基于體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的初中電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建*

王玉龍，李宗培，蔣家傅

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528000；2.佛山市禪城區(qū)教育局，廣東佛山528000）

一、引言

自2001年國家實(shí)施新課改以來，就已明確提出推進(jìn)素質(zhì)教育、變革課程功能、改善學(xué)生學(xué)習(xí)方式等目標(biāo)，提出了與傳統(tǒng)教育迥然不同的課程觀、知識觀、學(xué)生觀和發(fā)展觀，從以往的只關(guān)注知識與技能的傳授，轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在的兼顧知識與技能的傳授過程，關(guān)注受教育者在學(xué)習(xí)過程中的情感體驗(yàn)，注重方式、方法的訓(xùn)練及動手能力、創(chuàng)造能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，并將積極健康的情感態(tài)度價(jià)值觀的形成明確納入教育目標(biāo)體系。新《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》也明確提出由傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)方式，向科學(xué)探究學(xué)習(xí)方式多樣化轉(zhuǎn)變；由高深莫測、生澀枯燥、晦澀難懂的講授，向從學(xué)生知識的發(fā)生點(diǎn)出發(fā)，緊密聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生“看得見，摸得著”的近距離接觸知識轉(zhuǎn)變。從生活走向物理，從物理走向社會，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

相對于物理學(xué)科的其他知識，電學(xué)的實(shí)踐性、應(yīng)用性、探究性都更強(qiáng)，也更加要求電學(xué)的學(xué)習(xí)要向“看得見，摸得著”的方向轉(zhuǎn)變。虛擬實(shí)驗(yàn)作為實(shí)現(xiàn)此種轉(zhuǎn)變的重要方式，近年來逐漸得以應(yīng)用。為優(yōu)化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，緩解當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所存在的突出問題，筆者聯(lián)合廣大一線教師，已開展了近一年的研究工作。本研究得到全國教育信息技術(shù)“十二五”規(guī)劃專項(xiàng)課題及佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院校級科研基金支持，目前取得了部分階段性成果。

二、當(dāng)前初中物理電學(xué)教學(xué)存在的突出問題

研究團(tuán)隊(duì)深入教學(xué)一線進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前電學(xué)教學(xué)問題突出，主要體現(xiàn)在：電學(xué)教學(xué)方式概念化、填鴨式，部分學(xué)生對復(fù)雜電路甚至電學(xué)基本原理的理解還存在較大困難；電學(xué)知識和生活實(shí)際相脫離，學(xué)習(xí)興趣難以激發(fā)，電學(xué)知識學(xué)習(xí)變得高深莫測、生澀枯燥；由于設(shè)備、課時(shí)的限制及出于安全性的考慮，學(xué)生在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中動手機(jī)會少，常處于“看實(shí)驗(yàn)”和“聽實(shí)驗(yàn)”的狀態(tài)。

為緩解上述問題，筆者對體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的核心理念及動漫的教育功能進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為動漫具有強(qiáng)化學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)學(xué)習(xí)認(rèn)知、優(yōu)化主體體驗(yàn)等教育功能，可以以動漫形式，應(yīng)用基于AS3.0的互動編程技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)一套基于生活應(yīng)用情景、蘊(yùn)含體驗(yàn)式學(xué)習(xí)理念的電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為電學(xué)學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)虛擬的體驗(yàn)環(huán)境，還原知識產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用的真實(shí)情境，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，優(yōu)化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

三、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵和心理機(jī)制

1.體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

體驗(yàn)式學(xué)習(xí)是體驗(yàn)主體在行為（感官）與心理（心智）層面與外部世界進(jìn)行深度交往，并逐步順應(yīng)外部世界、修正個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的過程，是體驗(yàn)主體在一個(gè)真實(shí)或模擬的情境中，將體驗(yàn)主體的個(gè)體經(jīng)驗(yàn)與外部情境建立聯(lián)接，并通過認(rèn)知、體驗(yàn)、反思和頓悟等思維活動，獲得新知識、新技能，形成新的態(tài)度和價(jià)值觀的實(shí)踐過程。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)將體驗(yàn)主體的認(rèn)知、行為、情感三個(gè)方面進(jìn)行了有效整合，從根本上激活了體驗(yàn)主體的已有經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知主動性，從而形成了一種高效的學(xué)習(xí)方式。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的核心要義在于情境性、親歷性、互動性、反思性和頓悟性。

