物理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)助力拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)

中央電化教育館中小學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”融合人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿?cái)?shù)字技術(shù)，能突破傳統(tǒng)中學(xué)物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足、操作安全風(fēng)險(xiǎn)高、個(gè)性化指導(dǎo)滯后等限制，為學(xué)生提供沉浸式、具身化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生萌發(fā)科學(xué)思維，提升科學(xué)探究、邏輯推理、實(shí)踐應(yīng)用等能力，發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)。本文以人教版物理九年級(jí)下冊(cè)第十五章第一節(jié)《兩種電荷》教學(xué)為例，闡述如何借助央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)“吸引—探究—解釋—遷移—評(píng)價(jià)\"教學(xué)路徑，為拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)賦能。

吸引：創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，促進(jìn)科學(xué)思維萌發(fā)

科學(xué)思維是物理核心素養(yǎng)之一，其培養(yǎng)始于學(xué)習(xí)興趣與好奇心的激發(fā)。教師借助央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以構(gòu)建高度仿真的沉浸式教學(xué)情境，將抽象的物理概念和原理轉(zhuǎn)化為可視、可交互的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，通過(guò)豐富的視覺(jué)體驗(yàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與好奇心，促使學(xué)生進(jìn)入心流狀態(tài)，萌發(fā)科學(xué)思維。這與建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論所強(qiáng)調(diào)的在真實(shí)情境中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使其通過(guò)主動(dòng)體驗(yàn)與互動(dòng)實(shí)現(xiàn)知識(shí)意義建構(gòu)的觀點(diǎn)相契合。

教學(xué)中，教師利用央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)資源演示生動(dòng)、有趣的靜電“魔術(shù)”：先將塑料尺在頭發(fā)上摩擦，再用塑料尺接近紙屑，紙屑被塑料尺吸起。學(xué)生看到這種現(xiàn)象后產(chǎn)生強(qiáng)烈的好奇心和探究欲?；诖耍處熖岢鰡?wèn)題“為什么摩擦后的物體能吸引輕小物體？”，引導(dǎo)學(xué)生帶著問(wèn)題展開(kāi)探究，從物理學(xué)視角思考、探析其中的物理原理，明確客觀事物的本質(zhì)屬性等。

探究：開(kāi)展探究活動(dòng)，提升科學(xué)探究能力

科學(xué)探究能力是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，也是拔尖創(chuàng)新人才必備的關(guān)鍵能力。探究式學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的重要途徑。依托央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，教師可以構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合、分層遞進(jìn)”的探究式學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生提供“猜想一驗(yàn)證一修正\"的探究閉環(huán)。學(xué)生可以在央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中自由操控實(shí)驗(yàn)設(shè)備，收集各類數(shù)據(jù)，經(jīng)歷像科學(xué)家一樣的探究過(guò)程，逐步掌握控制變量、歸納推理等科學(xué)方法，提升科學(xué)探究能力。

實(shí)際教學(xué)中，教師鼓勵(lì)學(xué)生利用央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行多種材料的摩擦起電模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察不同材料摩擦后的帶電情況。在此過(guò)程中，學(xué)生先猜想、假設(shè)，提出“是不是所有材料摩擦后都能帶電？”“不同材料摩擦后的帶電量是否相同？\"等探究問(wèn)題，再通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想的正確性，如分別用橡膠棒與毛皮、玻璃棒與絲綢進(jìn)行摩擦起電實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄每次實(shí)驗(yàn)后物體的帶電情況，然后根據(jù)央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)對(duì)初始猜想進(jìn)行反思和調(diào)整，如實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示并非所有材料摩擦后都能帶電，不同材料摩擦后的帶電量存在顯著差異，學(xué)生就會(huì)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，嘗試更多的材料組合，或者深入研究材料的物理特性對(duì)帶電現(xiàn)象的影響。從建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的角度看，學(xué)生在探究過(guò)程中通過(guò)與虛實(shí)融合實(shí)驗(yàn)環(huán)境的互動(dòng)，主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)體系，這既有助于學(xué)生理解知識(shí)，又有助于學(xué)生增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等科學(xué)探究能力。

