基于VR的初中物理仿真實驗案例設(shè)計與研究

鄭珂　李新暉

摘? 要 以建構(gòu)主義、具身認知和做中學理論為指導(dǎo)，構(gòu)建基于VR的初中物理實驗教學案例，以101實驗室為平臺搭建虛擬仿真實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)基于VR的初中物理實驗教學。

關(guān)鍵詞 VR;VR+教育;初中物理;虛擬仿真實驗;仿真實驗平臺;核心素養(yǎng);PBL教學模式;STEAM

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）15-0111-04

1 引言

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學，物理實驗在課程中占據(jù)重要地位。隨著教育規(guī)模逐漸擴大，傳統(tǒng)實驗設(shè)備以及實驗教學環(huán)境等相關(guān)設(shè)施的維護需要持續(xù)投入人力、物力和財力。因此，以傳統(tǒng)實驗為主的教學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的虛擬仿真實驗教學能夠有效彌補傳統(tǒng)實驗教學的缺點，優(yōu)化實驗教學資源。本文以建構(gòu)主義、具身認知和做中學理論為指導(dǎo)，利用基于VR的101仿真實驗平臺作為技術(shù)支撐，從而構(gòu)建初中物理實驗教學案例，探索解決傳統(tǒng)物理實驗教學成本高、危險性高、實驗時空受限等問題，提高學生的理論知識學習和實驗操作技能。

2 VR+教育的理論基礎(chǔ)

VR系統(tǒng)具有第一人稱體驗、自然語義、具身化、自主性和沉浸感等特征，提供多個維度的沉浸、交互與認知，能夠激發(fā)學習動機、增強學習體驗、實現(xiàn)情境學習和促進學習遷移。

建構(gòu)主義理論? 人的知識建構(gòu)主要來源于個人的實際體驗，進行教學則是讓學習者利用環(huán)境提供的學習資源和學習工具，建立認識和理解的過程。學習者在學習中不僅僅要對現(xiàn)成理論進行理解與記憶，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、會話、協(xié)商和意義建構(gòu)既是建構(gòu)主義的四個要素，也是虛擬教學充分體現(xiàn)出的具體內(nèi)容。

具身認知理論? 人類的認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影響大腦的認知;另一方面，認知也需要環(huán)境，人們的身體與環(huán)境進行信息交流，此時身體的各個感官同樣在發(fā)出信息并相互融合，這將導(dǎo)致人的認知過程發(fā)生改變。所以，認知、身體和環(huán)境實際上是一個動態(tài)的統(tǒng)一體，信息存在于大腦中，也存在于環(huán)境中，信息的融合可促進學習者獲得認知。[1]

“做中學”理論? 傳統(tǒng)教育方法注重知識教育，忽視實踐教育，導(dǎo)致學生的學習是機械的。杜威的“做中學”理論強調(diào)：學生所有的學習都是行動的副產(chǎn)品，教師可通過“做”來引導(dǎo)學生思考并獲得知識[2]。把杜威的“做中學”理論應(yīng)用到教學領(lǐng)域的各個方面，為虛擬現(xiàn)實教學提供了堅實的理論基礎(chǔ)。在實驗教學中，教師可以通過實驗讓學生動手做，掌握科學的實驗原理和方法，進而對學生的認知結(jié)構(gòu)進行重新改造。

3 虛擬仿真實驗的優(yōu)勢與特征

拓展實驗教學的內(nèi)容和空間? 在物理教學過程中運用虛擬仿真實驗，可從內(nèi)容和空間兩個方面提高實驗教學的效度。一方面，虛擬仿真（VR）技術(shù)可以完成傳統(tǒng)實驗中難以完成的、費用昂貴的以及帶有危險的實驗，能夠解決一些院校物理實驗室設(shè)備或儀器缺乏的問題;另一方面，傳統(tǒng)教學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，教師無須考慮移動實驗設(shè)備，可以靈活組織實驗教學。這種虛實結(jié)合的學習方式有利于學習者的探究式學習和體驗式學習。

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

降低試錯成本，提升教學效率? VR技術(shù)支持下的仿真實驗平臺在物理實驗教學中可以讓學生進行大膽嘗試，體驗生活中難以實現(xiàn)的情境，找到真理和錯誤之間的差別與聯(lián)系，更好地掌握實驗原理和內(nèi)容。這種實驗教學能夠激發(fā)學生的積極性，而且VR技術(shù)實驗趣味性更高，可有效提高實驗教學的質(zhì)量與效率。此外，學生在使用VR技術(shù)學習實驗時不會因為看不到實驗現(xiàn)象而注意力分散。另外，VR技術(shù)還能幫助學生及時解決實驗中遇到的難題，學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驗教學案例

