虛擬仿真應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)的價值探尋

楊永宏 楊曉梅

摘 ? 要：虛擬仿真在物理教學(xué)中的應(yīng)用可以使學(xué)習(xí)者的認(rèn)知方式、思維方式、學(xué)習(xí)方式等發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，從情境創(chuàng)設(shè)、知識建構(gòu)、可視化表征、思維可教的角度分析虛擬軟件在物理教學(xué)中的價值并佐以相關(guān)實例對其合理性進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;物理教學(xué);價值探尋

《教育信息化2.0行動計劃》強(qiáng)調(diào)運用現(xiàn)代信息技術(shù)來促進(jìn)教育改革與發(fā)展，培養(yǎng)適應(yīng)未來信息化社會的人才[ 1 ]。2018年教育部工作會議，虛擬仿真被列為重點建設(shè)的五大類型“金課”之一，虛擬仿真實訓(xùn)被視為一種可以破解實驗、實習(xí)、實訓(xùn)中“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”老大難問題的教育生產(chǎn)力和未來教育新形態(tài)[ 2 ]。物理是一門情境性、抽象性、邏輯性較強(qiáng)，理論性與實踐性兼具的學(xué)科。虛擬仿真軟件將信息技術(shù)與物理知識高度整合，以其逼真、準(zhǔn)確、交互性強(qiáng)、可重復(fù)性高的特點，為延伸教育空間和時間，增強(qiáng)知識可視化水平，創(chuàng)新教學(xué)方式，改革教學(xué)模式提供了新的實踐路徑。本文試圖對虛擬仿真技術(shù)在物理教學(xué)中的功用進(jìn)行闡述，在此基礎(chǔ)上，枚舉具體教學(xué)案例對其合理性進(jìn)行佐證。

1 ?虛擬仿真可彌補物理教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)的缺失與不足

情境是連接生活世界和物理知識世界的橋梁，物理概念的建立、規(guī)律的探究、問題的解決都依賴于相關(guān)情境創(chuàng)設(shè)[ 3 ]。如圖1所示，物理情境來源于真實的物理世界并作用于人的精神世界，由于學(xué)生缺乏實踐體驗或生活經(jīng)驗，相關(guān)情境無法在現(xiàn)實條件下進(jìn)行創(chuàng)設(shè)或創(chuàng)設(shè)存在一定的困難。虛擬仿真平臺依賴于其圖文并茂、聲像并舉的特點，可以借助技術(shù)重塑教學(xué)空間，為學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)豐富的情境，化靜為動、化無形為有形，使得不易觀察與體驗的情境變得可觀可感，學(xué)習(xí)者可以在虛擬環(huán)境支撐的學(xué)習(xí)情境中學(xué)習(xí)，產(chǎn)生對等現(xiàn)實情境的新體驗。

例如：核裂變是微觀領(lǐng)域的問題，由于其放射性危害學(xué)生無法具身體驗這一反應(yīng)過程。在學(xué)習(xí)該內(nèi)容時，可通過二戰(zhàn)時期美國突襲日本廣島與長崎的兩枚原子彈如圖2、圖3所示，引入該話題，利用虛擬平臺模擬兩類原子彈爆炸過程從而創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生在感官體驗中了解原子核的作用原理—重核裂變（表1），從而有效彌補該環(huán)節(jié)情境的缺失或視頻播放中難以呈現(xiàn)細(xì)節(jié)的不足。

表 1 ?核裂變虛擬平臺情境創(chuàng)設(shè)

2 ?虛擬仿真輔助教學(xué)可發(fā)揮主體能動性促進(jìn)知識理解

虛擬平臺的強(qiáng)交互性讓學(xué)生可以在虛擬空間中不再是一名旁觀者，而是作為一名現(xiàn)象模擬與知識生成的參與者，通過對虛擬世界中的對象進(jìn)行移動、參數(shù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)設(shè)置，學(xué)習(xí)者可借助多感知通道與其進(jìn)行自然、便捷的交互，并不斷獲得相關(guān)學(xué)習(xí)體驗的反饋，在充分調(diào)動學(xué)習(xí)積極性、發(fā)揮主體能動性的基礎(chǔ)上促進(jìn)知識的主動建構(gòu)與深度理解。虛擬界面不再是分隔主體與客體的屏障，而是成為兩者實現(xiàn)互動的中介。學(xué)習(xí)者不再是知識的接受者，而是知識的主動探求者。