解釋：深入思考，增強(qiáng)邏輯推理能力

學(xué)生理解物理概念需要邏輯推理能力作支撐。教師可以在學(xué)生通過(guò)探究活動(dòng)對(duì)物理概念獲得一定感性認(rèn)識(shí)后，利用央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的微觀動(dòng)態(tài)模擬、多模態(tài)表征等功能，將抽象的物理原理轉(zhuǎn)化成可觀察、可推理的思維載體，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，將感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)知，從而理解抽象的物理概念，構(gòu)建知識(shí)體系，增強(qiáng)邏輯推理能力。

教學(xué)中，教師利用央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展示橡膠棒與毛皮接觸時(shí)，電子從橡膠棒轉(zhuǎn)移到毛皮的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。學(xué)生看到毛皮因獲得電子而帶負(fù)電，橡膠棒因失去電子而帶正電，從而直觀理解了摩擦起電的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生推理不同材料組合摩擦后的帶電情況，發(fā)散思維，如教師提出“與絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒帶什么電？”“若用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒靠近用毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒，它們之間會(huì)有什么相互作用？\"等問(wèn)題，讓學(xué)生基于之前的觀察，在分析和推理問(wèn)題答案的過(guò)程中增強(qiáng)邏輯思維能力，促進(jìn)其形成科學(xué)的世界觀和方法論。

遷移：聯(lián)系生活實(shí)際，強(qiáng)化實(shí)踐應(yīng)用能力

實(shí)踐應(yīng)用能力是拔尖創(chuàng)新人才的核心特質(zhì)。央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過(guò)“生活情境建模一虛擬方案設(shè)計(jì)一真實(shí)問(wèn)題解決”的路徑，為學(xué)生提供知識(shí)遷移的機(jī)會(huì)，助力學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，強(qiáng)化實(shí)踐應(yīng)用能力。

教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生思考生活中的靜電現(xiàn)象，如衣服在干燥天氣容易吸附灰塵、梳頭時(shí)頭發(fā)會(huì)隨著梳子飄起來(lái)等。學(xué)生運(yùn)用央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模擬這些生活場(chǎng)景，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，分析其中蘊(yùn)含的摩擦起電、電荷間的相互作用、靜電感應(yīng)等物理原理，并根據(jù)物理原理設(shè)計(jì)防正靜電危害、利用靜電的可行性方案，解決日常生活中的問(wèn)題。有的學(xué)生提出在干燥環(huán)境中增加空氣濕度以減少靜電積累，有的學(xué)生提出利用靜電吸附原理設(shè)計(jì)高效的空氣過(guò)濾裝置，等等。如此聯(lián)系生活實(shí)際學(xué)習(xí)物理，學(xué)生就能增強(qiáng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐應(yīng)用能力。

評(píng)價(jià)：實(shí)施多元評(píng)價(jià)，發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)

科學(xué)的評(píng)價(jià)體系是拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的“指揮棒”?？茖W(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需要關(guān)注學(xué)生的知識(shí)、能力、情感態(tài)度的綜合發(fā)展，而多元評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段。通過(guò)多元評(píng)價(jià)，學(xué)生可以全面了解自己的學(xué)習(xí)狀況，進(jìn)而有針對(duì)性地改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)反思能力，發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)。

教學(xué)評(píng)價(jià)中，教師一方面借助央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，更加客觀、全面地評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和成果，如基于學(xué)生通過(guò)央館虛擬實(shí)驗(yàn)操作獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一一對(duì)不同材料組合的選擇、實(shí)驗(yàn)操作的步驟、數(shù)據(jù)記錄的完整性和準(zhǔn)確性等，評(píng)估學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解程度，以及學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作技能、數(shù)據(jù)分析等能力水平。另一方面，教師通過(guò)學(xué)生在課堂討論和小組合作學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)，如在討論中提出的見(jiàn)解、對(duì)團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)、在展示中的語(yǔ)言表述邏輯和創(chuàng)新點(diǎn)等，考查他們的溝通能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和創(chuàng)新思維水平。

（作者單位：武漢市二橋中學(xué)）

（本文系2022年湖北省信息技術(shù)重點(diǎn)課題“基于央館虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的差異化教學(xué)模式構(gòu)建與應(yīng)用研究\"的成果。課題編號(hào)：2201019）

文字編輯 羅義安