虚拟仿真应用于中学物理教学的价值探寻

杨永宏 杨晓梅

摘   要：虚拟仿真在物理教学中的应用可以使学习者的认知方式、思维方式、学习方式等发生巨大转变，从情境创设、知识建构、可视化表征、思维可教的角度分析虚拟软件在物理教学中的价值并佐以相关实例对其合理性进行说明。

关键词：虚拟仿真;物理教学;价值探寻

《教育信息化2.0行动计划》强调运用现代信息技术来促进教育改革与发展，培养适应未来信息化社会的人才[ 1 ]。2018年教育部工作会议，虚拟仿真被列为重点建设的五大类型“金课”之一，虚拟仿真实训被视为一种可以破解实验、实习、实训中“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”老大难问题的教育生产力和未来教育新形态[ 2 ]。物理是一门情境性、抽象性、逻辑性较强，理论性与实践性兼具的学科。虚拟仿真软件将信息技术与物理知识高度整合，以其逼真、准确、交互性强、可重复性高的特点，为延伸教育空间和时间，增强知识可视化水平，创新教学方式，改革教学模式提供了新的实践路径。本文试图对虚拟仿真技术在物理教学中的功用进行阐述，在此基础上，枚举具体教学案例对其合理性进行佐证。

1  虚拟仿真可弥补物理教学情境创设的缺失与不足

情境是连接生活世界和物理知识世界的桥梁，物理概念的建立、规律的探究、问题的解决都依赖于相关情境创设[ 3 ]。如图1所示，物理情境来源于真实的物理世界并作用于人的精神世界，由于学生缺乏实践体验或生活经验，相关情境无法在现实条件下进行创设或创设存在一定的困难。虚拟仿真平台依赖于其图文并茂、声像并举的特点，可以借助技术重塑教学空间，为学习创设丰富的情境，化静为动、化无形为有形，使得不易观察与体验的情境变得可观可感，学习者可以在虚拟环境支撑的学习情境中学习，产生对等现实情境的新体验。

例如：核裂变是微观领域的问题，由于其放射性危害学生无法具身体验这一反应过程。在学习该内容时，可通过二战时期美国突袭日本广岛与长崎的两枚原子弹如图2、图3所示，引入该话题，利用虚拟平台模拟两类原子弹爆炸过程从而创设情境，学生在感官体验中了解原子核的作用原理—重核裂变（表1），从而有效弥补该环节情境的缺失或视频播放中难以呈现细节的不足。

表 1  核裂变虚拟平台情境创设

2  虚拟仿真辅助教学可发挥主体能动性促进知识理解

虚拟平台的强交互性让学生可以在虚拟空间中不再是一名旁观者，而是作为一名现象模拟与知识生成的参与者，通过对虚拟世界中的对象进行移动、参数调节和状态设置，学习者可借助多感知通道与其进行自然、便捷的交互，并不断获得相关学习体验的反馈，在充分调动学习积极性、发挥主体能动性的基础上促进知识的主动建构与深度理解。虚拟界面不再是分隔主体与客体的屏障，而是成为两者实现互动的中介。学习者不再是知识的接受者，而是知识的主动探求者。

例如：静电感应是在外电场作用下导体内电荷重新分布的现象。该内容较抽象，教师通过演示让学生从微观角度认识物体感应起电的本质，有一定的难度。借助于虚拟平台模拟带绝缘座的金属箔导体、带正电的小球可直观演示电子转移，让学生自主完成如表2的操作，并通过平台反馈进一步分析该现象产生原因，从而促进对静电感应实质的理解。

表 2  静电感应虚拟平台互动操作

3  虚拟仿真可通过可视化表征促进认知发展

中学处于认知发展的关键期，虚拟空间中通过较强的感觉沉浸甚至意识沉浸，可以极大地拓展学习者的认识空间、丰富其认知的来源，扩大其认知范围。其次，虚拟世界作为对现实或非现实世界的可视化表征，为我们提供了一种获得间接认识的手段，通过将抽象的学习内容可视化和形象化，学习者在其中超越时空的限制，体验各种现实世界中无法体验或不易体验的世界。此外，借助于虚拟平台，可以实现定性与定量的综合集成，通过定性分析获得感性认知，通过定量表征获得理性认识，进而深化概念、产生新意和构想，