例如：靜電感應(yīng)是在外電場作用下導(dǎo)體內(nèi)電荷重新分布的現(xiàn)象。該內(nèi)容較抽象，教師通過演示讓學(xué)生從微觀角度認(rèn)識物體感應(yīng)起電的本質(zhì)，有一定的難度。借助于虛擬平臺模擬帶絕緣座的金屬箔導(dǎo)體、帶正電的小球可直觀演示電子轉(zhuǎn)移，讓學(xué)生自主完成如表2的操作，并通過平臺反饋進(jìn)一步分析該現(xiàn)象產(chǎn)生原因，從而促進(jìn)對靜電感應(yīng)實質(zhì)的理解。

表 2 ?靜電感應(yīng)虛擬平臺互動操作

3 ?虛擬仿真可通過可視化表征促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展

中學(xué)處于認(rèn)知發(fā)展的關(guān)鍵期，虛擬空間中通過較強(qiáng)的感覺沉浸甚至意識沉浸，可以極大地拓展學(xué)習(xí)者的認(rèn)識空間、豐富其認(rèn)知的來源，擴(kuò)大其認(rèn)知范圍。其次，虛擬世界作為對現(xiàn)實或非現(xiàn)實世界的可視化表征，為我們提供了一種獲得間接認(rèn)識的手段，通過將抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化和形象化，學(xué)習(xí)者在其中超越時空的限制，體驗各種現(xiàn)實世界中無法體驗或不易體驗的世界。此外，借助于虛擬平臺，可以實現(xiàn)定性與定量的綜合集成，通過定性分析獲得感性認(rèn)知，通過定量表征獲得理性認(rèn)識，進(jìn)而深化概念、產(chǎn)生新意和構(gòu)想，

例如：玻爾創(chuàng)造性地將量子觀念應(yīng)用到對原子結(jié)構(gòu)的解釋中，提出了半量子、半經(jīng)典的原子結(jié)構(gòu)假說。然而以牛頓力學(xué)為核心的經(jīng)典力學(xué)體系在學(xué)生心中根深蒂固，該部分內(nèi)容抽象且不易理解，概念復(fù)雜多樣，單純靠蒼白的描述性語言很難使學(xué)生進(jìn)行正確的原子結(jié)構(gòu)模型建構(gòu)并獲得認(rèn)知的發(fā)展。通過虛擬平臺對玻爾模型進(jìn)行動態(tài)可視化表征見表3，可以充分?jǐn)U展學(xué)生的認(rèn)知空間，從而將不可見、不可感的定態(tài)假設(shè)、能級躍遷以及軌道量子化等變得可見可感，從而深化學(xué)生對該部分的認(rèn)識。

（1）調(diào)節(jié)譜系n=1、2、3、4、5，模擬處于不同軌道中氫原子中的電子繞核運動過程;定性體會電子繞核的運動是穩(wěn)定的圓周運動，電子軌道半徑的分立性、不連續(xù)性，強(qiáng)化對定態(tài)以及軌道量子化的認(rèn)知。

（2）調(diào)節(jié)光子能量，點擊光線使其照射原子，觀察電子躍遷現(xiàn)象如圖6：對不同光子照射電子是否發(fā)生躍遷這一現(xiàn)象的歸納和總結(jié)，得到電子躍遷的頻率條件，從定性與定量角度加深對電子躍遷的概念認(rèn)知。