2.體驗(yàn)生成的心理機(jī)制及過程

體驗(yàn)既是一個(gè)主客體的順應(yīng)過程，也是創(chuàng)新過程。從體驗(yàn)生成的心理機(jī)制來看，體驗(yàn)是主體基于自身的經(jīng)驗(yàn)并通過行為和情感的主動參與，對外部事物進(jìn)行感受，并通過認(rèn)知和反思等思維活動，產(chǎn)生理解的過程，體驗(yàn)的結(jié)果是對事物產(chǎn)生情感且生成領(lǐng)悟或意義，并由此促使人的心理獲得調(diào)整、豐富和發(fā)展。體驗(yàn)的生成過程可以概括為如下幾個(gè)階段：首先是體驗(yàn)的啟動階段，也可稱之為體驗(yàn)激發(fā)階段。此階段是創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)情境，并將體驗(yàn)主體的經(jīng)驗(yàn)與體驗(yàn)情境建立關(guān)聯(lián)；之后是體驗(yàn)主體經(jīng)過親歷探究，實(shí)踐感受，進(jìn)入自主體驗(yàn)階段；在自主體驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過個(gè)體反思、同化或順應(yīng)生成領(lǐng)悟和意義，這是體驗(yàn)的內(nèi)化階段；領(lǐng)悟和意義的生成會使體驗(yàn)主體對客體產(chǎn)生更深刻更豐富的內(nèi)心體驗(yàn)，并借助于分享和評價(jià)反饋得到加強(qiáng)，這就進(jìn)入了體驗(yàn)的強(qiáng)化階段。所以，體驗(yàn)學(xué)習(xí)就其心理層面來說是激發(fā)——體驗(yàn)——頓悟——強(qiáng)化這么一個(gè)心理過程。

四、基于體驗(yàn)式學(xué)習(xí)理念的電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于以上分析，我們認(rèn)為學(xué)生使用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的過程實(shí)質(zhì)上就是一種體驗(yàn)式學(xué)習(xí)過程。基于體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的核心理念開展虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將會有效提高系統(tǒng)的科學(xué)性、規(guī)范性、有效性。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮體驗(yàn)產(chǎn)生的心理機(jī)制和發(fā)生過程，為學(xué)生開展體驗(yàn)式學(xué)習(xí)提供有效支持。

根據(jù)體驗(yàn)產(chǎn)生的心理機(jī)制及發(fā)生過程，我們將中學(xué)電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為情境案例系統(tǒng)、互動體驗(yàn)系統(tǒng)和智能測評系統(tǒng)三個(gè)功能模塊，見圖1。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，學(xué)生可隨時(shí)隨地登錄系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)互動編程基于AS3.0，數(shù)據(jù)庫基于PHP+MySql架構(gòu)。電學(xué)元件、情景案例均存儲于后臺數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)擴(kuò)充。同時(shí)用戶數(shù)據(jù)及學(xué)習(xí)過程均可被實(shí)時(shí)記錄。

圖1 體驗(yàn)式電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能架構(gòu)

1.情景案例系統(tǒng)設(shè)計(jì)

情景案例系統(tǒng)對應(yīng)于體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的體驗(yàn)激活階段。該模塊以實(shí)景拍攝、動漫模擬、視頻剪輯與特效等多種技術(shù)手段，模擬電學(xué)知識在實(shí)際生活中的典型應(yīng)用，將現(xiàn)實(shí)問題再現(xiàn)（如一個(gè)房間的照明電路），建立電學(xué)知識與實(shí)際生活的緊密聯(lián)系，激活體驗(yàn)主體的生活經(jīng)驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了虛擬教師角色，虛擬教師將根據(jù)問題情境，系統(tǒng)講解與之相關(guān)的電學(xué)原理，引導(dǎo)學(xué)生生成體驗(yàn)。同時(shí)，伴隨著教師的講解，擬人化的動漫電學(xué)元件作出形象、直觀的演示，逐步強(qiáng)化體驗(yàn)，學(xué)習(xí)流程及機(jī)理見圖2。

