虛擬實(shí)驗(yàn)在初中物理電學(xué)復(fù)習(xí)課中的融合應(yīng)用

隨著教育信息化2.0時(shí)代的到來，信息化教學(xué)正從整合走向深度融合和創(chuàng)新應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵在于做好教學(xué)設(shè)計(jì)。教師需要在教學(xué)理論的指引下，充分發(fā)揮信息化手段的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)適切的教學(xué)活動(dòng)，提高教與學(xué)的效率，更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺開展的虛擬實(shí)驗(yàn)具有仿真、安全、即時(shí)反饋的功能，優(yōu)勢明顯，但在教學(xué)中，要不要用、何時(shí)用、如何用，很多教師仍有困惑。筆者結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和教學(xué)的需求，構(gòu)思了三節(jié)初中物理電學(xué)的復(fù)習(xí)課，并對應(yīng)用過程中遇到的問題進(jìn)行思考分析，以期為復(fù)習(xí)課的創(chuàng)新和虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的融合應(yīng)用提供思路與策略。之所以選擇復(fù)習(xí)課來研究，一是因?yàn)閺?fù)習(xí)課承擔(dān)著歸納整理、查漏補(bǔ)缺，以及強(qiáng)化理解、遷移應(yīng)用的職責(zé)，是當(dāng)前教學(xué)研究的重點(diǎn)，二是復(fù)習(xí)課與新授課不同，沒有充足的時(shí)間進(jìn)行講解、演示和動(dòng)手操作，問題情境綜合復(fù)雜，必須詳略得當(dāng)，注重效率。所以虛擬實(shí)驗(yàn)的融合應(yīng)用，有望因應(yīng)教學(xué)需求，更好地引領(lǐng)學(xué)生思考和學(xué)習(xí)。

一、基于建構(gòu)主義設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持下的復(fù)習(xí)課教學(xué)流程

建構(gòu)主義理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者主動(dòng)建構(gòu)內(nèi)部心理表征的過程，是以已有經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，積極主動(dòng)地提取已有的知識經(jīng)驗(yàn)，對教師提供的內(nèi)容重新解釋，重新建構(gòu)其意義的過程。所以在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)環(huán)境下，教學(xué)設(shè)計(jì)不僅要考慮教學(xué)目標(biāo)分析，還要考慮創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生進(jìn)行意義建構(gòu)的情境，并將情境創(chuàng)設(shè)看作教學(xué)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一^[1]。

相比于教材中結(jié)構(gòu)良好的知識，真實(shí)的學(xué)習(xí)情境往往是復(fù)雜的、結(jié)構(gòu)不良的。如果學(xué)生不能將復(fù)雜問題情境進(jìn)行辨析、分解和轉(zhuǎn)化，不能將知識進(jìn)行遷移和綜合應(yīng)用，那么他們在面對結(jié)構(gòu)不良的問題情境時(shí)就會(huì)受挫、畏難^[2]。

因此，在復(fù)習(xí)課的教學(xué)中，教師要?jiǎng)?chuàng)設(shè)較為真實(shí)的、復(fù)雜的問題情境，針對性地指導(dǎo)學(xué)生分析問題，將結(jié)構(gòu)不良問題進(jìn)行拆分和轉(zhuǎn)化，與結(jié)構(gòu)良好問題建立起來關(guān)聯(lián)，教會(huì)學(xué)生分析問題并解決問題，提升他們知識遷移應(yīng)用的能力，幫助他們理解。

建構(gòu)主義指導(dǎo)下的復(fù)習(xí)課教學(xué)流程（如圖1） ：首先，教師從教材中結(jié)構(gòu)良好的問題情境出發(fā)，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)回顧已學(xué)知識，為后續(xù)學(xué)習(xí)作好鋪墊。其次，教師設(shè)置結(jié)構(gòu)不良的情境，提出來源于生活實(shí)際且較為復(fù)雜的問題，還需要根據(jù)學(xué)生的知識能力水平對任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之處于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，且稍高于學(xué)生的知識能力水平。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生將結(jié)構(gòu)不良的問題進(jìn)行分析，梳理其與已學(xué)知識之間的關(guān)系，將其拆解或轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)良好的問題，以便學(xué)生提取所學(xué)知識并遷移應(yīng)用。教師引導(dǎo)學(xué)生通過自主思考或協(xié)作交流，借助虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索，獲取解決方案或者實(shí)驗(yàn)方案;師生共同對學(xué)生的方案進(jìn)行對比、評析、優(yōu)化，形成最終方案，并進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，獲得結(jié)論。最后，師生共同總結(jié)，歸納復(fù)雜問題情境的特點(diǎn)，提煉知識遷移應(yīng)用的策略和方法，加深學(xué)生對知識的理解，形成新的知識建構(gòu)。

