
41. 通电螺线管的磁场分布 通电螺线管的磁场 模拟演示通电螺线管的磁场分布
42. 安培定则 安培定则 模拟演示螺线管磁场方向
43. 电磁继电器 电磁继电器 模拟演示电磁继电器构造、原理 44. 磁场对通电导体的作用 磁场对通电导线的作用 通过蹄形磁铁、轨道、铁棒等模拟演示磁场对通电导体的作用
45. 电动机原理 电动机原理 模拟演示电动机的构造和原理
46. 发电机 发电机 模拟演示发动机的构造和原理
47. 让线圈转起来 让线圈转起来 模拟通电线圈在磁场中的运动过程
48. 电磁波的产生 电磁波的产生 通过收音机接收电池短路电磁波脉冲模拟演示电磁波的产生
49. 电磁波的传播 电磁波的传播 通过把无线电话的等设备放在真空罩中能否接到信号来演示电磁波传播不需要介质
50. 天平的使用 天平的使用 模拟演示天平的使用
51. 用天平称固体和液体的质量 用天平称固体和液体的质量 模拟演示用天平称固体和液体的质量
52. 量筒的使用 量筒的使用 模拟演示量筒的使用
53. 时间的测量 时间的测量 模拟演示用停表测时间
54. 力的作用效果 力的作用效果 通过磁铁、运动的铁球来模拟演示力的作用效果
55. 物体间力的作用是相互的 物体间力的作用是相互的 通过两个小船相互分开来模拟演示物体间力的作用是相互的
56. 惯性实验 惯性实验 通过弹簧片、小球、支架来模拟演示惯性
57. 液体压强的特点 液体压强的特点 通过水槽、压强计和食盐等模拟演示液体压强的特点
58. 连通器原理 连通器原理 模拟演示连通器原理
59. 马德堡半球模型实验 马德堡半球实验 模拟演示马德堡半球实验
60. 杯子吸气球 杯子吸气球 模拟杯子吸气球的现象，观察大气压强的效果
61. 大气压的测量 托里拆利实验 通过水银、玻璃管等模拟托里拆利实验
62. 活塞式抽水机 活塞式抽水机 模拟活塞式抽水机工作过程
63. 金属盒气压计 金属盒气压计 模拟金属盒气压计构造
64. 硬币“跳高”比赛 硬币"跳高"比赛" 模拟口吹硬币跳栏杆实验
65. 鸡蛋的沉浮 鸡蛋的沉浮 模拟鸡蛋在盐水的沉浮过程，了解浮力的大小和什么因素有关
66. 塑料块的沉浮 塑料块的沉浮 模拟不同质量的塑料块在液体中的沉浮以及受力情况