圖2 情景案例系統(tǒng)學(xué)習(xí)流程及機(jī)理

情景案例系統(tǒng)包括兩個(gè)功能模塊。“生活中的電學(xué)”是針對中學(xué)電學(xué)在生活的典型應(yīng)用開發(fā)的代表性案例。而“電學(xué)科普”主要是通過一系列生動有趣的科普案例，演示安全用電、節(jié)約用電、電學(xué)常識等電學(xué)科普知識以及大量趣味電路，如聲控電路、溫控電路、報(bào)警電路、飛碟電路等。

2.互動體驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

互動體驗(yàn)系統(tǒng)是體驗(yàn)式電學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心模塊，對應(yīng)于體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的自主體驗(yàn)階段。該模塊基于以AS3.0為基礎(chǔ)的交互控制技術(shù)，構(gòu)建虛擬體驗(yàn)環(huán)境，并采取情境創(chuàng)設(shè)、任務(wù)驅(qū)動、角色扮演等體驗(yàn)學(xué)習(xí)策略。基于強(qiáng)大的交互功能，學(xué)生在這個(gè)虛擬的環(huán)境中既可以進(jìn)行基于任務(wù)的體驗(yàn)活動，又可以自主創(chuàng)作和設(shè)計(jì)電路，同時(shí)可以選擇與虛擬角色或在線學(xué)伴進(jìn)行電路拼裝競賽。互動體驗(yàn)系統(tǒng)包括以下三個(gè)模塊：

（1）電學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)

電學(xué)仿真模塊為學(xué)生提供了真實(shí)、安全的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。學(xué)生可以以電學(xué)元件為基本元素，自主設(shè)置元件屬性，并通過鼠標(biāo)拖拽等簡單操作，自由拼裝電路，構(gòu)筑電學(xué)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)將對電路連接狀態(tài)進(jìn)行智能判斷，動態(tài)演示電流流向，同時(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)物圖和電路圖的雙向轉(zhuǎn)換。學(xué)生的操作過程將伴隨著動漫電學(xué)元件的語言、動作、表情的生動反饋，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成果將會存入個(gè)人作品庫，便于交流、展示和分享。

（2）生活電學(xué)體驗(yàn)

生活電學(xué)體驗(yàn)?zāi)K構(gòu)建了基于生活應(yīng)用情景的探究式體驗(yàn)環(huán)境。此模塊基于前述情景案例系統(tǒng)的支持，由筆者和一線教師一起精心設(shè)計(jì)了一系列探究任務(wù)（如計(jì)算某個(gè)房間照明電路的總功耗），將電學(xué)知識融入到學(xué)習(xí)者所熟悉的日常應(yīng)用案例，運(yùn)用實(shí)景拍攝、影視剪輯、動漫演示和語音講解相結(jié)合的方式，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，還原知識產(chǎn)生、發(fā)展、應(yīng)用的場景。同時(shí)，系統(tǒng)將提供電流表、電壓表等一系列支持工具。要求學(xué)生能根據(jù)問題情境自主決策，選擇恰當(dāng)?shù)墓ぞ撸瑴y量解決問題所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，過濾冗余信息，應(yīng)用相關(guān)知識，解決問題，完成任務(wù)。在此過程中學(xué)生向虛擬教師求助。系統(tǒng)將以多種方式對學(xué)生操作進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，強(qiáng)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)，如在學(xué)生進(jìn)行了正確操作時(shí)，相關(guān)動漫角色將給予表情和言語激勵，反之進(jìn)行相關(guān)鼓勵；在出現(xiàn)重大操作失誤時(shí)，系統(tǒng)將借助于元件爆裂、電路燃燒等動漫特效警示學(xué)生。

圖3 生活電學(xué)體驗(yàn)?zāi)K學(xué)習(xí)流程及機(jī)理

生活電學(xué)體驗(yàn)?zāi)K集中體現(xiàn)了體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的核心理念，其學(xué)習(xí)流程及機(jī)理如圖3所示。學(xué)生在進(jìn)入生活電學(xué)體驗(yàn)?zāi)K后，首先將面臨一個(gè)真實(shí)的問題情境，學(xué)習(xí)者必須聯(lián)系所學(xué)知識，對問題進(jìn)行表征，將所面臨的真實(shí)問題抽象為物理問題，即定義問題，隨后需對相關(guān)條件進(jìn)行分析，明確解決問題所需的信息數(shù)據(jù)，決定數(shù)據(jù)獲取的方式方法，在此基礎(chǔ)上綜合所學(xué)知識形成問題解決策略并實(shí)施。在問題求解失敗的情況下，學(xué)生可尋求幫助或反思并修正體驗(yàn)過程，對問題進(jìn)行重新定義，繼續(xù)體驗(yàn)過程。若求解成功，則將問題解決過程中的相關(guān)體驗(yàn)內(nèi)化順應(yīng)，形成自己知識體系的一部分。

