基于“互聯網＋”物理課堂3R范式體驗核心素養形成途徑分析
——以中學物理虛擬實驗教學為例

于 海 張 勇 王家興 齊 穎 王 濤 徐井華 李東康

（通化師范學院物理學院，吉林 通化 134002）

自5G時代中國新業務——虛擬現實（VR）、增強現實（AR）和混合現實（MR）嶄露頭角后，國家政策［1，2］著力推動3R技術與課堂融合的智慧教育，并呈現出3大典型場景：遠程教學（遠程互動陪練、直播）、智能教學（個性化教學、AI教學輔助）和沉浸式課堂（VR課堂，全息課堂）.［3，4］有研究表明，［5］特別是物理學科，3R技術能有效發揮傳統實驗優勢，解決因實驗條件和安全因素加大的認知難度.目前，國內外按照試點型和研究型應用3R技術的中學物理課堂逐漸豐富.［6－11］然知網截止今秋，面向物理學科核心素養（物理觀念、［12］科學思維、［13］科學探究和科學態度與責任感［14］）的3R與課堂教學的相關研究僅17篇.本課題組應用升級的‘互聯網＋’維度下基礎教育課程改革的研究成果［11］——“互聯網＋”物理學科課改仿生態體系（以下簡稱：“體系”），依托具備貼近生活、自主探究、虛實融合、互聯互通學習情境特點的3R優秀實驗教學案例，提出中學物理虛擬實驗課堂的3R范式途徑體驗，為實現鄉村教育振興的資源共享、擺脫教學資源與環境的束縛，落實學科核心素養提供有益的范式實踐參考，更為基礎教育課改的生態發展提供新的研究參考方向.

1 面向核心素養的中學物理虛擬實驗課堂3R范式途徑體驗

去除經濟條件、教育理念差異和課時限制外，傳統實驗不可取代的優勢在于感受物理源于生活、迎合好奇心、引發求知欲、建立學科興趣乃至科學志趣，［15］但不可避免的欠缺：現象或規律呈現時間不足、微弱平淡、可觀性低、有時空局限、有操作危險的直接體驗難.［16］本課題組應用“體系”面向物理學科核心素養，提出了中學物理虛擬實驗課堂3R范式途徑體驗.

1.1 “體系”是中學物理虛擬實驗課堂的良性生態保障

“體系”是結合“雙減”政策要求以及加強生態仿生程度而升級的（如圖1）.基礎物理教育現代化治理系統仿照生態支撐系統為基礎物理研究的管理系統提供新時代管理理念，保障物理實驗教學的研究及時升級.來自資本優化的基礎物理教育科技團隊提供的物理實驗3R優秀案例作為管理系統輸出給用戶和評估反饋機構的優勢成果，涵蓋了物理學科核心素養的營養.師生作為終端用戶向已被系統授權的評估反饋機構提出使用建議和維權需求，保障物理實驗成果的課堂效能.科技團隊收到機構提供的建議，向管理系統提供優化，理順基礎教育生態能量和營養的流動方向，如自然生態系統一樣，5G時代的中學物理實驗教學才會具足活力和良性影響.

圖1 “互聯網＋”物理學科課改仿生態體系結構圖

1.2 體驗物理觀念形成的途徑

2021年有學者提出：“體驗式教學視角下物理觀念構建的執行策略包括：現象事實→概念規律→核心概念→物理觀念→應用創新的形成路徑”.［17］據此，選取“體系”中3R優秀成果——以云幻科技的AR實踐探究實驗室：凸透鏡成像規律為例，［18］簡述體驗物理觀念形成的途徑（如圖2）.

圖2 體驗物理觀念的形成

首先，教師主導AR實驗課堂，協助學生進行多途徑體驗在凸透鏡成像過程中呈現的現象和事實（如圖2a），完成物理觀念的基礎構建.學生實操AR實驗時，教師協助學生初步體驗凸透鏡成像過程中光線偏折現象、各種成像概況、像距隨物距變化的事實（如圖2b）.逐步聚焦物距、像距與焦距關系的獨立思考和多組整合.面對AR呈現的各種成像情景，引導學生使用規范物理語言表述與凸透鏡成像相關的物理量之間的關系.對比傳統直接演示驗證特殊位置成像，學生主體自主探究感知突出，體驗多途徑規范匯總，印象深刻.保障了學習主體有質量地形成物理觀念的基礎.

