張 躍 范鴻飛

(首都師范大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100048)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)初中“直流電動(dòng)機(jī)”的教學(xué)突破

張 躍 范鴻飛

(首都師范大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100048)

本文以“直流電動(dòng)機(jī)”的教學(xué)難點(diǎn)為切入點(diǎn),結(jié)合先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展課堂教學(xué),深入剖析學(xué)生的認(rèn)識(shí)思維,提出教師有效教學(xué)的策略,以期與同仁共同探討,提升教學(xué)質(zhì)量.

虛擬現(xiàn)實(shí);科學(xué)探究;直流電動(dòng)機(jī)

1 問(wèn)題的提出

“直流電動(dòng)機(jī)”是初中物理“磁現(xiàn)象”一章第6節(jié)的內(nèi)容,學(xué)生在學(xué)習(xí)“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用”的基礎(chǔ)上,將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際.電動(dòng)機(jī)是工業(yè)自動(dòng)化和電器設(shè)備中最基本也是最重要的部件之一,洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電冰箱、各種金屬加工機(jī)床等都使用了電動(dòng)機(jī).故本節(jié)在知識(shí)與技能方面要求學(xué)生了解直流電動(dòng)機(jī)的主要構(gòu)造和原理,同時(shí)在教學(xué)中要體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)的思想,了解物理知識(shí)對(duì)解決問(wèn)題的重要作用.傳統(tǒng)的教學(xué)中,本節(jié)的重點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的工作原理,教師在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)實(shí)驗(yàn)、多媒體課件等方式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)(單個(gè))通電線圈在磁場(chǎng)中受力進(jìn)行分析,從而掌握電動(dòng)機(jī)的工作原理及能量轉(zhuǎn)化,但對(duì)實(shí)際應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)往往一句話帶過(guò)或作為學(xué)生的課下閱讀,在教學(xué)中缺乏探究活動(dòng),而這部分內(nèi)容恰是最貼近學(xué)生日常生活及學(xué)生迫切想要了解的.筆者認(rèn)為,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有以下兩點(diǎn).(1) 教學(xué)素材匱乏,無(wú)法幫助學(xué)生建立充足的感性認(rèn)識(shí).教學(xué)過(guò)程中僅通過(guò)圖片、實(shí)物模型或視頻教學(xué)資源,無(wú)法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性,學(xué)生思維活動(dòng)少,感性認(rèn)識(shí)不足.(2) 教師理論聯(lián)系實(shí)際意識(shí)不夠強(qiáng)烈.受限于學(xué)時(shí)安排及考點(diǎn)分布,以及并未看到其背后對(duì)學(xué)生思維活動(dòng)發(fā)展的重要作用,忽略該部分教學(xué).基于以上教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,筆者嘗試運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成這部分教學(xué),以供同仁參考.

2 運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)突破

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興的現(xiàn)代教育手段,為課程實(shí)踐改革提供了無(wú)限可能,通過(guò)創(chuàng)設(shè)各種擬真的學(xué)習(xí)環(huán)境,為學(xué)習(xí)者帶來(lái)豐富的感官刺激和交互體驗(yàn),“可以在一個(gè)學(xué)習(xí)者的最近發(fā)展區(qū)中提供模型、高級(jí)思維的機(jī)會(huì)和對(duì)元認(rèn)識(shí)的引導(dǎo)”.[1]同時(shí)以其沉浸性、交互性和想象性的特征,[2]將學(xué)生置于虛擬的環(huán)境中,通過(guò)人機(jī)互動(dòng)及同伴合作的方式,增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)和發(fā)展思維.筆者利用桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備zSpace300實(shí)現(xiàn)對(duì)該部分教學(xué)的突破.

2.1 化靜為動(dòng),充分建立學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)

圖1 北師大版教材中模型展示

傳統(tǒng)教材中對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)展示如圖1所示,僅展示了電動(dòng)機(jī)部分部件的名稱(chēng),雖加以文字?jǐn)⑹?但學(xué)生對(duì)各部件及其作用缺乏認(rèn)識(shí).而采用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備展示其構(gòu)造如圖2所示,2～3名學(xué)生共享一臺(tái)機(jī)器,對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行觀察,電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,學(xué)生可以對(duì)其各個(gè)部位進(jìn)行“標(biāo)簽”,了解每個(gè)部件的名稱(chēng),還可以利用手持筆對(duì)其進(jìn)行拆解(如圖3所示),深度觀察每個(gè)部件的結(jié)構(gòu)及思考和討論其作用,之后教師適度總結(jié)每個(gè)部件的功能及作用.同時(shí),通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,教師引導(dǎo)學(xué)生觀察電動(dòng)機(jī)哪些部件是轉(zhuǎn)動(dòng)的,哪些部件是固定不動(dòng)的,從而鼓勵(lì)學(xué)生總結(jié)出電動(dòng)機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成,并發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子是由線圈與換向器構(gòu)成,定子是由電磁鐵與電刷構(gòu)成.整個(gè)探究活動(dòng)以學(xué)生為主體,學(xué)生參與感強(qiáng)烈,思維活動(dòng)充分、深入,教師僅需在適當(dāng)時(shí)機(jī)加以引導(dǎo)和總結(jié),比起傳統(tǒng)的講授式及利用圖片進(jìn)行教學(xué),虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備以其逼真的情景,更貼近生活實(shí)際,通過(guò)動(dòng)手動(dòng)腦的方式,使學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)更充足,理解更深入.