（3）電學(xué)競賽

該模塊主要是通過競賽的形式為學(xué)生設(shè)置挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生的競賽對手是程序控制的虛擬角色或其他在線學(xué)伴，競賽主要形式是電路拼裝，包括依據(jù)給定電路圖連接實(shí)物電路和根據(jù)實(shí)物電路繪制電路圖。學(xué)生可以自主設(shè)定難度，難度越高則規(guī)定時(shí)間越短，待拼裝的電路也越復(fù)雜。學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成電路拼裝則勝出，否則失敗。學(xué)生通過比賽可贏得虛擬獎學(xué)金和頭銜晉級。

3.智能測評系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能測評系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)記錄、智能導(dǎo)學(xué)和成果展示三個(gè)模塊。我們將對數(shù)據(jù)挖掘、動態(tài)跟蹤等技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，并依據(jù)影響深遠(yuǎn)的CIPP評價(jià)模式的相關(guān)理念構(gòu)建評價(jià)模型，全面記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，并進(jìn)行智能導(dǎo)學(xué)。學(xué)習(xí)記錄模塊將全面記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)活動和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等過程信息，便于學(xué)習(xí)者及時(shí)查閱；智能導(dǎo)學(xué)模塊將基于學(xué)習(xí)記錄信息，全面分析學(xué)習(xí)者在不同類型的學(xué)習(xí)內(nèi)容中（學(xué)習(xí)內(nèi)容是和知識點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的）所用的時(shí)間、任務(wù)完成情況、失敗次數(shù)及求助次數(shù)，對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格和能力進(jìn)行定義，指出學(xué)習(xí)者的知識弱點(diǎn)，進(jìn)行智能導(dǎo)學(xué)，對學(xué)習(xí)者提出科學(xué)的學(xué)習(xí)建議；成果展示模塊保存學(xué)習(xí)者在互動體驗(yàn)?zāi)K中所創(chuàng)作的實(shí)驗(yàn)電路，供學(xué)習(xí)者瀏覽、分享、展示。

五、結(jié)束語

虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┌踩⒂行У膶?shí)驗(yàn)環(huán)境，拓展實(shí)驗(yàn)時(shí)空，降低實(shí)驗(yàn)成本。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軐㈦妼W(xué)知識與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)有效關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生的主體體驗(yàn)，優(yōu)化學(xué)習(xí)效果。但在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中應(yīng)注意：摒棄單純從技術(shù)角度出發(fā)的設(shè)計(jì)思維。應(yīng)深入研究實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)習(xí)發(fā)生的心理機(jī)制，并設(shè)法找到與其相契合的教學(xué)理論，圍繞教學(xué)理論的核心理念開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)深入教學(xué)一線，開展扎實(shí)的需求分析，并吸納一線教師廣泛參與，提高系統(tǒng)的針對性與實(shí)用性；虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種技術(shù)手段，雖能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的某些不足，但與真實(shí)實(shí)驗(yàn)尚存在較大差異，只能作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，無法取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

[1]王玉龍.基于體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的教育游戲軟件設(shè)計(jì)模式構(gòu)建[J].中國教育信息化,2012(12).

[2]張而立，張丹寧.體驗(yàn)學(xué)習(xí)的哲學(xué)思考[J].中國電化教育,2013(3).

[3]耿麗.中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2012(12).

[4]吳芳,吳鳳凰.虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)及在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2012(12).

[5]王富平.新課改下高中物理電學(xué)有效教學(xué)探究[J].現(xiàn)代閱讀(教育版),2012(9).

[6]趙啟強(qiáng).如何搞好初中物理電學(xué)知識的有效教學(xué)[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(3).