其次，教師關注學生個體的差異性，選擇AR實驗呈現的多層次問題鏈選項，引導學生展開論證概念和規律的途徑體驗（如圖2c），完成物理觀念的途徑搭建.例如：面向折射定律掌握一般的普通學生，教師可選擇基礎問題鏈選項：使用同一個凸透鏡，影響同一個物體成像變化的因素有哪些？光線偏折與焦距的關系？使用不同焦距的凸透鏡影響像變化的因素相同嗎？不同焦距的凸透鏡成像有何共同規律？也方便學生模仿提出類似體驗途徑的論證初始和過程的梯次問題.每一個問題學生都要根據AR實驗的感知體驗，提出支持理由、限定條件、反駁點、個性化主張，培養求異觀念，解決成像歸類問題，完成凸透鏡成像規律的論證體驗.對比傳統只接受服從的規律，學生經歷了個性化多途徑論證體驗，認知規律全面深刻.

第三，教師協助學生感悟體驗核心概念（物質）的提煉途徑（如圖2c），適時形成物理觀念（物質觀念）.依據AR實驗的歸類數據（如圖2d），協助學生概括出透鏡、凸透鏡和成像規律（光學性質）之間觀念的總體關系，感悟透鏡和類透鏡（某類事物）的共同屬性，體驗核心概念（物質）提煉途徑.在理解核心物質概念的基礎上，引導學生總結、感悟并體驗從感受現象事實到適時基本形成物理觀念的途徑，為驗證體驗理清途徑.

第四，教師關注學生個體差異性，協助學生選擇最適切的AR情境（生活、競技、科技等）選擇驗證體驗項目，運用觀念解釋自然現象（AR露珠倒影等）和解決實際問題（AR維護投影儀等）.在驗證體驗中，即便是同一個項目，學生的思維和探究水平的差異也會導致親歷行為途徑的不同，這是教師調整學生學習心理的重要行為依據，同時也是中學物理虛擬實驗教學途徑體驗形成物理觀念的高潮.

總之，本案例內容屬于義務教育階段物理學學科階段內容.此階段的核心概念包括物質，運動與相互作用、能量等.要求在理解物理學科核心概念的基礎上，形成物質觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念，能運用這些觀念解釋自然現象和解決實際問題.本案例展示的體驗物理觀念形成途徑，可以為提煉其他核心概念升華為相應的物理觀念提供實踐參考.當接觸傳統實驗的實物操作時，學生自然會開啟物理觀念溫故而知新，實現理論與實踐的融會貫通.這有助于下一個物理觀念形成的良性開啟.

1.3 體驗科學思維形成和科學探究過程的途徑

在“體系”中，師生若選擇了體驗科學思維的形成和科學探究的3R成果資源，則亦可同時體驗物理觀念的形成.通過虛擬模型和情景，3R成果提供了在傳統課堂上只靠推理和想象的過于微/宏觀的物理情境，為學生形成物理觀念和科學思維、獲得科學探究體驗、間接研究物理原型規律、擴展想象力、提升創造力呈現了豐富的想象空間.以云幻科技的 VR實驗——熱傳導為例（如圖3），［18］側重展示體驗科學思維形成和科學探究過程的途徑，具體操作如下.

圖3 體驗科學思維形成合科學探究的過程

熱傳導是熱傳遞的3種基本形式之一.熱傳遞是物理觀念的能量觀念實例，由熱量量度觀念組成，體現能量量度觀.熱傳導雖然在固、液和氣體中均可發生，但固體中發生的才是純粹的熱傳導.基于VR呈現的現實中肉眼無法觀察的固體熱傳導，科學思維的形成與科學探究相伴開啟.智慧教學系統先提出科學探究性物理問題：最靠近加熱端的釘子先掉下來與什么因素有關（如圖3a）？進入科學思維形成的第1步：學習從物理學視角對客觀事物的內在規律涉及的本質屬性提問，且提供模擬提問時間.然后可選擇系統提供項或學生提出的選項，進入科學思維的形成與科學探究的第2步——猜想和科學推理：可能與內部原子和自由電子振動程度、空間束縛、傳導時間空間等等因素有關.正確選擇后系統展現金屬棒宏觀到局部微觀狀態（如圖3a至b），再展現溫度變化導致的原子和自由電子的振動狀態變化過程（如圖3b至c），并提示實驗者擁有了物理思維7大方法之一：理想推理法.［19］隨即系統提示應用此法進行科學探究第3步：設計實驗與制訂方案探討氣液固之間的熱傳導情況.系統提示實驗者提供設計實驗思路.待提供出類似試管中分別放入水或冰塊以及同時放入水和冰塊實驗，再分別探究氣液、氣固和氣液固之間的熱傳導規律.收集處理VR數據后基于證據得出結論并應用圖像法和類比法作出解釋和比較（如圖3d），［19］完成科學論證，收獲科學思維兩大方法.隨后的科學探究（評估、交流、反思）也伴隨著本次科學思維的完成：基于真實實驗證據和已具備的科學思維方法對不同觀點和結論提出質疑和批判（如：實驗結論是否具有普遍性），進行檢驗和修正，進而提高創造性見解的能力與品格.因此，對比只靠推理和想象的有時空局限的傳統實驗，3R途徑范式體驗實驗顯然關注了體驗科學思維形成和科學探究過程、注重培養了學習主體的方法學習和獨立思維的科學品質.

