高嵩??孫巖松??蔡陽健

我國航天事業(yè)快速發(fā)展，學(xué)生對于航天知識越來越感興趣，但他們理解萬有引力定律及其衍生的物理學(xué)概念存在困難。教師開展仿真模擬游戲教學(xué)可將抽象問題形象化。筆者在智慧課堂環(huán)境下，以仿真模擬游戲坎巴拉太空計劃（Kerbal Space Program，以下簡稱KSP）為載體設(shè)計了項目教學(xué)方案，力求降低學(xué)生理解萬有引力定律的難度，激發(fā)他們學(xué)習(xí)物理的興趣。同時，借此探究項目式學(xué)習(xí)和仿真電子游戲融合的可行之策。

一、航天熱與《課標(biāo)》修訂催化游戲項目教學(xué)

近年來，我國祝融號火星探測器成功登陸火星，空間站實(shí)現(xiàn)宇航員在軌常駐，航天事業(yè)又上新臺階。社交媒體平臺上有很多學(xué)生用戶發(fā)表與火箭發(fā)射原理、空間站在軌運(yùn)行條件相關(guān)的評論或意見。這些問題都與萬有引力定律密切相關(guān)。目前，教師常以二維視圖演示（模擬）天體運(yùn)動（如圖1）。這樣教學(xué)難以使所有學(xué)生身臨其境，不利于他們構(gòu)建物理模型。加之萬有引力定律較為抽象，教師對學(xué)生能否獨(dú)立自主解決問題存在顧慮，使學(xué)生的主體性發(fā)揮得不夠充分。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標(biāo)》）強(qiáng)調(diào)，課程要具有時代性，要有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，對應(yīng)的教學(xué)方式也應(yīng)盡可能多樣化。同時，物理學(xué)科核心素養(yǎng)對學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究提出了明確的能力要求，學(xué)生應(yīng)具備建構(gòu)模型、科學(xué)推理與熟悉探究問題流程的學(xué)習(xí)能力^[1]?！墩n標(biāo)》提出新觀念，促使教師更新教學(xué)設(shè)計以適應(yīng)新要求。設(shè)計制作新課件或使用新的教學(xué)工具是落實(shí)《課標(biāo)》要求的途徑之一。

在教育信息化不斷推進(jìn)的大背景下，信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合，電子教育游戲、教育軟件對傳統(tǒng)課堂的改造產(chǎn)生了明顯的效果：仿真模擬游戲讓學(xué)生擁有更好的視覺體驗(yàn)^[2]，使學(xué)生更好地進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)?？舶屠沼媱澥且豢罡叨确抡婺M游戲，場景逼真有趣，需要玩家有一定的物理學(xué)知識。有學(xué)者在研究運(yùn)用KSP對適齡學(xué)生進(jìn)行萬有引力定律等天體物理學(xué)的教學(xué)時，設(shè)計教學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證KSP是否對學(xué)生學(xué)習(xí)具有正向效果。該實(shí)驗(yàn)表明，KSP能夠提高學(xué)生應(yīng)用萬有引力定律的能力^[3]。教師可用KSP開展萬有引力定律教學(xué)。

教師根據(jù)《課標(biāo)》（課程設(shè)計）要求和學(xué)科核心素養(yǎng)指向，可借助KSP對萬有引力定律教學(xué)進(jìn)行內(nèi)容和方法上的創(chuàng)新。這樣，教師可以克服手工作圖（二維）的局限，實(shí)施項目式教學(xué)，降低學(xué)生理解萬有引力定律及其衍生的物理概念的難度，讓學(xué)生更好地應(yīng)用萬有引力定律，提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)和解決問題的能力。

二、坎巴拉太空計劃仿真模擬游戲寓教于樂

坎巴拉太空計劃是墨西哥Squad游戲公司于2015年開發(fā)的高度仿真航天模擬類沙盒型游戲。玩家置身以地球?yàn)樵偷腒erbin星球，以航天中心為原點(diǎn)，開啟航天探索歷程。在游戲中，玩家可以隨心所欲地建造專屬航天器，在游戲中遨游太空，探索天體。