例如：玻尔创造性地将量子观念应用到对原子结构的解释中，提出了半量子、半经典的原子结构假说。然而以牛顿力学为核心的经典力学体系在学生心中根深蒂固，该部分内容抽象且不易理解，概念复杂多样，单纯靠苍白的描述性语言很难使学生进行正确的原子结构模型建构并获得认知的发展。通过虚拟平台对玻尔模型进行动态可视化表征见表3，可以充分扩展学生的认知空间，从而将不可见、不可感的定态假设、能级跃迁以及轨道量子化等变得可见可感，从而深化学生对该部分的认识。

（1）调节谱系n=1、2、3、4、5，模拟处于不同轨道中氢原子中的电子绕核运动过程;定性体会电子绕核的运动是稳定的圆周运动，电子轨道半径的分立性、不连续性，强化对定态以及轨道量子化的认知。

（2）调节光子能量，点击光线使其照射原子，观察电子跃迁现象如图6：对不同光子照射电子是否发生跃迁这一现象的归纳和总结，得到电子跃迁的频率条件，从定性与定量角度加深对电子跃迁的概念认知。

面对玻尔理论无法解释的多电子原子光谱，在阐述经典理论的局限性的基础上，借助于虚拟平台可视化表征不同状态下的电子云，如图7：明确电子并非具有确定的坐标和精确的运动轨迹，而是用其在不同范围内出现的概率表示，从而建立对量子力学的初步认知。

4  虚拟仿真辅助教学使思维可教成为可能

现实性的教学是一种通过描述性的思维活动来理解和解释物理现象获得物理规律的过程，虚拟平台可以使原本在思维空间中进行的抽象的思维过程变得可观可感，使这种描述性活动转向一种具有创造性的建构活动，思维和行为一样变成一种具体化、程序化过程，为学生复杂与高阶思维的培养搭建台阶，使得思维可教成为可能。此外，学生通过对各种事物进行可能与不可能的再组合，在自主探索中构造出新项目，发挥思维的创造性功能;也可以借助循序渐进的操作情境对所获得信息进行概括、解释、分析、推理与评估，进而澄清概念，促进思考，最终实现批判性思维的发展。

例如：弹簧振子运动为一维运动，学生的空间想象能力与科学抽象能力尚不完善，对其运动过程中位置变化缺少感性认识，，因此直接建构弹簧振子的位移—時间图像存在一定的思维障碍，教材中通过频闪照相、照相机连拍、摄像机摄像逐帧观察的方式来描述小球不同时刻位置，这样的操作与处理需要耗费大量的时间，在课堂教学中喧宾夺主，而且得到的图像只能定性观察无法进行定量分析。

虚拟平台运用于该内容教学中，通过视觉暂留将时间轴展开，在形象观察中明确小球在不同时刻所处的位置;可以搭建思维桥梁，直观呈现弹簧振子的各种波形，在分析推理中认识简谐运动的特点，可以融定性与定量探究于一体;通过便利的参数调节，在循序渐进的建构中控制变量展开科学论证。

如图8，首先通过虚拟平台呈现水平方向和竖直方向上弹簧振子运动过程，建构“弹簧振子”的理想化模型，描述简谐运动的概念即“在平衡位置做往复运动”;其次观察不同时刻小球位置，通过时间延展对水平和竖直方向的运动轨迹进行“描点”，初步建构“简谐运动”的实物模型;其次，通过对实物进行抽象，对其运动图像进行科学推理，连点成线得到简谐运动的s-t图像，初步理解简谐振动的周期性以及对称性特征;在此基础上提出问题：物体做简谐运动时振幅大小是否影响其振动周期？利用虚拟平台开展科学论证，把小球从平衡位置向下拉不同距离，保持振幅不同，放手让其运动，用停表测出钢球完成n个全振动所用的时间t，得到振动的周期，通过定量探究验证简谐运动的振动周期与其振幅大小无关。在虚拟平台辅助模型建构、科学推理与科学论证的过程中简谐运动概念得以生成，图像得以呈现，特点得以明晰。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部. 教育信息化2.0行动计划[EB/OL].[2018-06-10].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425334188.html .

[2] 吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：4-9.

[3] 曹义才.素养为本的物理教学设计“六化”策略[J].湖南中学物理，2019，34（11）：21-23.