郑珂　李新晖

摘  要 以建构主义、具身认知和做中学理论为指导，构建基于VR的初中物理实验教学案例，以101实验室为平台搭建虚拟仿真实验系统，实现基于VR的初中物理实验教学。

关键词 VR;VR+教育;初中物理;虚拟仿真实验;仿真实验平台;核心素养;PBL教学模式;STEAM

中图分类号：G633.7    文献标识码：B

文章編号：1671-489X（2020）15-0111-04

1 引言

物理是一门以实验为基础的自然科学，物理实验在课程中占据重要地位。随着教育规模逐渐扩大，传统实验设备以及实验教学环境等相关设施的维护需要持续投入人力、物力和财力。因此，以传统实验为主的教学模式存在的不足愈加明显。随着信息化技术的发展，基于VR的虚拟仿真实验教学能够有效弥补传统实验教学的缺点，优化实验教学资源。本文以建构主义、具身认知和做中学理论为指导，利用基于VR的101仿真实验平台作为技术支撑，从而构建初中物理实验教学案例，探索解决传统物理实验教学成本高、危险性高、实验时空受限等问题，提高学生的理论知识学习和实验操作技能。

2 VR+教育的理论基础

VR系统具有第一人称体验、自然语义、具身化、自主性和沉浸感等特征，提供多个维度的沉浸、交互与认知，能够激发学习动机、增强学习体验、实现情境学习和促进学习迁移。

建构主义理论  人的知识建构主要来源于个人的实际体验，进行教学则是让学习者利用环境提供的学习资源和学习工具，建立认识和理解的过程。学习者在学习中不仅仅要对现成理论进行理解与记忆，还要将已有知识和新知识建立连接，深入理解新知识所明确指向的具体问题，判断和分析这些结论的合理性，形成自己的知识体系。情境、会话、协商和意义建构既是建构主义的四个要素，也是虚拟教学充分体现出的具体内容。

具身认知理论  人类的认知不是只有大脑来控制，而是具身的。一方面，人类身体的感受是影响自身的认知过程的，人类的大脑在控制身体，这不是单向的系统，身体的感受反过来也会影响大脑的认知;另一方面，认知也需要环境，人们的身体与环境进行信息交流，此时身体的各个感官同样在发出信息并相互融合，这将导致人的认知过程发生改变。所以，认知、身体和环境实际上是一个动态的统一体，信息存在于大脑中，也存在于环境中，信息的融合可促进学习者获得认知。[1]

“做中学”理论  传统教育方法注重知识教育，忽视实践教育，导致学生的学习是机械的。杜威的“做中学”理论强调：学生所有的学习都是行动的副产品，教师可通过“做”来引导学生思考并获得知识[2]。把杜威的“做中学”理论应用到教学领域的各个方面，为虚拟现实教学提供了坚实的理论基础。在实验教学中，教师可以通过实验让学生动手做，掌握科学的实验原理和方法，进而对学生的认知结构进行重新改造。

3 虚拟仿真实验的优势与特征

拓展实验教学的内容和空间  在物理教学过程中运用虚拟仿真实验，可从内容和空间两个方面提高实验教学的效度。一方面，虚拟仿真（VR）技术可以完成传统实验中难以完成的、费用昂贵的以及带有危险的实验，能够解决一些院校物理实验室设备或仪器缺乏的问题;另一方面，传统教学只是局限在一维的物理空间，而VR技术可以拓展为物理空间和虚拟空间融合的二维空间，教师无须考虑移动实验设备，可以灵活组织实验教学。这种虚实结合的学习方式有利于学习者的探究式学习和体验式学习。

借助虚拟现实技术创设仿真情境  VR技术能够创设仿真情境，让学习者产生沉浸感，并带来更加直观的视觉冲击。将VR技术用于物理实验教学，能够让学生从体验与探究中建立基本的概念，更加扎实地掌握实验内容，深化探究，为真实的实验积累经验[3]。学生可以从情境中发现和提炼问题，对问题的可能答案做出假设，然后进行探究。对于那些能够在课程中开展的实验内容，运用VR技术能够提高实验的趣味性。

降低试错成本，提升教学效率  VR技术支持下的仿真实验平台在物理实验教学中可以让学生进行大胆尝试，体验生活中难以实现的情境，找到真理和错误之间的差别与联系，更好地掌握实验原理和内容。这种实验教学能够激发学生的积极性，而且VR技术实验趣味性更高，可有效提高实验教学的质量与效率。此外，学生在使用VR技术学习实验时不会因为看不到实验现象而注意力分散。另外，VR技术还能帮助学生及时解决实验中遇到的难题，学生可以通过平台上的指引和提示来获取答案，也为教师提供了很大的便利。

4 初中物理虚拟仿真实验教学案例

101实验室平台介绍  101实验室融合了强大的3D、AI技术，并以独创的仿真实验引擎高度还原逼真的实验现象与过程，是教师和学生开展实验教学的工具和助手。其中包含物理、化学、生物、小学科学实验，适用于初中、高中阶段，一站式满足K12阶段所有的实验需求。物理实验涵盖电、力、光、热、磁和声学等实验模块，学生可自主选择实验仪器完成实验[4]。101实验室主界面如图1所示。