二、在問題情境中應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)開展電學(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)的案例

按照上述的復(fù)習(xí)課流程，筆者設(shè)計(jì)了三節(jié)電學(xué)復(fù)習(xí)課的案例，現(xiàn)就虛擬實(shí)驗(yàn)對教學(xué)的支撐和融合應(yīng)用，做重點(diǎn)分析。

（一）變換問題情境，從單一方法到多種方法測電阻

教師從伏安法測電阻的實(shí)驗(yàn)出發(fā)，依次改變問題情境，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)雙伏法、單伏法、雙安法、單安法及替代法等多種測電阻的方法，將所學(xué)知識靈活變通、遷移應(yīng)用。

在此案例中，每個(gè)問題情境都需要設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，但并不需要實(shí)施每個(gè)實(shí)驗(yàn)，只需要檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的正確性。操作者利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，可以快速完成檢驗(yàn)。學(xué)生將虛擬的實(shí)驗(yàn)器材連接好后，系統(tǒng)即時(shí)給出反饋：如果連接為通路，則出現(xiàn)電流的動(dòng)畫;儀表的指針有擺動(dòng)或顯示數(shù)值。學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的反饋，將相關(guān)數(shù)值與預(yù)設(shè)對照，進(jìn)而判斷實(shí)驗(yàn)方案正確與否。因教室硬件設(shè)施不同，操作方法也有所不同，可以是教師在一體機(jī)上進(jìn)行展示，也可以是學(xué)生在平板上自行檢驗(yàn)。

相比真實(shí)實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺操作簡單快捷，虛擬實(shí)驗(yàn)可以有效提高課堂教學(xué)效率。實(shí)驗(yàn)者利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的即時(shí)反饋功能可以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案的正確性。此外，在實(shí)驗(yàn)方案的準(zhǔn)確性還未確定或操作不夠嚴(yán)謹(jǐn)時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)器材如有損壞可以輕易修復(fù)，避免造成不必要的損失。

（二）深化探究問題，從伏安法出發(fā)探究串聯(lián)分壓原理

在伏安法測定值電阻的基礎(chǔ)之上，教師將問題情境復(fù)雜化，讓學(xué)生研究串聯(lián)電路中兩電阻的電壓之間的關(guān)系。

在本案例的探究環(huán)節(jié)，學(xué)生要對問題進(jìn)行辨析，利用所學(xué)知識進(jìn)行思考，初步獲取解決辦法，并繪制實(shí)驗(yàn)電路圖。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的器材元件充足、操作便捷，有了工具的支持，學(xué)生可以快速打開思路，找到解決辦法。如果學(xué)生一時(shí)沒有頭緒，可以先借助虛擬實(shí)驗(yàn)器材分析問題：將問題中涉及的元件用虛擬實(shí)驗(yàn)器材列舉出來，擺放到合適的位置，用導(dǎo)線連接，根據(jù)系統(tǒng)反饋進(jìn)行調(diào)整。學(xué)生在反復(fù)嘗試的過程中，逐漸獲取思路，繪制實(shí)驗(yàn)方案電路圖。如果學(xué)生已有初步的思路，能夠設(shè)計(jì)電路圖，那么可以直接用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行檢驗(yàn)。

在交流評價(jià)環(huán)節(jié)，教師帶領(lǐng)學(xué)生對探究獲得的方案進(jìn)行對比分析，討論評價(jià)，確定一個(gè)或多個(gè)可實(shí)施的方案。此時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)還可以作為思維呈現(xiàn)的工具用于展示實(shí)驗(yàn)方案。

（三）聯(lián)系生活實(shí)際，研究電熱器的多檔位問題

教師出示多檔位電器的圖片，構(gòu)建問題情境;分析問題后，請學(xué)生利用所學(xué)知識，設(shè)計(jì)多檔位電器的電路。

在此案例中，學(xué)生需要思考多檔位電路的工作原理，并將思維可視化。生活中的多檔位電器功能較多，電路復(fù)雜且不直觀。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)器材連接，操作不便捷且有出錯(cuò)損壞的風(fēng)險(xiǎn)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是很好的替代工具。學(xué)生根據(jù)自己的思考來挑選元件，擺放到合適的位置，用導(dǎo)線連接，根據(jù)系統(tǒng)即時(shí)反饋的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，直至獲得正確方案，畫出電路圖。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺將文字情境實(shí)物化，使抽象情境具體化、復(fù)雜情境條理化，支持學(xué)生將片段的、過程性的思維快捷直觀呈現(xiàn)，并提供即時(shí)反饋，為學(xué)生的問題探究提供了有力的支撐。

