基于VR的初中物理仿真實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)與研究

鄭珂　李新暉

摘? 要 以建構(gòu)主義、具身認(rèn)知和做中學(xué)理論為指導(dǎo)，構(gòu)建基于VR的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，以101實(shí)驗(yàn)室為平臺搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于VR的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞 VR;VR+教育;初中物理;虛擬仿真實(shí)驗(yàn);仿真實(shí)驗(yàn)平臺;核心素養(yǎng);PBL教學(xué)模式;STEAM

中圖分類號：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）15-0111-04

1 引言

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)在課程中占據(jù)重要地位。隨著教育規(guī)模逐漸擴(kuò)大，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境等相關(guān)設(shè)施的維護(hù)需要持續(xù)投入人力、物力和財(cái)力。因此，以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)模式存在的不足愈加明顯。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，基于VR的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的缺點(diǎn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。本文以建構(gòu)主義、具身認(rèn)知和做中學(xué)理論為指導(dǎo)，利用基于VR的101仿真實(shí)驗(yàn)平臺作為技術(shù)支撐，從而構(gòu)建初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，探索解決傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本高、危險(xiǎn)性高、實(shí)驗(yàn)時(shí)空受限等問題，提高學(xué)生的理論知識學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作技能。

2 VR+教育的理論基礎(chǔ)

VR系統(tǒng)具有第一人稱體驗(yàn)、自然語義、具身化、自主性和沉浸感等特征，提供多個(gè)維度的沉浸、交互與認(rèn)知，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移。

建構(gòu)主義理論? 人的知識建構(gòu)主要來源于個(gè)人的實(shí)際體驗(yàn)，進(jìn)行教學(xué)則是讓學(xué)習(xí)者利用環(huán)境提供的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)工具，建立認(rèn)識和理解的過程。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)中不僅僅要對現(xiàn)成理論進(jìn)行理解與記憶，還要將已有知識和新知識建立連接，深入理解新知識所明確指向的具體問題，判斷和分析這些結(jié)論的合理性，形成自己的知識體系。情境、會(huì)話、協(xié)商和意義建構(gòu)既是建構(gòu)主義的四個(gè)要素，也是虛擬教學(xué)充分體現(xiàn)出的具體內(nèi)容。

具身認(rèn)知理論? 人類的認(rèn)知不是只有大腦來控制，而是具身的。一方面，人類身體的感受是影響自身的認(rèn)知過程的，人類的大腦在控制身體，這不是單向的系統(tǒng)，身體的感受反過來也會(huì)影響大腦的認(rèn)知;另一方面，認(rèn)知也需要環(huán)境，人們的身體與環(huán)境進(jìn)行信息交流，此時(shí)身體的各個(gè)感官同樣在發(fā)出信息并相互融合，這將導(dǎo)致人的認(rèn)知過程發(fā)生改變。所以，認(rèn)知、身體和環(huán)境實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的統(tǒng)一體，信息存在于大腦中，也存在于環(huán)境中，信息的融合可促進(jìn)學(xué)習(xí)者獲得認(rèn)知。[1]

“做中學(xué)”理論? 傳統(tǒng)教育方法注重知識教育，忽視實(shí)踐教育，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)是機(jī)械的。杜威的“做中學(xué)”理論強(qiáng)調(diào)：學(xué)生所有的學(xué)習(xí)都是行動(dòng)的副產(chǎn)品，教師可通過“做”來引導(dǎo)學(xué)生思考并獲得知識[2]。把杜威的“做中學(xué)”理論應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域的各個(gè)方面，為虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生動(dòng)手做，掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)原理和方法，進(jìn)而對學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新改造。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢與特征

拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和空間? 在物理教學(xué)過程中運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可從內(nèi)容和空間兩個(gè)方面提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效度。一方面，虛擬仿真（VR）技術(shù)可以完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中難以完成的、費(fèi)用昂貴的以及帶有危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，能夠解決一些院校物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備或儀器缺乏的問題;另一方面，傳統(tǒng)教學(xué)只是局限在一維的物理空間，而VR技術(shù)可以拓展為物理空間和虛擬空間融合的二維空間，教師無須考慮移動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以靈活組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這種虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)方式有利于學(xué)習(xí)者的探究式學(xué)習(xí)和體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。

借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)仿真情境? VR技術(shù)能夠創(chuàng)設(shè)仿真情境，讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生沉浸感，并帶來更加直觀的視覺沖擊。將VR技術(shù)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠讓學(xué)生從體驗(yàn)與探究中建立基本的概念，更加扎實(shí)地掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，深化探究，為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)[3]。學(xué)生可以從情境中發(fā)現(xiàn)和提煉問題，對問題的可能答案做出假設(shè)，然后進(jìn)行探究。對于那些能夠在課程中開展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，運(yùn)用VR技術(shù)能夠提高實(shí)驗(yàn)的趣味性。

降低試錯(cuò)成本，提升教學(xué)效率? VR技術(shù)支持下的仿真實(shí)驗(yàn)平臺在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以讓學(xué)生進(jìn)行大膽嘗試，體驗(yàn)生活中難以實(shí)現(xiàn)的情境，找到真理和錯(cuò)誤之間的差別與聯(lián)系，更好地掌握實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的積極性，而且VR技術(shù)實(shí)驗(yàn)趣味性更高，可有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量與效率。此外，學(xué)生在使用VR技術(shù)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)因?yàn)榭床坏綄?shí)驗(yàn)現(xiàn)象而注意力分散。另外，VR技術(shù)還能幫助學(xué)生及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)中遇到的難題，學(xué)生可以通過平臺上的指引和提示來獲取答案，也為教師提供了很大的便利。

4 初中物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

101實(shí)驗(yàn)室平臺介紹? 101實(shí)驗(yàn)室融合了強(qiáng)大的3D、AI技術(shù)，并以獨(dú)創(chuàng)的仿真實(shí)驗(yàn)引擎高度還原逼真的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與過程，是教師和學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工具和助手。其中包含物理、化學(xué)、生物、小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，適用于初中、高中階段，一站式滿足K12階段所有的實(shí)驗(yàn)需求。物理實(shí)驗(yàn)涵蓋電、力、光、熱、磁和聲學(xué)等實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生可自主選擇實(shí)驗(yàn)儀器完成實(shí)驗(yàn)[4]。101實(shí)驗(yàn)室主界面如圖1所示。

初中物理實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)? 本文以“探究通電螺線管外部的磁場分布”“探究并聯(lián)電路中干路電流與各支路電流的關(guān)系”兩個(gè)案例，結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的新要求進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

1）“探究通電螺線管外部的磁場分布”案例設(shè)計(jì)。

①設(shè)計(jì)目標(biāo)：提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，解決學(xué)生探究實(shí)踐能力。初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2014版）對通電螺線管外部的磁場分布相關(guān)內(nèi)容要求表述為：“通過實(shí)驗(yàn)，了解電流周圍存在磁場。探究并了解通電螺線管外部磁場的方向?！?/p>

②設(shè)計(jì)思路。通過創(chuàng)設(shè)虛擬仿真場景，讓學(xué)生初步了解電流周圍存在磁場，通過觀察，了解電流方向和通電螺線管磁極的關(guān)系，進(jìn)而通過閉合開關(guān)、改變電源的正負(fù)極探究通電螺線管外部的磁場情況，結(jié)合右手螺旋定則判斷通電螺線管磁極性質(zhì)跟電流方向的關(guān)系，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