為了高度仿真，游戲空間被設(shè)計得與現(xiàn)實(shí)世界高度相似，航天器的制作和操控及航行也能逼真地呈現(xiàn)。游戲中，玩家需要根據(jù)物理規(guī)律發(fā)射用于探索Kerbin星球和Kerbin星球以外星球的探測器。玩家根據(jù)游戲中虛擬天體的質(zhì)量、半徑、周期、引力作用半徑等相關(guān)信息，運(yùn)用萬有引力定律和開普勒行星運(yùn)動定律以及齊奧爾科夫斯基公式，設(shè)計航天器的飛行軌道，分析運(yùn)載火箭能力。圖2所示為KSP中航天器的制作界面，在此界面中，玩家可以模擬執(zhí)行衛(wèi)星和火箭的組裝、測試等任務(wù)。

與真實(shí)情況相似，火箭發(fā)射后，游戲界面顯示航天器運(yùn)行周期、海拔高度、軌道高度、大氣壓強(qiáng)、航天器速度、遠(yuǎn)點(diǎn)半徑、近點(diǎn)半徑、軌道半徑、軌道夾角等相關(guān)參數(shù)，玩家可以實(shí)時掌控天體運(yùn)行狀態(tài)，并由此作出判斷和調(diào)整。玩家只有正確設(shè)置所有的運(yùn)行參數(shù)才能完成任務(wù)，否則火箭或衛(wèi)星會“爆炸”或“墜毀”。

教師利用KSP可以設(shè)置游戲情境并將其與萬有引力定律教學(xué)相融合，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)軟件在仿真模擬和模型建構(gòu)方面的不足，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。筆者認(rèn)為，依托KSP設(shè)計萬有引力定律及其衍生定律相關(guān)課程是完全可行的。

三、教學(xué)案例

（一）設(shè)計思路

萬有引力定律及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用知識，涉及物理量多，情境復(fù)雜，很多初學(xué)者感覺這部分知識散亂、復(fù)雜，難以運(yùn)用知識構(gòu)建模型。萬有引力定律一直是教學(xué)難點(diǎn)。項目式學(xué)習(xí)對學(xué)生探究工程問題有顯著的促進(jìn)作用^[4]。此外，協(xié)作探究和強(qiáng)交互的交流方式能夠被智慧課堂的體系所支撐^[5]。筆者就是以智慧課堂為平臺，以項目式學(xué)習(xí)為主要教學(xué)模式，以發(fā)射飛行器遨游宇宙為任務(wù)目標(biāo)，以KSP為主要教學(xué)工具和內(nèi)容表達(dá)載體，開設(shè)萬有引力定律知識應(yīng)用課程。學(xué)生在參與項目活動，加深對萬有引力定律與宇宙航行知識理解的同時，他們的科學(xué)思維得到訓(xùn)練，物理學(xué)科核心素養(yǎng)得到提升。

學(xué)生的學(xué)習(xí)往往受制于自身的知識水平和學(xué)習(xí)條件，隨著學(xué)習(xí)進(jìn)程的推進(jìn)，問題被逐個解決^[6]。筆者在設(shè)定學(xué)習(xí)項目時，遵循學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，層層遞進(jìn)地設(shè)置任務(wù)的難度和知識深度（如圖3）。任務(wù)一的難度設(shè)置在低階水平，目的是要讓學(xué)生了解項目內(nèi)容以及KSP操作方法并為任務(wù)二和任務(wù)三的執(zhí)行打基礎(chǔ)。任務(wù)二的難度為中階水平，學(xué)生要通過此項目活動對前節(jié)課學(xué)的萬有引力定律進(jìn)行復(fù)習(xí)并初步應(yīng)用，了解與天體運(yùn)動相關(guān)的物理建模過程，探究衛(wèi)星變軌中的物理規(guī)律，進(jìn)一步理解和應(yīng)用萬有引力定律。筆者設(shè)計任務(wù)三旨在延伸和提高，在高階難度下對學(xué)生應(yīng)用萬有引力定律提出更高要求，讓學(xué)生通過應(yīng)用萬有引力公式推導(dǎo)所需的物理量，如天體的軌道半徑、角速度、周期等。