圖2 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中模型展示

2.2 故障排查,高效促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展

以前沿科技無(wú)人機(jī)送快遞的話題為切入點(diǎn),提出直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用實(shí)例——無(wú)人機(jī)(四軸飛行器),利用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備創(chuàng)設(shè)兩個(gè)四軸飛行器的電路故障情境,幫助學(xué)生發(fā)散思維,加深對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用.

情境1.電路中某一電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)(圖4右下電動(dòng)機(jī)),學(xué)生觀察現(xiàn)象并分析其故障原因.學(xué)生可以通過(guò)人機(jī)互動(dòng)的方式,點(diǎn)擊進(jìn)入每個(gè)部件內(nèi)部,觀察其內(nèi)部構(gòu)造,并進(jìn)行拆解、組裝等操作,同時(shí)可以進(jìn)行同伴間的及時(shí)交流與分享.在教學(xué)過(guò)程中,筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在進(jìn)行故障排查的過(guò)程中,方法多樣,是非常寶貴的教學(xué)生成資源,獨(dú)具研究?jī)r(jià)值.

圖4 電路中1個(gè)不轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

學(xué)生方法1:學(xué)生首先打開(kāi)一個(gè)完好的電動(dòng)機(jī),對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行觀察,之后再點(diǎn)擊不轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行觀察,通過(guò)“找不同”的方法,迅速發(fā)現(xiàn)電路故障原因即為不轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)中缺一塊磁鐵(如圖5所示).

點(diǎn)評(píng):利用該類(lèi)方法進(jìn)行分析的學(xué)生,其思維起點(diǎn)是電動(dòng)機(jī),同時(shí),該類(lèi)學(xué)生具有強(qiáng)烈的觀察比較意識(shí),在遇到新情境時(shí),首先通過(guò)對(duì)比的方法找到問(wèn)題解決的突破口,這與平時(shí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)比思想的滲透密不可分.

學(xué)生方法2:學(xué)生首先判斷該電路一定是通路,若電路是斷路,則不可能出現(xiàn)僅有一個(gè)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況.接下來(lái),學(xué)生按照電流(即圖5中的白點(diǎn)是動(dòng)態(tài)的,表示電流)流過(guò)的部件的順序進(jìn)行排查,判斷出故障電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電刷、換向器、線圈均是完好的,將故障范圍縮小,接下來(lái)重點(diǎn)觀察磁鐵、軸承等部件,最終發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)故障原因是缺一塊磁鐵.

點(diǎn)評(píng):利用該類(lèi)方法進(jìn)行分析的學(xué)生,其思維起點(diǎn)是電路,從電路的現(xiàn)象出發(fā),同時(shí)具有利用排除法的思想,在遇到新情境時(shí),直面問(wèn)題,利用已有知識(shí)進(jìn)行分析排查,找到問(wèn)題解決的方法.

學(xué)生方法3:學(xué)生首先進(jìn)入故障電動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行觀察,之后在“工具箱”中找到全部新部件,并一一裝卸,最終發(fā)現(xiàn)裝上一塊磁鐵后,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)了起來(lái),找到了故障原因.

點(diǎn)評(píng):利用該類(lèi)方法進(jìn)行分析的學(xué)生,其思維起點(diǎn)是電動(dòng)機(jī),雖探究活動(dòng)中的思維活動(dòng)相對(duì)較少,但教師也應(yīng)對(duì)其進(jìn)行鼓勵(lì),在沒(méi)有其他思路的情況下,該方法通過(guò)逐個(gè)順次重裝的方法也體現(xiàn)出學(xué)生迫切想解決問(wèn)題的愿望及執(zhí)著努力的態(tài)度.

綜上,相同情境、相同現(xiàn)象,不同學(xué)生分析問(wèn)題的角度和方法卻是千差萬(wàn)別,這其中就體現(xiàn)出學(xué)生之間探究能力和思維水平的差異.利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將這些差異毫無(wú)保留地呈現(xiàn)在教師面前,這是在傳統(tǒng)教學(xué)中很難發(fā)掘的寶貴資源,也是教師在課下值得不斷去思考和深入研究的問(wèn)題.同時(shí)依托虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),通過(guò)強(qiáng)烈的參與感來(lái)激發(fā)學(xué)生分析與思考,通過(guò)課堂中不同方法的及時(shí)分享,學(xué)生的思維能力得以提升.

