利用虛擬現實技術實現初中“直流電動機”的教學突破

張 躍 范鴻飛

(首都師范大學附屬中學，北京 100048)

利用虛擬現實技術實現初中“直流電動機”的教學突破

張 躍 范鴻飛

(首都師范大學附屬中學，北京 100048)

本文以“直流電動機”的教學難點為切入點,結合先進的虛擬現實技術開展課堂教學,深入剖析學生的認識思維,提出教師有效教學的策略,以期與同仁共同探討,提升教學質量.

虛擬現實;科學探究;直流電動機

1 問題的提出

“直流電動機”是初中物理“磁現象”一章第6節的內容,學生在學習“磁場對通電導體的作用”的基礎上,將所學知識應用于實際.電動機是工業自動化和電器設備中最基本也是最重要的部件之一,洗衣機、電風扇、電冰箱、各種金屬加工機床等都使用了電動機.故本節在知識與技能方面要求學生了解直流電動機的主要構造和原理,同時在教學中要體現科學、技術、社會的思想,了解物理知識對解決問題的重要作用.傳統的教學中,本節的重點是電動機的工作原理,教師在教學過程中通過實驗、多媒體課件等方式引導學生對(單個)通電線圈在磁場中受力進行分析,從而掌握電動機的工作原理及能量轉化,但對實際應用的電動機往往一句話帶過或作為學生的課下閱讀,在教學中缺乏探究活動,而這部分內容恰是最貼近學生日常生活及學生迫切想要了解的.筆者認為,出現這一現象的原因有以下兩點.(1) 教學素材匱乏,無法幫助學生建立充足的感性認識.教學過程中僅通過圖片、實物模型或視頻教學資源,無法充分調動學生參與的積極性,學生思維活動少,感性認識不足.(2) 教師理論聯系實際意識不夠強烈.受限于學時安排及考點分布,以及并未看到其背后對學生思維活動發展的重要作用,忽略該部分教學.基于以上教學中發現的問題,筆者嘗試運用虛擬現實技術完成這部分教學,以供同仁參考.

2 運用虛擬現實技術實現教學突破

虛擬現實技術作為一種新興的現代教育手段,為課程實踐改革提供了無限可能,通過創設各種擬真的學習環境,為學習者帶來豐富的感官刺激和交互體驗,“可以在一個學習者的最近發展區中提供模型、高級思維的機會和對元認識的引導”.[1]同時以其沉浸性、交互性和想象性的特征,[2]將學生置于虛擬的環境中,通過人機互動及同伴合作的方式,增強感性認識和發展思維.筆者利用桌面式虛擬現實設備zSpace300實現對該部分教學的突破.

2.1 化靜為動,充分建立學生的感性認識

圖1 北師大版教材中模型展示

傳統教材中對于實際應用的電動機展示如圖1所示,僅展示了電動機部分部件的名稱,雖加以文字敘述,但學生對各部件及其作用缺乏認識.而采用虛擬現實設備展示其構造如圖2所示,2～3名學生共享一臺機器,對直流電動機的內部構造進行觀察,電動機在轉動過程中,學生可以對其各個部位進行“標簽”,了解每個部件的名稱,還可以利用手持筆對其進行拆解(如圖3所示),深度觀察每個部件的結構及思考和討論其作用,之后教師適度總結每個部件的功能及作用.同時,通過手動調節轉速,教師引導學生觀察電動機哪些部件是轉動的,哪些部件是固定不動的,從而鼓勵學生總結出電動機是由定子和轉子構成,并發現轉子是由線圈與換向器構成,定子是由電磁鐵與電刷構成.整個探究活動以學生為主體,學生參與感強烈,思維活動充分、深入,教師僅需在適當時機加以引導和總結,比起傳統的講授式及利用圖片進行教學,虛擬現實設備以其逼真的情景,更貼近生活實際,通過動手動腦的方式,使學生的感性認識更充足,理解更深入.

圖2 虛擬現實設備中模型展示

2.2 故障排查,高效促進學生的思維發展

以前沿科技無人機送快遞的話題為切入點,提出直流電動機的應用實例——無人機(四軸飛行器),利用虛擬現實設備創設兩個四軸飛行器的電路故障情境,幫助學生發散思維,加深對知識的理解和應用.

情境1.電路中某一電動機不轉動(圖4右下電動機),學生觀察現象并分析其故障原因.學生可以通過人機互動的方式,點擊進入每個部件內部,觀察其內部構造,并進行拆解、組裝等操作,同時可以進行同伴間的及時交流與分享.在教學過程中,筆者發現學生在進行故障排查的過程中,方法多樣,是非常寶貴的教學生成資源,獨具研究價值.

圖4 電路中1個不轉動電動機

學生方法1:學生首先打開一個完好的電動機,對其內部進行觀察,之后再點擊不轉動的電動機內部進行觀察,通過“找不同”的方法,迅速發現電路故障原因即為不轉動的電動機中缺一塊磁鐵(如圖5所示).

點評:利用該類方法進行分析的學生,其思維起點是電動機,同時,該類學生具有強烈的觀察比較意識,在遇到新情境時,首先通過對比的方法找到問題解決的突破口,這與平時在實驗教學中對比思想的滲透密不可分.