如何開展教學(xué)活動？筆者依托智慧課堂系統(tǒng)，從教師端向?qū)W生端發(fā)送任務(wù)，讓學(xué)生在學(xué)生端接收任務(wù)進(jìn)行KSP的操作（如圖4）。在此模式下，教師可以清楚地實(shí)時查詢學(xué)生的操作情況，并進(jìn)行診斷。學(xué)生也可以根據(jù)KSP任務(wù)的完成情況評估自己的學(xué)習(xí)成果?；诖?，筆者設(shè)置了三個微觀的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)：課前收集我國近年取得的相關(guān)航天成果（如神舟系列發(fā)射、嫦娥系列發(fā)射），讓學(xué)生學(xué)習(xí)KSP的基本操作方法，嘗試模擬發(fā)射火箭并撰寫發(fā)射報告;課上讓學(xué)生交流課前學(xué)習(xí)成果，在項目式學(xué)習(xí)情境中模擬發(fā)射衛(wèi)星，理解和應(yīng)用萬有引力定律;課后延續(xù)項目任務(wù)，讓學(xué)生在KSP中完成進(jìn)階任務(wù)，深化理解萬有引力概念。最后，筆者對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行診斷評價。

（二）“如何發(fā)射人造衛(wèi)星”教學(xué)過程

1.課前

筆者在課前創(chuàng)設(shè)一個虛擬的任務(wù)情境，模擬現(xiàn)實(shí)世界中的招標(biāo)投標(biāo)，將一個班的學(xué)生分配成數(shù)個“研究小組”。“研究小組”由學(xué)生自由組建，成員推舉產(chǎn)生本組的“總設(shè)計師”（組長）和“成果匯報員”（小組匯報員）。教師向?qū)W生發(fā)布項目任務(wù)，在活動中提供指導(dǎo)和答疑服務(wù)。學(xué)生“小組”根據(jù)項目要求完成課前課中和課后任務(wù)。項目任務(wù)包括：①搜集近一段時間中國航天取得系列成就的資料，如嫦娥探月工程以及神舟十二號、神舟十三號的資料等;②了解KSP的操作流程;③在KSP中嘗試發(fā)射運(yùn)載火箭。

說明：教師創(chuàng)設(shè)新的學(xué)習(xí)情境有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在項目式學(xué)習(xí)環(huán)境下，產(chǎn)生積極的情緒，提高學(xué)習(xí)效率^[7]。課前筆者讓學(xué)生搜集有關(guān)航天資料，在未學(xué)習(xí)專門知識的情況下，嘗試通過KSP進(jìn)行火箭發(fā)射并撰寫任務(wù)報告，目的是讓學(xué)生建立有關(guān)航天和宇宙航行的前概念^[8]。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)之前認(rèn)為火箭的組裝如同搭積木，火箭的發(fā)射就是點(diǎn)火后自動發(fā)射不需要監(jiān)控。其實(shí)，學(xué)生在KSP中操作時，如果不理解萬有引力定律，模擬發(fā)射火箭的成功概率是很低的。真實(shí)的火箭發(fā)射并不像學(xué)生原本認(rèn)知的那樣簡單。認(rèn)知沖突有利于正式課程的引入和教學(xué)。同時，學(xué)生在KSP中觀察到是高度仿真模擬的過程，有助于他們建構(gòu)物理模型，降低了他們理解相關(guān)知識的難度。

2.課中

（1）回顧已有知識，通過情境引出話題。

筆者展示學(xué)生的課前任務(wù)報告，并結(jié)合萬有引力定律和圓周運(yùn)動等相關(guān)知識進(jìn)行解釋，組織學(xué)生研討。在明確項目總體任務(wù)后，筆者講解執(zhí)行該任務(wù)的技巧和邏輯，提出將衛(wèi)星發(fā)射至外太空圍繞母星做圓周運(yùn)動的任務(wù)。學(xué)生要從萬有引力提供向心力的思路入手，分析衛(wèi)星需克服發(fā)射時所在星球的引力，進(jìn)入環(huán)繞中心天體做圓周運(yùn)動軌道的條件，即需要計算臨界速度。