1.4 體驗科學態度與責任的途徑

在“體系”中基礎物理教育現代化治理系統為體驗科學態度與責任提供了理念導向保障——物理觀念是基礎，科學思維是靈魂，科學探究是核心，科學態度與責任是關鍵.［20］基礎物理研究管理系統針對科學態度與責任重過程導向的特征，向師生用戶提供已由“體系”科研團體優化的，涵蓋科學本質、科學態度、科學責任等科學態度與責任要素的3R成果.學生可以融合這些智慧教育的典型場景（遠程同步全息課堂教學類、智能實驗教學類、沉浸式學史類等），體驗途徑式體驗感受科學態度與責任的傳承，也可體驗物理觀念和科學思維形成、科學探究途徑.

首先，體驗認知科學本質的途徑.以2019年全國首場四地（北京市第十八中學、上海格致中學、成都教科院附中、青島萃英中學）名師5G＋MR全息高中物理電磁學公開課為例（如圖4），［21－22］具體說明如下.

圖4 全國首場5G＋MR全息物理電磁學公開課

本次公開課由科研團體——影創科技優勢力技術支撐，在上海市徐匯中學全球首個中學校園的5G＋MR科創教育實驗室完成.公開課內容實時同步傳至四川省甘孜州康定中學、阿壩州茂縣中學、涼山州冕寧中學.5G＋MR遠程同步流暢的全息課堂，可以開啟沉浸式學史導入電磁學課程.教師引領學生進入體驗和認知科學本質的途徑開端——積累階段.通過MR眼鏡四地教師引領學生們一起沉浸在全息學史內容里，身臨其境地與歷史上的科學家從提出到研究電磁問題的整個途徑同步.根據物理學發展的背景和條件，學生同步體驗奧斯特、法拉第等人的研究成功和失敗案例，對電磁學發展途徑的偶然與必然追根溯源，也從情感途徑體驗科學家的科學品質.通過問題導向，教師提醒學生關注“從電生磁到磁生電”的電磁學發展途徑的內在邏輯關系、科學家常用的重要科學研究方法及其演化，積累電磁學科學本質的初步認知.

然后，在深入體驗電磁學物理觀念、科學思維形成和科學探究途徑的同時，進入科學本質的深度認知階段.伴隨眼前可操作的懸浮動態全息3D模型，從磁體、地磁場、北極光的產生到奧斯特實驗和安培定則，觸手可及的電磁感應各重難點知識都可以成為知識體系清晰、自然有趣的全息影視盛宴，科學本質清晰易懂.全息課堂繼續為學生提供個性差異化的以因推果的分層項目體驗.教師鼓勵學生根據自己情況分析利弊推導結果，試用并選定項目及時升級認知科學本質的水平.顯然，隨著這種全息課堂的推廣，即使欠發達地區的學生如果能如此沉浸途徑體驗中認知科學本質，也會快捷全面地形成科學思維和探究能力.

其次，途徑式同步體驗嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度.面向核心素養的物理實驗課堂必備的體驗內容包括一般實驗和安全實驗.具體體驗途徑如下：

選取AR智能實驗教學呈現的法拉第電磁感應定律為一般實驗案例（如圖5）.［5］第1步，教師鼓勵學生根據自己喜好和生活經驗，提出最感興趣的問題或者選擇AR實驗提供的不同層次的問題（如：在閉合電路中無電源時靜止的電流計能顯示數值變化嗎？電流計何時變化？引起電流計變化的因素？磁生電的條件等），嘗試嚴謹認真、實事求是地回答.智能實驗根據學生答案激發和保護個性差異的好奇心，及時鼓勵并升級體驗物理觀念（運動和相互作用）的難度，引領學生探索自然規律，提升學生創造力的活躍度.這是激發途徑式同步體驗積極性的基礎.第2步，在AR智能實驗操作中，學生不憑感覺或經驗獲得的“瞬時”變化對場的核心作用，反之否定或混淆實驗事實的操作會觸發實驗無果.然后，同步體驗法拉第等科學家對電磁本質的科學探究方法、科學思維和場概念的建立途徑上嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度.教師再引領學生秉承先哲的科學態度恰當表達探究方法和結論（如：應用了參照對比方法發現關鍵的瞬時作用）.AR智能實驗不回避體驗途徑中每一個學生遇到的難題并引導學生逐步解決之.第3步，途徑式體驗深層思考、異質交流合作的科學態度.教師參與AR智能實驗升級設置，激勵學生深層思考（如：改變感應線圈的形狀、材質、與磁鐵的相對位置、磁體形狀，去掉燈泡，再分析電磁感應現象等）、與專長不同的學生合作集思廣益、堅持自己的觀點.AR智能實驗向學生推薦適當等級的自主設計任務，幫助學生提高獲得成功的喜悅度.這樣就具備了矯正錯誤應有的方法和懂交流合作的科學態度，加持了物理學習和研究內動力，體現了完整途徑式體驗的重要意義.