以上三節(jié)復(fù)習(xí)課的設(shè)計(jì)思路，均是從伏安法測定值電阻的基本實(shí)驗(yàn)出發(fā)，提出更深入、更復(fù)雜的問題，引導(dǎo)學(xué)生將基本的知識原理方法進(jìn)行遷移應(yīng)用，使其加深對知識本質(zhì)的理解，擴(kuò)充和延伸知識結(jié)構(gòu)，形成進(jìn)一步的意義建構(gòu)，豐富結(jié)構(gòu)不良領(lǐng)域的知識經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，教師采用主動(dòng)探索—獲取方案—實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)—修正完善的探究模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，幫助學(xué)生提升在復(fù)雜情境中分析問題、解決問題的能力。

三、教學(xué)反思

雖然虛擬實(shí)驗(yàn)平臺有一定的功能優(yōu)勢和應(yīng)用價(jià)值，但在教學(xué)中，因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)的不足和局限性，加之與傳統(tǒng)教學(xué)習(xí)慣和思路存在沖突，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的推廣應(yīng)用并不順利。教師需要直面三個(gè)重要問題。

（一）要不要用？

目前一些學(xué)校對課堂上使用虛擬實(shí)驗(yàn)的認(rèn)可度較低，教師普遍認(rèn)為，不能用虛擬實(shí)驗(yàn)代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，能做真實(shí)實(shí)驗(yàn)就不要做虛擬實(shí)驗(yàn)，即便實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備有困難，也應(yīng)該努力克服。造成這一局面的主要原因有四：一是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺提供的是理想化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，改掉了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中無法避免的摩擦力、空氣阻力等情況，因而學(xué)生無法感受到真實(shí)實(shí)驗(yàn)中存在的誤差，缺乏真實(shí)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)和感受，不利于學(xué)生理解真實(shí)實(shí)驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行、多次對比的必要性，也不利于學(xué)生掌握天平等測量工具的使用方法;二是虛擬實(shí)驗(yàn)器材雖然會(huì)損壞，但可輕易修復(fù)，這會(huì)讓學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)犯錯(cuò)的成本很低，降低他們對錯(cuò)誤的敏感度;三是學(xué)校演示用的實(shí)驗(yàn)器材體積較大，固定在豎直的展示板上，學(xué)生可以清晰地觀看演示，而虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的演示只能在教室的一體機(jī)上展示，不利于學(xué)生觀察;四是虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器材等同于實(shí)物器材，不是元件符號，這與師生習(xí)慣用電路圖表達(dá)思維的習(xí)慣不符。

筆者認(rèn)為，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的使用是有選擇的，建議教師在教學(xué)中盡量做真實(shí)實(shí)驗(yàn)，尤其是測量型實(shí)驗(yàn)要盡可能用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)器材，這樣可以更好地幫助學(xué)生掌握工具使用方法以及誤差分析。對于具有危險(xiǎn)性、實(shí)驗(yàn)過程較長或較短、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以觀察等探究型實(shí)驗(yàn)，教師可以考慮使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。此外，線上教學(xué)環(huán)境下無法進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是很好的替代、補(bǔ)充。

學(xué)生進(jìn)行自主探究時(shí)，可以使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺快捷直觀地展示自己的思考結(jié)果，與同伴和教師進(jìn)行交流。在智慧教學(xué)環(huán)境中，教師可以將實(shí)驗(yàn)演示同屏到學(xué)生的平板電腦上，能夠取得較好的演示效果。

任何一種教育技術(shù)都是教學(xué)需求和問題驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)物，并在應(yīng)用中發(fā)展和完善。原則上講，技術(shù)的恰當(dāng)介入會(huì)對某個(gè)環(huán)節(jié)或場景的教學(xué)有改善和提升作用。所以，要不要使用信息技術(shù)，并非單純拒絕或者接受，應(yīng)根據(jù)教學(xué)的具體場景和技術(shù)功能的匹配度，選擇性使用。

（二）用哪種？

現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺有兩種形式：一種是與預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，僅有實(shí)驗(yàn)中要用到的器材，也只能用其操作預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)，如果進(jìn)行其他的實(shí)驗(yàn)，器材是欠缺的（如圖2）;另一種是開放性的實(shí)驗(yàn)平臺，類似于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室，按照電學(xué)、力學(xué)等知識板塊分類，提供知識板塊需要的所有器材，沒有任何的預(yù)設(shè)，支持用戶根據(jù)需要操作各種實(shí)驗(yàn)（如圖3）。這兩種虛擬實(shí)驗(yàn)，哪種更符合教學(xué)實(shí)際呢？