說明：為學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，有助于學(xué)生構(gòu)建簡單而恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?。回顧知識，為接下來的任務(wù)做好理論上的準(zhǔn)備，這符合進(jìn)階學(xué)習(xí)的教學(xué)流程。

（2）創(chuàng)設(shè)情境任務(wù)，理論聯(lián)系實(shí)際展開實(shí)際操作。

任務(wù)一：發(fā)射一枚裝載人造衛(wèi)星的運(yùn)載火箭并使之進(jìn)入環(huán)繞Kerbin軌道。

思路：學(xué)生要理解“進(jìn)入軌道”的含義，即需要發(fā)射一顆近Kerbin表面飛行的衛(wèi)星。學(xué)生分析萬有引力提供向心力 ，以及將Kerbin的天體半徑作為衛(wèi)星的運(yùn)行半徑的近似條件，從KSP中的“追蹤站”中獲取Kerbin的半徑、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，使衛(wèi)星具有環(huán)繞Kerbin運(yùn)動速度。學(xué)生根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，在KSP中挑選合適的運(yùn)載火箭和衛(wèi)星，接著發(fā)射并觀察衛(wèi)星的運(yùn)動情況（如圖5）。

任務(wù)二：衛(wèi)星變軌。

思路：學(xué)生分析得知，要使衛(wèi)星克服Kerbin的引力束縛，升入更高的軌道，應(yīng)滿足??????????????????，從而推導(dǎo)出從低軌道變換為高軌道是做離心運(yùn)動，衛(wèi)星必須加速運(yùn)動才能進(jìn)入高軌道。反之，衛(wèi)星若減速，則會從高軌道變換為低軌道，做向心運(yùn)動。

任務(wù)三：提交發(fā)射Kerbin同步軌道衛(wèi)星的計劃。

思路：“研究小組”在接到任務(wù)后，需要先行查找資料了解什么是同步軌道衛(wèi)星，再探究將衛(wèi)星發(fā)射至Kerbin同步軌道的條件，獲取同步軌道衛(wèi)星所要達(dá)到的軌道高度參數(shù)，最后在游戲界面中完成發(fā)射Kerbin同步軌道衛(wèi)星的任務(wù)。由于發(fā)射Kerbin同步衛(wèi)星需要進(jìn)行變軌操作，所以學(xué)生完成任務(wù)三前需要有任務(wù)二的知識基礎(chǔ)。

說明：對于初始任務(wù)，筆者沒有使用現(xiàn)實(shí)世界中的天體數(shù)據(jù)，而是使用KSP游戲中的虛擬天體數(shù)據(jù)，是希望學(xué)生從0開始構(gòu)建完整的物理模型而不受現(xiàn)實(shí)問題影響。學(xué)生承擔(dān)任務(wù)的難度是遞進(jìn)的，隨著任務(wù)的推進(jìn)，難度也會逐漸增加，這也是一個進(jìn)階的過程。參數(shù)由游戲系統(tǒng)獨(dú)立決定，學(xué)生不能通過查找現(xiàn)成資料得出結(jié)論，必須動手操作和計算，這樣可以保證學(xué)生學(xué)習(xí)的有效性。同時，教師借助KSP仿真模擬天體之間的相互作用和視覺效果，降低了學(xué)生構(gòu)建物理模型的難度，也降低了學(xué)生理解萬有引力定律及其衍生的物理概念的難度。

（3）交流任務(wù)成果，總結(jié)物理規(guī)律。

筆者帶領(lǐng)學(xué)生回顧任務(wù)一、二、三，將原先運(yùn)用的KSP中的數(shù)據(jù)換為地球等太陽系星體的數(shù)據(jù)。在完成游戲訓(xùn)練后，學(xué)生再次進(jìn)行推理計算，得出第一宇宙速度等于7.9 km/s，繼續(xù)探究第二宇宙速度（克服地球引力場進(jìn)入太陽環(huán)繞軌道的速度）和第三宇宙速度（克服太陽引力場飛出太陽系的速度）。至此，本項目主要任務(wù)完成，學(xué)生自行總結(jié)得失。