初中物理实验案例设计  本文以“探究通电螺线管外部的磁场分布”“探究并联电路中干路电流与各支路电流的关系”两个案例，结合物理学科核心素养的新要求进行教学设计。

1）“探究通电螺线管外部的磁场分布”案例设计。

①设计目标：提高学生的科学素养，解决学生探究实践能力。初中物理课程标准（2014版）对通电螺线管外部的磁场分布相关内容要求表述为：“通过实验，了解电流周围存在磁场。探究并了解通电螺线管外部磁场的方向。”

②设计思路。通过创设虚拟仿真场景，让学生初步了解电流周围存在磁场，通过观察，了解电流方向和通电螺线管磁极的关系，进而通过闭合开关、改变电源的正负极探究通电螺线管外部的磁场情况，结合右手螺旋定则判断通电螺线管磁极性质跟电流方向的关系，最终达到实验目的。

③实验过程见表1。

④实验总结与反思。本案例采用PBL教学模式，教师首先让学生基于提出的问题自主进行实验操作;然后创设情境，让学生去观察、体验和思考，对学生在实验中遇到的问题进行解答，让学生从中发现自己实验的问题所在，进而改正;最后带领学生进行实验总结反思，更好地理解实验步骤和原理。创设真实的学习情境，可以有效地实施PBL教学模式，能有效促进学习者构建知识，培养高阶思维能力[5]。与传统的物理实验课相比，虚拟仿真实验能够让学生对实验更感兴趣，所呈现的内容更直观、形象，学生更容易接受和理解，重难点更加突出，从而让学生对这一实验更加清晰明了。

2）“探究并联电路中干路电流与各支路电流的关系”案例设计。

①设计目标：通过“做中学”，体验“问题、证据、解释和交流”的科学探究过程。

②设计思路。使用VR技术创设情境，事先准备好相关电子元器件，电流表、电压表、灯泡、开关、连接线等，让学生自己设计线路，通过实验发现和提炼问题。学生对欧姆定律有一定的了解，会连接简单的串联电路和并联电路，知道串联电路中电路的特点。在此基础上，让学生深入地掌握并联电路中支路和干路电流的关系。在传统的物理电学实验中，学生经常出现连接错误而导致电表或灯泡烧毁的情况;而在仿真实验中，系统给学生提供了试错的地方，学生可以利用虚拟真实情境选择合适的实验装置进行实验，获取客观、真实的数据，通过分析数据形成关于物理规律的结论。

③教学过程见表2。

④教学反思。本案例在讲授新课部分采用“提出问题—进行假设—验证假设—得出结论”的教学方法，以问题为索引，层层探究、得出结论。整个过程贯穿“做中学”的教育思想，体现新课标中提出的“问题、证据、解释和交流”的科学探究过程。电流是看不到、摸不着的东西，在课堂中使用虚拟仿真实验技术，一方面可以节省学校实验经费，降低危险事故的发生概率;另一方面可以让学生在实验平台上反复试错，产生沉浸感，给学生带来更加直观的视觉冲击，以便更好地理解实验原理和内容。在物理课堂中融入VR技术符合STEAM教育理念，运用跨学科的知识和方法解决实际问题，学生通过做中学，提升科学精神和创新实践能力，实现全面发展[6]。

5 总结

基于“互联网+”、AR与VR等新技术的中学物理实验教学模式，可脱离以往中学物理实验效果差、实验条件不足的困境，通过真实实验环境的构建，提高中学生物理自主实验意识及能力[7]。初中物理实验是物理教学的主要内容之一，在中考中占据重要地位。本文主要是以101虚拟仿真实验室为实验平台，选取初中物理实验中的电学和磁学实验作为实验案例，进而进行分析与研究，为将101实验室应用到今后的中学物理教学中进行探索，提高学生的学业成绩，增强学生的动手动脑能力，培养学生的科学态度和学习兴趣。由于笔者理论水平和教学设计水平有限，还有很多问题值得进一步探讨，希望能在今后的学习中不断提升。

参考文献

[1]吴艳.基于具身认知理論的高职院校大学英语阅读教学模式探究[J].英语广场，2020（01）：78-79.

[2]熊秀娟.初中物理电学实验教学策略与案例设计[D].江西：赣南师范大学，2018.

[3]杨鹏飞.基于VR技术的电子实验仿真平台探索与设计[J].电脑知识与技术，2017（31）：240-241.

[4]严炜，杨晓梅.虚拟实验室在中学物理教学中的应用[J].物理教学探讨，2019（07）：70-72.

[5]张屹，陈珍，白清，等.基于移动终端的PBL教学对小学生元认知能力的影响研究：以小学科学课程“地球的运动”为例[J].中国电化教育，2017（07）：79-87.

[6]李克东，李颖.STEM教育跨学科学习活动5EX设计模型[J].电化教育研究，2019 （04）：5-13.

[7]孙伯旺.基于互联网+，AR/VR的中学物理实验教学的研究[J].名师在线，2019（27）：6-7.

作者：郑珂，佛山科学技术学院人文与教育学院;李新晖，佛山科学技术学院人文与教育学院，副教授，硕士生导师（528000）。