智慧課堂環境下仿真游戲項目教學設計

高嵩??孫巖松??蔡陽健

我國航天事業快速發展，學生對于航天知識越來越感興趣，但他們理解萬有引力定律及其衍生的物理學概念存在困難。教師開展仿真模擬游戲教學可將抽象問題形象化。筆者在智慧課堂環境下，以仿真模擬游戲坎巴拉太空計劃（Kerbal Space Program，以下簡稱KSP）為載體設計了項目教學方案，力求降低學生理解萬有引力定律的難度，激發他們學習物理的興趣。同時，借此探究項目式學習和仿真電子游戲融合的可行之策。

一、航天熱與《課標》修訂催化游戲項目教學

近年來，我國祝融號火星探測器成功登陸火星，空間站實現宇航員在軌常駐，航天事業又上新臺階。社交媒體平臺上有很多學生用戶發表與火箭發射原理、空間站在軌運行條件相關的評論或意見。這些問題都與萬有引力定律密切相關。目前，教師常以二維視圖演示（模擬）天體運動（如圖1）。這樣教學難以使所有學生身臨其境，不利于他們構建物理模型。加之萬有引力定律較為抽象，教師對學生能否獨立自主解決問題存在顧慮，使學生的主體性發揮得不夠充分。《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標》）強調，課程要具有時代性，要有利于學生自主學習，對應的教學方式也應盡可能多樣化。同時，物理學科核心素養對學生科學思維與科學探究提出了明確的能力要求，學生應具備建構模型、科學推理與熟悉探究問題流程的學習能力^[1]。《課標》提出新觀念，促使教師更新教學設計以適應新要求。設計制作新課件或使用新的教學工具是落實《課標》要求的途徑之一。

在教育信息化不斷推進的大背景下，信息技術與課堂教學深度融合，電子教育游戲、教育軟件對傳統課堂的改造產生了明顯的效果：仿真模擬游戲讓學生擁有更好的視覺體驗^[2]，使學生更好地進入學習狀態。坎巴拉太空計劃是一款高度仿真模擬游戲，場景逼真有趣，需要玩家有一定的物理學知識。有學者在研究運用KSP對適齡學生進行萬有引力定律等天體物理學的教學時，設計教學實驗驗證KSP是否對學生學習具有正向效果。該實驗表明，KSP能夠提高學生應用萬有引力定律的能力^[3]。教師可用KSP開展萬有引力定律教學。

教師根據《課標》（課程設計）要求和學科核心素養指向，可借助KSP對萬有引力定律教學進行內容和方法上的創新。這樣，教師可以克服手工作圖（二維）的局限，實施項目式教學，降低學生理解萬有引力定律及其衍生的物理概念的難度，讓學生更好地應用萬有引力定律，提高學生的物理學科核心素養和解決問題的能力。

二、坎巴拉太空計劃仿真模擬游戲寓教于樂

坎巴拉太空計劃是墨西哥Squad游戲公司于2015年開發的高度仿真航天模擬類沙盒型游戲。玩家置身以地球為原型的Kerbin星球，以航天中心為原點，開啟航天探索歷程。在游戲中，玩家可以隨心所欲地建造專屬航天器，在游戲中遨游太空，探索天體。

為了高度仿真，游戲空間被設計得與現實世界高度相似，航天器的制作和操控及航行也能逼真地呈現。游戲中，玩家需要根據物理規律發射用于探索Kerbin星球和Kerbin星球以外星球的探測器。玩家根據游戲中虛擬天體的質量、半徑、周期、引力作用半徑等相關信息，運用萬有引力定律和開普勒行星運動定律以及齊奧爾科夫斯基公式，設計航天器的飛行軌道，分析運載火箭能力。圖2所示為KSP中航天器的制作界面，在此界面中，玩家可以模擬執行衛星和火箭的組裝、測試等任務。

與真實情況相似，火箭發射后，游戲界面顯示航天器運行周期、海拔高度、軌道高度、大氣壓強、航天器速度、遠點半徑、近點半徑、軌道半徑、軌道夾角等相關參數，玩家可以實時掌控天體運行狀態，并由此作出判斷和調整。玩家只有正確設置所有的運行參數才能完成任務，否則火箭或衛星會“爆炸”或“墜毀”。

教師利用KSP可以設置游戲情境并將其與萬有引力定律教學相融合，彌補傳統教學軟件在仿真模擬和模型建構方面的不足，激發學生學習興趣。筆者認為，依托KSP設計萬有引力定律及其衍生定律相關課程是完全可行的。

三、教學案例

（一）設計思路

萬有引力定律及其在航空航天領域的應用知識，涉及物理量多，情境復雜，很多初學者感覺這部分知識散亂、復雜，難以運用知識構建模型。萬有引力定律一直是教學難點。項目式學習對學生探究工程問題有顯著的促進作用^[4]。此外，協作探究和強交互的交流方式能夠被智慧課堂的體系所支撐^[5]。筆者就是以智慧課堂為平臺，以項目式學習為主要教學模式，以發射飛行器遨游宇宙為任務目標，以KSP為主要教學工具和內容表達載體，開設萬有引力定律知識應用課程。學生在參與項目活動，加深對萬有引力定律與宇宙航行知識理解的同時，他們的科學思維得到訓練，物理學科核心素養得到提升。