面對玻爾理論無法解釋的多電子原子光譜，在闡述經(jīng)典理論的局限性的基礎(chǔ)上，借助于虛擬平臺可視化表征不同狀態(tài)下的電子云，如圖7：明確電子并非具有確定的坐標(biāo)和精確的運動軌跡，而是用其在不同范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率表示，從而建立對量子力學(xué)的初步認(rèn)知。

4 ?虛擬仿真輔助教學(xué)使思維可教成為可能

現(xiàn)實性的教學(xué)是一種通過描述性的思維活動來理解和解釋物理現(xiàn)象獲得物理規(guī)律的過程，虛擬平臺可以使原本在思維空間中進(jìn)行的抽象的思維過程變得可觀可感，使這種描述性活動轉(zhuǎn)向一種具有創(chuàng)造性的建構(gòu)活動，思維和行為一樣變成一種具體化、程序化過程，為學(xué)生復(fù)雜與高階思維的培養(yǎng)搭建臺階，使得思維可教成為可能。此外，學(xué)生通過對各種事物進(jìn)行可能與不可能的再組合，在自主探索中構(gòu)造出新項目，發(fā)揮思維的創(chuàng)造性功能;也可以借助循序漸進(jìn)的操作情境對所獲得信息進(jìn)行概括、解釋、分析、推理與評估，進(jìn)而澄清概念，促進(jìn)思考，最終實現(xiàn)批判性思維的發(fā)展。

例如：彈簧振子運動為一維運動，學(xué)生的空間想象能力與科學(xué)抽象能力尚不完善，對其運動過程中位置變化缺少感性認(rèn)識，，因此直接建構(gòu)彈簧振子的位移—時間圖像存在一定的思維障礙，教材中通過頻閃照相、照相機(jī)連拍、攝像機(jī)攝像逐幀觀察的方式來描述小球不同時刻位置，這樣的操作與處理需要耗費大量的時間，在課堂教學(xué)中喧賓奪主，而且得到的圖像只能定性觀察無法進(jìn)行定量分析。

虛擬平臺運用于該內(nèi)容教學(xué)中，通過視覺暫留將時間軸展開，在形象觀察中明確小球在不同時刻所處的位置;可以搭建思維橋梁，直觀呈現(xiàn)彈簧振子的各種波形，在分析推理中認(rèn)識簡諧運動的特點，可以融定性與定量探究于一體;通過便利的參數(shù)調(diào)節(jié)，在循序漸進(jìn)的建構(gòu)中控制變量展開科學(xué)論證。

如圖8，首先通過虛擬平臺呈現(xiàn)水平方向和豎直方向上彈簧振子運動過程，建構(gòu)“彈簧振子”的理想化模型，描述簡諧運動的概念即“在平衡位置做往復(fù)運動”;其次觀察不同時刻小球位置，通過時間延展對水平和豎直方向的運動軌跡進(jìn)行“描點”，初步建構(gòu)“簡諧運動”的實物模型;其次，通過對實物進(jìn)行抽象，對其運動圖像進(jìn)行科學(xué)推理，連點成線得到簡諧運動的s-t圖像，初步理解簡諧振動的周期性以及對稱性特征;在此基礎(chǔ)上提出問題：物體做簡諧運動時振幅大小是否影響其振動周期？利用虛擬平臺開展科學(xué)論證，把小球從平衡位置向下拉不同距離，保持振幅不同，放手讓其運動，用停表測出鋼球完成n個全振動所用的時間t，得到振動的周期，通過定量探究驗證簡諧運動的振動周期與其振幅大小無關(guān)。在虛擬平臺輔助模型建構(gòu)、科學(xué)推理與科學(xué)論證的過程中簡諧運動概念得以生成，圖像得以呈現(xiàn)，特點得以明晰。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國教育部. 教育信息化2.0行動計劃[EB/OL].[2018-06-10].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425334188.html .

[2] 吳巖.建設(shè)中國“金課”[J].中國大學(xué)教學(xué)，2018（12）：4-9.

[3] 曹義才.素養(yǎng)為本的物理教學(xué)設(shè)計“六化”策略[J].湖南中學(xué)物理，2019，34（11）：21-23.