學生方法2:學生首先判斷該電路一定是通路,若電路是斷路,則不可能出現僅有一個電動機不轉動的情況.接下來,學生按照電流(即圖5中的白點是動態的,表示電流)流過的部件的順序進行排查,判斷出故障電動機內部的電刷、換向器、線圈均是完好的,將故障范圍縮小,接下來重點觀察磁鐵、軸承等部件,最終發現電動機故障原因是缺一塊磁鐵.

點評:利用該類方法進行分析的學生,其思維起點是電路,從電路的現象出發,同時具有利用排除法的思想,在遇到新情境時,直面問題,利用已有知識進行分析排查,找到問題解決的方法.

學生方法3:學生首先進入故障電動機內部進行觀察,之后在“工具箱”中找到全部新部件,并一一裝卸,最終發現裝上一塊磁鐵后,電動機轉動了起來,找到了故障原因.

點評:利用該類方法進行分析的學生,其思維起點是電動機,雖探究活動中的思維活動相對較少,但教師也應對其進行鼓勵,在沒有其他思路的情況下,該方法通過逐個順次重裝的方法也體現出學生迫切想解決問題的愿望及執著努力的態度.

綜上,相同情境、相同現象,不同學生分析問題的角度和方法卻是千差萬別,這其中就體現出學生之間探究能力和思維水平的差異.利用虛擬現實技術將這些差異毫無保留地呈現在教師面前,這是在傳統教學中很難發掘的寶貴資源,也是教師在課下值得不斷去思考和深入研究的問題.同時依托虛擬現實技術,通過強烈的參與感來激發學生分析與思考,通過課堂中不同方法的及時分享,學生的思維能力得以提升.

圖6 電路中兩個不轉動電動機

情境2.電路中有兩個電動機不轉動(圖6右邊兩個電動機),學生觀察現象并分析其故障原因.

分析1:基于情境1的體驗與分析,學生對情境2迅速提出了合理猜想:可能是右側電路發生了斷路,多組學生通過對比(完好開關與故障開關內部對比圖，見圖7),發現是開關內部接觸不良.按鈕式開關在日常生活中隨處可見,傳統的教學資源很難向學生提供深入開關內部去觀察和動手操作的機會,虛擬現實技術向學生提供了很好的動手動腦的平臺,讓學生有機會去深入觀察和探索,真正體現物理學源于生活而高于生活的理念.

圖7 故障開關內部構造

分析2:將故障開關“修理”好后,發現電動機依然不轉,迅速燃起學生的進一步探究熱情,多組學生采用電流流向的方法對右邊電路中的兩個電動機進行排查,最終發現是圖6右下電動機中的引線斷裂，如圖8.基于兩個情境中3個故障問題的設置發散學生思維,最終使得學生故障排查的思路逐步清晰,掌握了一定的分析問題的方法,思維能力得以提升.

3 教學反思

新技術的支持解決了紙上談兵的傳統模式下的弊端,為學生搭建了一個能將所學知識整合,應用到實際問題中并加以解決的平臺，改變了傳統教學培養出大量只會做題,而解決實際問題能力低下的問題.同時,基于虛擬現實的技術的教學也讓筆者反思教師在教學中需樹立正確的教學觀.

3.1 合理整合資源,有效促進學生的思維發展

物理學是一門以實驗為基礎的自然學科,然而有很多物理實驗和探究活動是傳統實驗室里很難完成的,新技術的發展在一定程度上彌補了這一不足.基于虛擬現實技術的物理教學,正是通過創設逼真的情境,高強度的參與感,促進學生動手動腦學物理.有鑒于此,教師應緊跟時代步伐,不斷學習新技術,更新教學理念,將新技術與物理教學有機地結合起來,為促進學生思維發展而不斷努力.

3.2 積極拓寬視野,真正落實新課標的教學理念

物理學是一門與生活息息相關的自然學科,新課程標準中提出重視從生活走向物理,從物理走向社會的教學理念.而在教學過程中,有些教師對其理解往往流于形式,認為舉幾個應用的例子就是落實新課標理念,而忽略對事物的原理、“怎么用”以及“用在哪”的教學,導致學生僅靠記憶,將有限的例子殘存腦海,并未將理論與實際真正地結合起來.基于虛擬現實技術的物理教學通過擬真的情境,為學生提供深入觀察與開放操作的機會,幫助學生真正理解物理學的應用價值.

3.3 明確教學核心,切實發展學生的探究能力

新課程標準中提出以提高學生科學素養為基本理念,故教師教學設計的整體出發點應為提升學生的科學素養.基于虛擬現實技術的教學,通過創設生活情境、有效問題引導等方式促進學生思考.學生通過自主探究與合作學習的方式,在積極主動解決問題的過程中激發原有知識,通過理解、同化、遷移的方式運用到新的知識中,將學生的活動真正落實到思維活動，從而有效發展學生的探究能力.

1 G Salomon,T Globerson,E Guterman.The computer as a zone of Proximal development:Internalizing reading-related metacognitions from a reading partner[J]. Journal of Educational Psychology,1989,81(4):620-627.

2 G C Burdea,P Coiffet.虛擬現實技術[M].第2版.北京:電子工業出版社,2005.

2017-03-15)