圖6 電路中兩個(gè)不轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

情境2.電路中有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)(圖6右邊兩個(gè)電動(dòng)機(jī)),學(xué)生觀察現(xiàn)象并分析其故障原因.

分析1:基于情境1的體驗(yàn)與分析,學(xué)生對(duì)情境2迅速提出了合理猜想:可能是右側(cè)電路發(fā)生了斷路,多組學(xué)生通過(guò)對(duì)比(完好開(kāi)關(guān)與故障開(kāi)關(guān)內(nèi)部對(duì)比圖，見(jiàn)圖7),發(fā)現(xiàn)是開(kāi)關(guān)內(nèi)部接觸不良.按鈕式開(kāi)關(guān)在日常生活中隨處可見(jiàn),傳統(tǒng)的教學(xué)資源很難向?qū)W生提供深入開(kāi)關(guān)內(nèi)部去觀察和動(dòng)手操作的機(jī)會(huì),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)向?qū)W生提供了很好的動(dòng)手動(dòng)腦的平臺(tái),讓學(xué)生有機(jī)會(huì)去深入觀察和探索,真正體現(xiàn)物理學(xué)源于生活而高于生活的理念.

圖7 故障開(kāi)關(guān)內(nèi)部構(gòu)造

分析2:將故障開(kāi)關(guān)“修理”好后,發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)依然不轉(zhuǎn),迅速燃起學(xué)生的進(jìn)一步探究熱情,多組學(xué)生采用電流流向的方法對(duì)右邊電路中的兩個(gè)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行排查,最終發(fā)現(xiàn)是圖6右下電動(dòng)機(jī)中的引線斷裂，如圖8.基于兩個(gè)情境中3個(gè)故障問(wèn)題的設(shè)置發(fā)散學(xué)生思維,最終使得學(xué)生故障排查的思路逐步清晰,掌握了一定的分析問(wèn)題的方法,思維能力得以提升.

3 教學(xué)反思

新技術(shù)的支持解決了紙上談兵的傳統(tǒng)模式下的弊端,為學(xué)生搭建了一個(gè)能將所學(xué)知識(shí)整合,應(yīng)用到實(shí)際問(wèn)題中并加以解決的平臺(tái)，改變了傳統(tǒng)教學(xué)培養(yǎng)出大量只會(huì)做題,而解決實(shí)際問(wèn)題能力低下的問(wèn)題.同時(shí),基于虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)的教學(xué)也讓筆者反思教師在教學(xué)中需樹(shù)立正確的教學(xué)觀.

3.1 合理整合資源,有效促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科,然而有很多物理實(shí)驗(yàn)和探究活動(dòng)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里很難完成的,新技術(shù)的發(fā)展在一定程度上彌補(bǔ)了這一不足.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的物理教學(xué),正是通過(guò)創(chuàng)設(shè)逼真的情境,高強(qiáng)度的參與感,促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理.有鑒于此,教師應(yīng)緊跟時(shí)代步伐,不斷學(xué)習(xí)新技術(shù),更新教學(xué)理念,將新技術(shù)與物理教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),為促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展而不斷努力.

3.2 積極拓寬視野,真正落實(shí)新課標(biāo)的教學(xué)理念

物理學(xué)是一門(mén)與生活息息相關(guān)的自然學(xué)科,新課程標(biāo)準(zhǔn)中提出重視從生活走向物理,從物理走向社會(huì)的教學(xué)理念.而在教學(xué)過(guò)程中,有些教師對(duì)其理解往往流于形式,認(rèn)為舉幾個(gè)應(yīng)用的例子就是落實(shí)新課標(biāo)理念,而忽略對(duì)事物的原理、“怎么用”以及“用在哪”的教學(xué),導(dǎo)致學(xué)生僅靠記憶,將有限的例子殘存腦海,并未將理論與實(shí)際真正地結(jié)合起來(lái).基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的物理教學(xué)通過(guò)擬真的情境,為學(xué)生提供深入觀察與開(kāi)放操作的機(jī)會(huì),幫助學(xué)生真正理解物理學(xué)的應(yīng)用價(jià)值.

3.3 明確教學(xué)核心,切實(shí)發(fā)展學(xué)生的探究能力

新課程標(biāo)準(zhǔn)中提出以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為基本理念,故教師教學(xué)設(shè)計(jì)的整體出發(fā)點(diǎn)應(yīng)為提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué),通過(guò)創(chuàng)設(shè)生活情境、有效問(wèn)題引導(dǎo)等方式促進(jìn)學(xué)生思考.學(xué)生通過(guò)自主探究與合作學(xué)習(xí)的方式,在積極主動(dòng)解決問(wèn)題的過(guò)程中激發(fā)原有知識(shí),通過(guò)理解、同化、遷移的方式運(yùn)用到新的知識(shí)中,將學(xué)生的活動(dòng)真正落實(shí)到思維活動(dòng)，從而有效發(fā)展學(xué)生的探究能力.

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2017-03-15)