圖5 AR呈現的法拉第電磁感應定律

以云藝化科技VR電力安全之觸電傷害為安全實驗案例（如圖6）.［23］第1步，學生根據生活認知選擇VR課堂提供的多級別途徑體驗角色、場景、任務和裝備.從開始體驗到動作提示，從虛擬體驗角色遇險感受到的虛擬輕微灼燒和電擊到VR課堂提供的真實事故分析，這是傳統實驗環境無法或很難提供給學生的安全實驗全過程，直接感受嚴謹認真、實事求是的科學態度.

圖6 體驗電力安全之觸電傷害

第2步，根據首次感受，教師協助學生再次選擇相同或類似的角色、場景、任務和裝備，復習本級或解鎖更高一級體驗任務.依據本次任務完成情況，VR課堂向學生提供針對痛苦體驗的直接感受和實事求是的科學態度分析.第3步，VR課堂向過關學生，開啟對絕緣手套、包含金屬織物的電工工作服等專門用品涉及的物理概念、規律的科學探究，繼而激發學生的想象力和創造力，保持學生對安全保護研究持之以恒的科學態度.

最后，途徑式體驗遵守道德規范、提升法制意識、保護環境并推動可持續發展的社會責任和堅定不移的家國情懷.例如：在類似上述凸透鏡成像規律的AR課堂上，教師主導學習相關內容時，引導學生選擇AR提供的多個場景，嘗試解鎖對應的道德規范遵守任務.如，選擇的虛擬生活場景之一——草坪上隨意扔的透明有殘留水的塑料水瓶.AR提示學生需要對上述情景做社會責任思考、設計多種任務及激勵方法（立即安全處理水瓶、設計安全水瓶或集中箱、設立環衛警示圖等）、原理分析（類凸透鏡會聚陽光而發生火災）.利用如此途徑直接體驗遵守道德規范、提升法制意識、保護環境的社會責任.應用全息課堂教學類3R成果展現教材涉及到的我國領先世界的豐碩的最新科技成果——優于國際空間站的天宮空間站、世界下潛能力最深的作業型載人蛟龍號潛水器、全球最大的500m口徑球面射電望遠鏡——中國天眼、世界上觀測能段范圍最寬能量分辨率最優的悟空號暗物質粒子探測衛星、目前人類唯一已知的不可竊聽不可破譯的無條件安全的墨子號通信衛星等等.通過虛擬課堂提供的選項（國際成果對比、科研條件對比、科學家的家國情懷等），直接全程體驗我國科研工作者堅定不移的家國情懷，理解科學·技術·社會·環境關系，具備和平、合理、可持續利用各種資源的社會責任心.體驗成就的同時，還應當清楚我國重大科技基礎設施的發展水平與發達國家的先進水平相比存在的差距，引導學生明晰理論突破可以推動技術進步的時代社會責任，不斷增強為國家創新發展而學習的時代責任感.

2 小結與展望

伴隨5G產業的激增，“互聯網＋”維度下基礎教育課程改革必將隨著新理念和新技術的迭代不斷升級.在新理念層面，“體系”是仿照自然生態體系為基礎教育課改生態發展提供的一種新的研究方向.在新技術層面，3R等人工智能與課堂教學的深度融合必將拓寬智慧教育場景的種類.如上所述，展望面向學科核心素養的3R途徑式體驗型“互聯網＋”基礎教育課堂的新場景，形式上越來越離不開與真實體驗一樣有必要干擾項的虛擬感知；技術上越來越依賴于3R智慧教育的創新和共享、共生；理論上越來越離不開提升學科核心素養培養質量的互聯網迭代思維；內容上越來越離不開學科核心素養深度體驗；保障上越來越離不開課改理念、核心素養形成的過程性和階段性評價質量的提升.總之，提升和拓展面向核心素養的“互聯網＋”基礎教育課堂3R范式體驗，應該是實現鄉村教育振興的資源共享、擺脫教學資源與環境的束縛，開啟新思維、新平臺、謀求新發展的必研之路.