學生的學習往往受制于自身的知識水平和學習條件，隨著學習進程的推進，問題被逐個解決^[6]。筆者在設定學習項目時，遵循學生認知規律，層層遞進地設置任務的難度和知識深度（如圖3）。任務一的難度設置在低階水平，目的是要讓學生了解項目內容以及KSP操作方法并為任務二和任務三的執行打基礎。任務二的難度為中階水平，學生要通過此項目活動對前節課學的萬有引力定律進行復習并初步應用，了解與天體運動相關的物理建模過程，探究衛星變軌中的物理規律，進一步理解和應用萬有引力定律。筆者設計任務三旨在延伸和提高，在高階難度下對學生應用萬有引力定律提出更高要求，讓學生通過應用萬有引力公式推導所需的物理量，如天體的軌道半徑、角速度、周期等。

如何開展教學活動？筆者依托智慧課堂系統，從教師端向學生端發送任務，讓學生在學生端接收任務進行KSP的操作（如圖4）。在此模式下，教師可以清楚地實時查詢學生的操作情況，并進行診斷。學生也可以根據KSP任務的完成情況評估自己的學習成果。基于此，筆者設置了三個微觀的學習環節：課前收集我國近年取得的相關航天成果（如神舟系列發射、嫦娥系列發射），讓學生學習KSP的基本操作方法，嘗試模擬發射火箭并撰寫發射報告;課上讓學生交流課前學習成果，在項目式學習情境中模擬發射衛星，理解和應用萬有引力定律;課后延續項目任務，讓學生在KSP中完成進階任務，深化理解萬有引力概念。最后，筆者對學生的學習情況進行診斷評價。

（二）“如何發射人造衛星”教學過程

1.課前

筆者在課前創設一個虛擬的任務情境，模擬現實世界中的招標投標，將一個班的學生分配成數個“研究小組”。“研究小組”由學生自由組建，成員推舉產生本組的“總設計師”（組長）和“成果匯報員”（小組匯報員）。教師向學生發布項目任務，在活動中提供指導和答疑服務。學生“小組”根據項目要求完成課前課中和課后任務。項目任務包括：①搜集近一段時間中國航天取得系列成就的資料，如嫦娥探月工程以及神舟十二號、神舟十三號的資料等;②了解KSP的操作流程;③在KSP中嘗試發射運載火箭。

說明：教師創設新的學習情境有利于激發學生學習興趣，讓學生在項目式學習環境下，產生積極的情緒，提高學習效率^[7]。課前筆者讓學生搜集有關航天資料，在未學習專門知識的情況下，嘗試通過KSP進行火箭發射并撰寫任務報告，目的是讓學生建立有關航天和宇宙航行的前概念^[8]。很多學生在學習之前認為火箭的組裝如同搭積木，火箭的發射就是點火后自動發射不需要監控。其實，學生在KSP中操作時，如果不理解萬有引力定律，模擬發射火箭的成功概率是很低的。真實的火箭發射并不像學生原本認知的那樣簡單。認知沖突有利于正式課程的引入和教學。同時，學生在KSP中觀察到是高度仿真模擬的過程，有助于他們建構物理模型，降低了他們理解相關知識的難度。

2.課中

（1）回顧已有知識，通過情境引出話題。

筆者展示學生的課前任務報告，并結合萬有引力定律和圓周運動等相關知識進行解釋，組織學生研討。在明確項目總體任務后，筆者講解執行該任務的技巧和邏輯，提出將衛星發射至外太空圍繞母星做圓周運動的任務。學生要從萬有引力提供向心力的思路入手，分析衛星需克服發射時所在星球的引力，進入環繞中心天體做圓周運動軌道的條件，即需要計算臨界速度。

說明：為學生創設情境，有助于學生構建簡單而恰當的物理模型。回顧知識，為接下來的任務做好理論上的準備，這符合進階學習的教學流程。

（2）創設情境任務，理論聯系實際展開實際操作。

任務一：發射一枚裝載人造衛星的運載火箭并使之進入環繞Kerbin軌道。

思路：學生要理解“進入軌道”的含義，即需要發射一顆近Kerbin表面飛行的衛星。學生分析萬有引力提供向心力 ，以及將Kerbin的天體半徑作為衛星的運行半徑的近似條件，從KSP中的“追蹤站”中獲取Kerbin的半徑、質量等數據，使衛星具有環繞Kerbin運動速度。學生根據運算結果，在KSP中挑選合適的運載火箭和衛星，接著發射并觀察衛星的運動情況（如圖5）。

