基于VR的初中物理仿真實驗案例設計與研究

鄭珂　李新暉

摘? 要 以建構主義、具身認知和做中學理論為指導，構建基于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，實現基于VR的初中物理實驗教學。

關鍵詞 VR;VR+教育;初中物理;虛擬仿真實驗;仿真實驗平臺;核心素養;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的自然科學，物理實驗在課程中占據重要地位。隨著教育規模逐漸擴大，傳統實驗設備以及實驗教學環境等相關設施的維護需要持續投入人力、物力和財力。因此，以傳統實驗為主的教學模式存在的不足愈加明顯。隨著信息化技術的發展，基于VR的虛擬仿真實驗教學能夠有效彌補傳統實驗教學的缺點，優化實驗教學資源。本文以建構主義、具身認知和做中學理論為指導，利用基于VR的101仿真實驗平臺作為技術支撐，從而構建初中物理實驗教學案例，探索解決傳統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

VR系統具有第一人稱體驗、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，能夠激發學習動機、增強學習體驗、實現情境學習和促進學習遷移。

建構主義理論? 人的知識建構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，判斷和分析這些結論的合理性，形成自己的知識體系。情境、會話、協商和意義建構既是建構主義的四個要素，也是虛擬教學充分體現出的具體內容。

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，身體的感受反過來也會影響大腦的認知;另一方面，認知也需要環境，人們的身體與環境進行信息交流，此時身體的各個感官同樣在發出信息并相互融合，這將導致人的認知過程發生改變。所以，認知、身體和環境實際上是一個動態的統一體，信息存在于大腦中，也存在于環境中，信息的融合可促進學習者獲得認知。[1]

“做中學”理論? 傳統教育方法注重知識教育，忽視實踐教育，導致學生的學習是機械的。杜威的“做中學”理論強調：學生所有的學習都是行動的副產品，教師可通過“做”來引導學生思考并獲得知識[2]。把杜威的“做中學”理論應用到教學領域的各個方面，為虛擬現實教學提供了堅實的理論基礎。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構進行重新改造。

3 虛擬仿真實驗的優勢與特征

拓展實驗教學的內容和空間? 在物理教學過程中運用虛擬仿真實驗，可從內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）技術可以完成傳統實驗中難以完成的、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備或儀器缺乏的問題;另一方面，傳統教學只是局限在一維的物理空間，而VR技術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備，可以靈活組織實驗教學。這種虛實結合的學習方式有利于學習者的探究式學習和體驗式學習。

借助虛擬現實技術創設仿真情境? VR技術能夠創設仿真情境，讓學習者產生沉浸感，并帶來更加直觀的視覺沖擊。將VR技術用于物理實驗教學，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容，深化探究，為真實的實驗積累經驗[3]。學生可以從情境中發現和提煉問題，對問題的可能答案做出假設，然后進行探究。對于那些能夠在課程中開展的實驗內容，運用VR技術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的情境，找到真理和錯誤之間的差別與聯系，更好地掌握實驗原理和內容。這種實驗教學能夠激發學生的積極性，而且VR技術實驗趣味性更高，可有效提高實驗教學的質量與效率。此外，學生在使用VR技術學習實驗時不會因為看不到實驗現象而注意力分散。另外，VR技術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，并以獨創的仿真實驗引擎高度還原逼真的實驗現象與過程，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、磁和聲學等實驗模塊，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計? 本文以“探究通電螺線管外部的磁場分布”“探究并聯電路中干路電流與各支路電流的關系”兩個案例，結合物理學科核心素養的新要求進行教學設計。

1）“探究通電螺線管外部的磁場分布”案例設計。

①設計目標：提高學生的科學素養，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內容要求表述為：“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設計思路。通過創設虛擬仿真場景，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系，進而通過閉合開關、改變電源的正負極探究通電螺線管外部的磁場情況，結合右手螺旋定則判斷通電螺線管磁極性質跟電流方向的關系，最終達到實驗目的。

③實驗過程見表1。

④實驗總結與反思。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;然后創設情境，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，讓學生從中發現自己實驗的問題所在，進而改正;最后帶領學生進行實驗總結反思，更好地理解實驗步驟和原理。創設真實的學習情境，可以有效地實施PBL教學模式，能有效促進學習者構建知識，培養高階思維能力[5]。與傳統的物理實驗課相比，虛擬仿真實驗能夠讓學生對實驗更感興趣，所呈現的內容更直觀、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）“探究并聯電路中干路電流與各支路電流的關系”案例設計。

①設計目標：通過“做中學”，體驗“問題、證據、解釋和交流”的科學探究過程。

②設計思路。使用VR技術創設情境，事先準備好相關電子元器件，電流表、電壓表、燈泡、開關、連接線等，讓學生自己設計線路，通過實驗發現和提煉問題。學生對歐姆定律有一定的了解，會連接簡單的串聯電路和并聯電路，知道串聯電路中電路的特點。在此基礎上，讓學生深入地掌握并聯電路中支路和干路電流的關系。在傳統的物理電學實驗中，學生經常出現連接錯誤而導致電表或燈泡燒毀的情況;而在仿真實驗中，系統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、真實的數據，通過分析數據形成關于物理規律的結論。

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—驗證假設—得出結論”的教學方法，以問題為索引，層層探究、得出結論。整個過程貫穿“做中學”的教育思想，體現新課標中提出的“問題、證據、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，一方面可以節省學校實驗經費，降低危險事故的發生概率;另一方面可以讓學生在實驗平臺上反復試錯，產生沉浸感，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容。在物理課堂中融入VR技術符合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，提升科學精神和創新實踐能力，實現全面發展[6]。

5 總結

基于“互聯網+”、AR與VR等新技術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，通過真實實驗環境的構建，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容之一，在中考中占據重要地位。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實驗室應用到今后的中學物理教學中進行探索，提高學生的學業成績，增強學生的動手動腦能力，培養學生的科學態度和學習興趣。由于筆者理論水平和教學設計水平有限，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計[D].江西：贛南師范大學，2018.

[3]楊鵬飛.基于VR技術的電子實驗仿真平臺探索與設計[J].電腦知識與技術，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設計模型[J].電化教育研究，2019 （04）：5-13.

[7]孫伯旺.基于互聯網+，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，佛山科學技術學院人文與教育學院;李新暉，佛山科學技術學院人文與教育學院，副教授，碩士生導師（528000）。