③實(shí)驗(yàn)過程見表1。

④實(shí)驗(yàn)總結(jié)與反思。本案例采用PBL教學(xué)模式，教師首先讓學(xué)生基于提出的問題自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作;然后創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生去觀察、體驗(yàn)和思考，對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行解答，讓學(xué)生從中發(fā)現(xiàn)自己實(shí)驗(yàn)的問題所在，進(jìn)而改正;最后帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)反思，更好地理解實(shí)驗(yàn)步驟和原理。創(chuàng)設(shè)真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，可以有效地實(shí)施PBL教學(xué)模式，能有效促進(jìn)學(xué)習(xí)者構(gòu)建知識，培養(yǎng)高階思維能力[5]。與傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生對實(shí)驗(yàn)更感興趣，所呈現(xiàn)的內(nèi)容更直觀、形象，學(xué)生更容易接受和理解，重難點(diǎn)更加突出，從而讓學(xué)生對這一實(shí)驗(yàn)更加清晰明了。

2）“探究并聯(lián)電路中干路電流與各支路電流的關(guān)系”案例設(shè)計(jì)。

①設(shè)計(jì)目標(biāo)：通過“做中學(xué)”，體驗(yàn)“問題、證據(jù)、解釋和交流”的科學(xué)探究過程。

②設(shè)計(jì)思路。使用VR技術(shù)創(chuàng)設(shè)情境，事先準(zhǔn)備好相關(guān)電子元器件，電流表、電壓表、燈泡、開關(guān)、連接線等，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)線路，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和提煉問題。學(xué)生對歐姆定律有一定的了解，會(huì)連接簡單的串聯(lián)電路和并聯(lián)電路，知道串聯(lián)電路中電路的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生深入地掌握并聯(lián)電路中支路和干路電流的關(guān)系。在傳統(tǒng)的物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)連接錯(cuò)誤而導(dǎo)致電表或燈泡燒毀的情況;而在仿真實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)給學(xué)生提供了試錯(cuò)的地方，學(xué)生可以利用虛擬真實(shí)情境選擇合適的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取客觀、真實(shí)的數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)形成關(guān)于物理規(guī)律的結(jié)論。

③教學(xué)過程見表2。

④教學(xué)反思。本案例在講授新課部分采用“提出問題—進(jìn)行假設(shè)—驗(yàn)證假設(shè)—得出結(jié)論”的教學(xué)方法，以問題為索引，層層探究、得出結(jié)論。整個(gè)過程貫穿“做中學(xué)”的教育思想，體現(xiàn)新課標(biāo)中提出的“問題、證據(jù)、解釋和交流”的科學(xué)探究過程。電流是看不到、摸不著的東西，在課堂中使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，一方面可以節(jié)省學(xué)校實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，降低危險(xiǎn)事故的發(fā)生概率;另一方面可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)平臺上反復(fù)試錯(cuò)，產(chǎn)生沉浸感，給學(xué)生帶來更加直觀的視覺沖擊，以便更好地理解實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容。在物理課堂中融入VR技術(shù)符合STEAM教育理念，運(yùn)用跨學(xué)科的知識和方法解決實(shí)際問題，學(xué)生通過做中學(xué)，提升科學(xué)精神和創(chuàng)新實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展[6]。

5 總結(jié)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”、AR與VR等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可脫離以往中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)效果差、實(shí)驗(yàn)條件不足的困境，通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建，提高中學(xué)生物理自主實(shí)驗(yàn)意識及能力[7]。初中物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的主要內(nèi)容之一，在中考中占據(jù)重要地位。本文主要是以101虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)平臺，選取初中物理實(shí)驗(yàn)中的電學(xué)和磁學(xué)實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)案例，進(jìn)而進(jìn)行分析與研究，為將101實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用到今后的中學(xué)物理教學(xué)中進(jìn)行探索，提高學(xué)生的學(xué)業(yè)成績，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和學(xué)習(xí)興趣。由于筆者理論水平和教學(xué)設(shè)計(jì)水平有限，還有很多問題值得進(jìn)一步探討，希望能在今后的學(xué)習(xí)中不斷提升。

參考文獻(xiàn)

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作者：鄭珂，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院人文與教育學(xué)院;李新暉，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院人文與教育學(xué)院，副教授，碩士生導(dǎo)師（528000）。