筆者的意見：第一種實(shí)驗(yàn)平臺的針對性強(qiáng)，使用場景較少，側(cè)重演示功能（這種實(shí)驗(yàn)通常是結(jié)合教學(xué)中的基本實(shí)驗(yàn)，這些都是教師講解的重點(diǎn)，會(huì)進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)演示，而不會(huì)選擇虛擬實(shí)驗(yàn)） ;第二種實(shí)驗(yàn)平臺工具多，支持的場景多，具有開放性，教師可以個(gè)性化地使用，操作各種實(shí)驗(yàn)，哪怕是一道習(xí)題也可以快捷操作。

（三）怎樣用？

信息技術(shù)手段或數(shù)字化教學(xué)資源，都是教學(xué)素材，合理恰當(dāng)使用它們能為教學(xué)助力，這個(gè)理念已在教師中形成共識。但在什么時(shí)機(jī)融入虛擬實(shí)驗(yàn)，不同教師有不同的做法。教師習(xí)慣的做法是這樣的：先結(jié)合教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，然后選擇與教學(xué)設(shè)計(jì)一致的素材，舍棄不匹配的素材。其實(shí)，在教學(xué)設(shè)計(jì)之前，如果沒有對教學(xué)資源進(jìn)行充分了解，就不能全面統(tǒng)籌教學(xué)素材，那么教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)只是基于教師頭腦中熟知的傳統(tǒng)教學(xué)素材，缺乏技術(shù)手段的針對性設(shè)計(jì)，技術(shù)和教學(xué)也只是貼合或整合，沒有融合，就不能更好地發(fā)揮資源對教學(xué)的支撐作用和價(jià)值，更不可能進(jìn)行技術(shù)支持下的教學(xué)創(chuàng)新。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)之前應(yīng)先熟悉虛擬實(shí)驗(yàn)的功能特點(diǎn)、對教學(xué)活動(dòng)的支撐作用，再融合性地設(shè)計(jì)教學(xué)，以充分發(fā)揮技術(shù)的價(jià)值優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)提質(zhì)增效。

在現(xiàn)行教學(xué)中，師生在進(jìn)行思考和表達(dá)時(shí)，習(xí)慣用電路符號表示電路元件，而不是用實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行連線和呈現(xiàn)，但虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器材是高度模擬實(shí)物的，基本上可以等同于實(shí)物器材，這也是虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中遇到的實(shí)際問題。如何解決這一問題，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)者需要從更好地支持教學(xué)出發(fā)，對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，增加電路符號，支持學(xué)生快速繪制電路圖，響應(yīng)實(shí)際需求。學(xué)習(xí)是為了解決真實(shí)情境中的問題，而真實(shí)情境呈現(xiàn)的是實(shí)物元件，做實(shí)驗(yàn)也是實(shí)物元件，電路圖的作用是實(shí)現(xiàn)從實(shí)物到抽象再到實(shí)物的過渡。筆者大膽猜想，隨著軟硬件技術(shù)發(fā)展，教育信息化程度肯定會(huì)全方位提高，虛擬實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用也會(huì)逐漸普及直至常態(tài)化，教育教學(xué)的理念在不斷更新和提升，電路圖的中間橋梁作用或許會(huì)逐漸弱化甚至取消。

總之，虛擬實(shí)驗(yàn)是新興的教學(xué)技術(shù)手段，與實(shí)際教學(xué)還有待進(jìn)一步磨合。研發(fā)人員如何設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)，才能更好地滿足教學(xué)需求，需要聆聽教師的意見并接受教學(xué)實(shí)踐的檢驗(yàn)。教師如何基于虛擬實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)活動(dòng)，助力教學(xué)目標(biāo)達(dá)成，筆者認(rèn)為只有在反復(fù)持久的應(yīng)用和層層進(jìn)階的反思中才能總結(jié)出策略。虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)者和使用者要思考產(chǎn)品和教學(xué)的融合，更要思考傳統(tǒng)向創(chuàng)新的變革。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人民教育出版社人教數(shù)字教育研究院2022年度重點(diǎn)課題“‘雙減’背景下的數(shù)字教材學(xué)科教學(xué)應(yīng)用策略研究”的階段性研究成果。

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（作者系人教數(shù)字出版有限公司學(xué)科編輯）

責(zé)任編輯：祝元志