任務二：衛星變軌。

思路：學生分析得知，要使衛星克服Kerbin的引力束縛，升入更高的軌道，應滿足??????????????????，從而推導出從低軌道變換為高軌道是做離心運動，衛星必須加速運動才能進入高軌道。反之，衛星若減速，則會從高軌道變換為低軌道，做向心運動。

任務三：提交發射Kerbin同步軌道衛星的計劃。

思路：“研究小組”在接到任務后，需要先行查找資料了解什么是同步軌道衛星，再探究將衛星發射至Kerbin同步軌道的條件，獲取同步軌道衛星所要達到的軌道高度參數，最后在游戲界面中完成發射Kerbin同步軌道衛星的任務。由于發射Kerbin同步衛星需要進行變軌操作，所以學生完成任務三前需要有任務二的知識基礎。

說明：對于初始任務，筆者沒有使用現實世界中的天體數據，而是使用KSP游戲中的虛擬天體數據，是希望學生從0開始構建完整的物理模型而不受現實問題影響。學生承擔任務的難度是遞進的，隨著任務的推進，難度也會逐漸增加，這也是一個進階的過程。參數由游戲系統獨立決定，學生不能通過查找現成資料得出結論，必須動手操作和計算，這樣可以保證學生學習的有效性。同時，教師借助KSP仿真模擬天體之間的相互作用和視覺效果，降低了學生構建物理模型的難度，也降低了學生理解萬有引力定律及其衍生的物理概念的難度。

（3）交流任務成果，總結物理規律。

筆者帶領學生回顧任務一、二、三，將原先運用的KSP中的數據換為地球等太陽系星體的數據。在完成游戲訓練后，學生再次進行推理計算，得出第一宇宙速度等于7.9 km/s，繼續探究第二宇宙速度（克服地球引力場進入太陽環繞軌道的速度）和第三宇宙速度（克服太陽引力場飛出太陽系的速度）。至此，本項目主要任務完成，學生自行總結得失。

最后，筆者在課程結尾回顧我國航天發展歷程與課程任務，引導學生產生共鳴，讓他們理解我國航天事業發展的艱辛和不易，建立正確的歷史觀和價值觀。

說明：學生通過任務一、二、三的執行，完成了對三個宇宙速度的理解、對穩定運行及變軌等物理模型的建構，并通過游戲場景將理論與現實結合在一起。游戲平臺對學生的推理、判斷和運算能力給出實時反饋，這極大改善了學生的學習體驗，有效調動了學生學習的積極性，進一步降低了學生理解知識的難度。課程后期，筆者將物理知識與我國航空航天事業結合，讓學生從KSP中體會航空航天事業發展對人類發展的意義，對STSE（科學、技術、社會、環境）關系有更深層次理解。整節課，學生都投入了極大的熱情，積極提高自身能力。

（三）課后項目與評價

筆者借助KSP布置課后任務讓學生鞏固知識：發射一艘能夠從Kerbin出發到達Mum星球（Kerbin的衛星）的宇宙飛船（此過程類比于飛船從地球到月球的過程），拍攝Mum的照片，完成相應的研究報告，做好下堂課上交流的準備。

說明：本任務與課上的任務有聯系也有區別，課后活動有助于學生遷移應用知識。此外，游戲相對獨立且支持多樣化體驗，這避免了傳統模式下學生抄作業或搜答案的問題。

四、總結與展望

此案例教學特點如下。

其一，學習情境生動且與中學教學內容密切相關，反饋及時，學生能融入情境游戲中，學習效率大大提升。

其二，教師以工程項目任務的形式給學生布置任務，有利于學生從整體上分析物理問題，理解科學原理與工程的聯系。

其三，教師利用智慧課堂體系的技術優勢彌補了傳統課堂中師生交互、教學內容展示、個性化教學等方面的不足，將教學進程延向課前和課后。師生溝通更加便捷，極大地提升了教學效率。

學生在項目式學習的過程中，不但要根據要求和系統給定條件進行建模、推理、運算，還要時刻觀察火箭和衛星飛行的參數并及時調整，更需要不斷與伙伴溝通，向他人展示自己的成果。項目式學習能有效激發學生的學習興趣，提高科學探究和科學思維能力。項目式學習與仿真模擬游戲深度融合后，操作性和直觀性得以加強。學生參與探究式的工程仿真游戲活動有利于提升他們的物理學科核心素養。智慧課堂與項目式學習融合是一個有前景的教學方向。具有教育意義的仿真游戲會越來越多地用于教學。

注：本文系2020年教育部高等學校教學研究項目“基于國家物理虛擬仿真實平臺的實驗教學改革與實踐”?（項目編號：DJZW202019hd）、山東省研究生教育質量提升計劃立項建設項目（項目編號：SDYJD17064）和山東省基礎教育教學改革項目“基于微視頻的高中物理情境化教學改進的實踐研究”（課題編號：3702061）的研究成果。

參考文獻

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（作者高嵩系山東師范大學副教授;孫巖松系山東師范大學研究生;蔡陽健系山東師范大學教授）