利用虚拟现实技术实现初中“直流电动机”的教学突破

张 跃 范鸿飞

(首都师范大学附属中学，北京 100048)

利用虚拟现实技术实现初中“直流电动机”的教学突破

张 跃 范鸿飞

(首都师范大学附属中学，北京 100048)

本文以“直流电动机”的教学难点为切入点,结合先进的虚拟现实技术开展课堂教学,深入剖析学生的认识思维,提出教师有效教学的策略,以期与同仁共同探讨,提升教学质量.

虚拟现实;科学探究;直流电动机

1 问题的提出

“直流电动机”是初中物理“磁现象”一章第6节的内容,学生在学习“磁场对通电导体的作用”的基础上,将所学知识应用于实际.电动机是工业自动化和电器设备中最基本也是最重要的部件之一,洗衣机、电风扇、电冰箱、各种金属加工机床等都使用了电动机.故本节在知识与技能方面要求学生了解直流电动机的主要构造和原理,同时在教学中要体现科学、技术、社会的思想,了解物理知识对解决问题的重要作用.传统的教学中,本节的重点是电动机的工作原理,教师在教学过程中通过实验、多媒体课件等方式引导学生对(单个)通电线圈在磁场中受力进行分析,从而掌握电动机的工作原理及能量转化,但对实际应用的电动机往往一句话带过或作为学生的课下阅读,在教学中缺乏探究活动,而这部分内容恰是最贴近学生日常生活及学生迫切想要了解的.笔者认为,出现这一现象的原因有以下两点.(1) 教学素材匮乏,无法帮助学生建立充足的感性认识.教学过程中仅通过图片、实物模型或视频教学资源,无法充分调动学生参与的积极性,学生思维活动少,感性认识不足.(2) 教师理论联系实际意识不够强烈.受限于学时安排及考点分布,以及并未看到其背后对学生思维活动发展的重要作用,忽略该部分教学.基于以上教学中发现的问题,笔者尝试运用虚拟现实技术完成这部分教学,以供同仁参考.

2 运用虚拟现实技术实现教学突破

虚拟现实技术作为一种新兴的现代教育手段,为课程实践改革提供了无限可能,通过创设各种拟真的学习环境,为学习者带来丰富的感官刺激和交互体验,“可以在一个学习者的最近发展区中提供模型、高级思维的机会和对元认识的引导”.[1]同时以其沉浸性、交互性和想象性的特征,[2]将学生置于虚拟的环境中,通过人机互动及同伴合作的方式,增强感性认识和发展思维.笔者利用桌面式虚拟现实设备zSpace300实现对该部分教学的突破.

2.1 化静为动,充分建立学生的感性认识

图1 北师大版教材中模型展示

传统教材中对于实际应用的电动机展示如图1所示,仅展示了电动机部分部件的名称,虽加以文字叙述,但学生对各部件及其作用缺乏认识.而采用虚拟现实设备展示其构造如图2所示,2～3名学生共享一台机器,对直流电动机的内部构造进行观察,电动机在转动过程中,学生可以对其各个部位进行“标签”,了解每个部件的名称,还可以利用手持笔对其进行拆解(如图3所示),深度观察每个部件的结构及思考和讨论其作用,之后教师适度总结每个部件的功能及作用.同时,通过手动调节转速,教师引导学生观察电动机哪些部件是转动的,哪些部件是固定不动的,从而鼓励学生总结出电动机是由定子和转子构成,并发现转子是由线圈与换向器构成,定子是由电磁铁与电刷构成.整个探究活动以学生为主体,学生参与感强烈,思维活动充分、深入,教师仅需在适当时机加以引导和总结,比起传统的讲授式及利用图片进行教学,虚拟现实设备以其逼真的情景,更贴近生活实际,通过动手动脑的方式,使学生的感性认识更充足,理解更深入.

图2 虚拟现实设备中模型展示

2.2 故障排查,高效促进学生的思维发展

以前沿科技无人机送快递的话题为切入点,提出直流电动机的应用实例——无人机(四轴飞行器),利用虚拟现实设备创设两个四轴飞行器的电路故障情境,帮助学生发散思维,加深对知识的理解和应用.

情境1.电路中某一电动机不转动(图4右下电动机),学生观察现象并分析其故障原因.学生可以通过人机互动的方式,点击进入每个部件内部,观察其内部构造,并进行拆解、组装等操作,同时可以进行同伴间的及时交流与分享.在教学过程中,笔者发现学生在进行故障排查的过程中,方法多样,是非常宝贵的教学生成资源,独具研究价值.

图4 电路中1个不转动电动机

学生方法1:学生首先打开一个完好的电动机,对其内部进行观察,之后再点击不转动的电动机内部进行观察,通过“找不同”的方法,迅速发现电路故障原因即为不转动的电动机中缺一块磁铁(如图5所示).

点评:利用该类方法进行分析的学生,其思维起点是电动机,同时,该类学生具有强烈的观察比较意识,在遇到新情境时,首先通过对比的方法找到问题解决的突破口,这与平时在实验教学中对比思想的渗透密不可分.