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

初中物理實驗案例設(shè)計? 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”兩個案例，結(jié)合物理學科核心素養(yǎng)的新要求進行教學設(shè)計。

1）“探究通電螺線管外部的磁場分布”案例設(shè)計。

①設(shè)計目標：提高學生的科學素養(yǎng)，解決學生探究實踐能力。初中物理課程標準（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：“通過實驗，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。”

②設(shè)計思路。通過創(chuàng)設(shè)虛擬仿真場景，讓學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，進而通過閉合開關(guān)、改變電源的正負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，最終達到實驗?zāi)康摹?/p>

③實驗過程見表1。

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

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。

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

②設(shè)計思路。使用VR技術(shù)創(chuàng)設(shè)情境，事先準備好相關(guān)電子元器件，電流表、電壓表、燈泡、開關(guān)、連接線等，讓學生自己設(shè)計線路，通過實驗發(fā)現(xiàn)和提煉問題。學生對歐姆定律有一定的了解，會連接簡單的串聯(lián)電路和并聯(lián)電路，知道串聯(lián)電路中電路的特點。在此基礎(chǔ)上，讓學生深入地掌握并聯(lián)電路中支路和干路電流的關(guān)系。在傳統(tǒng)的物理電學實驗中，學生經(jīng)常出現(xiàn)連接錯誤而導(dǎo)致電表或燈泡燒毀的情況;而在仿真實驗中，系統(tǒng)給學生提供了試錯的地方，學生可以利用虛擬真實情境選擇合適的實驗裝置進行實驗，獲取客觀、真實的數(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教學過程見表2。

④教學反思。本案例在講授新課部分采用“提出問題—進行假設(shè)—驗證假設(shè)—得出結(jié)論”的教學方法，以問題為索引，層層探究、得出結(jié)論。整個過程貫穿“做中學”的教育思想，體現(xiàn)新課標中提出的“問題、證據(jù)、解釋和交流”的科學探究過程。電流是看不到、摸不著的東西，在課堂中使用虛擬仿真實驗技術(shù)，一方面可以節(jié)省學校實驗經(jīng)費，降低危險事故的發(fā)生概率;另一方面可以讓學生在實驗平臺上反復(fù)試錯，產(chǎn)生沉浸感，給學生帶來更加直觀的視覺沖擊，以便更好地理解實驗原理和內(nèi)容。在物理課堂中融入VR技術(shù)符合STEAM教育理念，運用跨學科的知識和方法解決實際問題，學生通過做中學，提升科學精神和創(chuàng)新實踐能力，實現(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)的中學物理實驗教學模式，可脫離以往中學物理實驗效果差、實驗條件不足的困境，通過真實實驗環(huán)境的構(gòu)建，提高中學生物理自主實驗意識及能力[7]。初中物理實驗是物理教學的主要內(nèi)容之一，在中考中占據(jù)重要地位。本文主要是以101虛擬仿真實驗室為實驗平臺，選取初中物理實驗中的電學和磁學實驗作為實驗案例，進而進行分析與研究，為將101實驗室應(yīng)用到今后的中學物理教學中進行探索，提高學生的學業(yè)成績，增強學生的動手動腦能力，培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和學習興趣。由于筆者理論水平和教學設(shè)計水平有限，還有很多問題值得進一步探討，希望能在今后的學習中不斷提升。

參考文獻

[1]吳艷.基于具身認知理論的高職院校大學英語閱讀教學模式探究[J].英語廣場，2020（01）：78-79.

[2]熊秀娟.初中物理電學實驗教學策略與案例設(shè)計[D].江西：贛南師范大學，2018.

[3]楊鵬飛.基于VR技術(shù)的電子實驗仿真平臺探索與設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2017（31）：240-241.

[4]嚴煒，楊曉梅.虛擬實驗室在中學物理教學中的應(yīng)用[J].物理教學探討，2019（07）：70-72.

[5]張屹，陳珍，白清，等.基于移動終端的PBL教學對小學生元認知能力的影響研究：以小學科學課程“地球的運動”為例[J].中國電化教育，2017（07）：79-87.

[6]李克東，李穎.STEM教育跨學科學習活動5EX設(shè)計模型[J].電化教育研究，2019 （04）：5-13.

[7]孫伯旺.基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR的中學物理實驗教學的研究[J].名師在線，2019（27）：6-7.

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