最后，筆者在課程結(jié)尾回顧我國航天發(fā)展歷程與課程任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生共鳴，讓他們理解我國航天事業(yè)發(fā)展的艱辛和不易，建立正確的歷史觀和價值觀。

說明：學(xué)生通過任務(wù)一、二、三的執(zhí)行，完成了對三個宇宙速度的理解、對穩(wěn)定運(yùn)行及變軌等物理模型的建構(gòu)，并通過游戲場景將理論與現(xiàn)實(shí)結(jié)合在一起。游戲平臺對學(xué)生的推理、判斷和運(yùn)算能力給出實(shí)時反饋，這極大改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有效調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)一步降低了學(xué)生理解知識的難度。課程后期，筆者將物理知識與我國航空航天事業(yè)結(jié)合，讓學(xué)生從KSP中體會航空航天事業(yè)發(fā)展對人類發(fā)展的意義，對STSE（科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境）關(guān)系有更深層次理解。整節(jié)課，學(xué)生都投入了極大的熱情，積極提高自身能力。

（三）課后項目與評價

筆者借助KSP布置課后任務(wù)讓學(xué)生鞏固知識：發(fā)射一艘能夠從Kerbin出發(fā)到達(dá)Mum星球（Kerbin的衛(wèi)星）的宇宙飛船（此過程類比于飛船從地球到月球的過程），拍攝Mum的照片，完成相應(yīng)的研究報告，做好下堂課上交流的準(zhǔn)備。

說明：本任務(wù)與課上的任務(wù)有聯(lián)系也有區(qū)別，課后活動有助于學(xué)生遷移應(yīng)用知識。此外，游戲相對獨(dú)立且支持多樣化體驗(yàn)，這避免了傳統(tǒng)模式下學(xué)生抄作業(yè)或搜答案的問題。

四、總結(jié)與展望

此案例教學(xué)特點(diǎn)如下。

其一，學(xué)習(xí)情境生動且與中學(xué)教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)，反饋及時，學(xué)生能融入情境游戲中，學(xué)習(xí)效率大大提升。

其二，教師以工程項目任務(wù)的形式給學(xué)生布置任務(wù)，有利于學(xué)生從整體上分析物理問題，理解科學(xué)原理與工程的聯(lián)系。

其三，教師利用智慧課堂體系的技術(shù)優(yōu)勢彌補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂中師生交互、教學(xué)內(nèi)容展示、個性化教學(xué)等方面的不足，將教學(xué)進(jìn)程延向課前和課后。師生溝通更加便捷，極大地提升了教學(xué)效率。

學(xué)生在項目式學(xué)習(xí)的過程中，不但要根據(jù)要求和系統(tǒng)給定條件進(jìn)行建模、推理、運(yùn)算，還要時刻觀察火箭和衛(wèi)星飛行的參數(shù)并及時調(diào)整，更需要不斷與伙伴溝通，向他人展示自己的成果。項目式學(xué)習(xí)能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高科學(xué)探究和科學(xué)思維能力。項目式學(xué)習(xí)與仿真模擬游戲深度融合后，操作性和直觀性得以加強(qiáng)。學(xué)生參與探究式的工程仿真游戲活動有利于提升他們的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。智慧課堂與項目式學(xué)習(xí)融合是一個有前景的教學(xué)方向。具有教育意義的仿真游戲會越來越多地用于教學(xué)。

注：本文系2020年教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項目“基于國家物理虛擬仿真實(shí)平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐”?（項目編號：DJZW202019hd）、山東省研究生教育質(zhì)量提升計劃立項建設(shè)項目（項目編號：SDYJD17064）和山東省基礎(chǔ)教育教學(xué)改革項目“基于微視頻的高中物理情境化教學(xué)改進(jìn)的實(shí)踐研究”（課題編號：3702061）的研究成果。

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（作者高嵩系山東師范大學(xué)副教授;孫巖松系山東師范大學(xué)研究生;蔡陽健系山東師范大學(xué)教授）