学生方法2:学生首先判断该电路一定是通路,若电路是断路,则不可能出现仅有一个电动机不转动的情况.接下来,学生按照电流(即图5中的白点是动态的,表示电流)流过的部件的顺序进行排查,判断出故障电动机内部的电刷、换向器、线圈均是完好的,将故障范围缩小,接下来重点观察磁铁、轴承等部件,最终发现电动机故障原因是缺一块磁铁.

点评:利用该类方法进行分析的学生,其思维起点是电路,从电路的现象出发,同时具有利用排除法的思想,在遇到新情境时,直面问题,利用已有知识进行分析排查,找到问题解决的方法.

学生方法3:学生首先进入故障电动机内部进行观察,之后在“工具箱”中找到全部新部件,并一一装卸,最终发现装上一块磁铁后,电动机转动了起来,找到了故障原因.

点评:利用该类方法进行分析的学生,其思维起点是电动机,虽探究活动中的思维活动相对较少,但教师也应对其进行鼓励,在没有其他思路的情况下,该方法通过逐个顺次重装的方法也体现出学生迫切想解决问题的愿望及执着努力的态度.

综上,相同情境、相同现象,不同学生分析问题的角度和方法却是千差万别,这其中就体现出学生之间探究能力和思维水平的差异.利用虚拟现实技术将这些差异毫无保留地呈现在教师面前,这是在传统教学中很难发掘的宝贵资源,也是教师在课下值得不断去思考和深入研究的问题.同时依托虚拟现实技术,通过强烈的参与感来激发学生分析与思考,通过课堂中不同方法的及时分享,学生的思维能力得以提升.

图6 电路中两个不转动电动机

情境2.电路中有两个电动机不转动(图6右边两个电动机),学生观察现象并分析其故障原因.

分析1:基于情境1的体验与分析,学生对情境2迅速提出了合理猜想:可能是右侧电路发生了断路,多组学生通过对比(完好开关与故障开关内部对比图，见图7),发现是开关内部接触不良.按钮式开关在日常生活中随处可见,传统的教学资源很难向学生提供深入开关内部去观察和动手操作的机会,虚拟现实技术向学生提供了很好的动手动脑的平台,让学生有机会去深入观察和探索,真正体现物理学源于生活而高于生活的理念.

图7 故障开关内部构造

分析2:将故障开关“修理”好后,发现电动机依然不转,迅速燃起学生的进一步探究热情,多组学生采用电流流向的方法对右边电路中的两个电动机进行排查,最终发现是图6右下电动机中的引线断裂，如图8.基于两个情境中3个故障问题的设置发散学生思维,最终使得学生故障排查的思路逐步清晰,掌握了一定的分析问题的方法,思维能力得以提升.

3 教学反思

新技术的支持解决了纸上谈兵的传统模式下的弊端,为学生搭建了一个能将所学知识整合,应用到实际问题中并加以解决的平台，改变了传统教学培养出大量只会做题,而解决实际问题能力低下的问题.同时,基于虚拟现实的技术的教学也让笔者反思教师在教学中需树立正确的教学观.

3.1 合理整合资源,有效促进学生的思维发展

物理学是一门以实验为基础的自然学科,然而有很多物理实验和探究活动是传统实验室里很难完成的,新技术的发展在一定程度上弥补了这一不足.基于虚拟现实技术的物理教学,正是通过创设逼真的情境,高强度的参与感,促进学生动手动脑学物理.有鉴于此,教师应紧跟时代步伐,不断学习新技术,更新教学理念,将新技术与物理教学有机地结合起来,为促进学生思维发展而不断努力.

3.2 积极拓宽视野,真正落实新课标的教学理念

物理学是一门与生活息息相关的自然学科,新课程标准中提出重视从生活走向物理,从物理走向社会的教学理念.而在教学过程中,有些教师对其理解往往流于形式,认为举几个应用的例子就是落实新课标理念,而忽略对事物的原理、“怎么用”以及“用在哪”的教学,导致学生仅靠记忆,将有限的例子残存脑海,并未将理论与实际真正地结合起来.基于虚拟现实技术的物理教学通过拟真的情境,为学生提供深入观察与开放操作的机会,帮助学生真正理解物理学的应用价值.

3.3 明确教学核心,切实发展学生的探究能力

新课程标准中提出以提高学生科学素养为基本理念,故教师教学设计的整体出发点应为提升学生的科学素养.基于虚拟现实技术的教学,通过创设生活情境、有效问题引导等方式促进学生思考.学生通过自主探究与合作学习的方式,在积极主动解决问题的过程中激发原有知识,通过理解、同化、迁移的方式运用到新的知识中,将学生的活动真正落实到思维活动，从而有效发展学生的探究能力.

1 G Salomon,T Globerson,E Guterman.The computer as a zone of Proximal development:Internalizing reading-related metacognitions from a reading partner[J]. Journal of Educational Psychology,1989,81(4):620-627.

2 G C Burdea,P Coiffet.虚拟现实技术[M].第2版.北京:电子工业出版社,2005.

2017-03-15)