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)實技術(shù)實現(xiàn)初中“直流電動機”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“直流電動機”的教學(xué)難點為切入點,結(jié)合先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展課堂教學(xué),深入剖析學(xué)生的認識思維,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;科學(xué)探究;直流電動機

1 問題的提出

“直流電動機”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)“磁場對通電導(dǎo)體的作用”的基礎(chǔ)上,將所學(xué)知識應(yīng)用于實際.電動機是工業(yè)自動化和電器設(shè)備中最基本也是最重要的部件之一,洗衣機、電風(fēng)扇、電冰箱、各種金屬加工機床等都使用了電動機.故本節(jié)在知識與技能方面要求學(xué)生了解直流電動機的主要構(gòu)造和原理,同時在教學(xué)中要體現(xiàn)科學(xué)、技術(shù)、社會的思想,了解物理知識對解決問題的重要作用.傳統(tǒng)的教學(xué)中,本節(jié)的重點是電動機的工作原理,教師在教學(xué)過程中通過實驗、多媒體課件等方式引導(dǎo)學(xué)生對(單個)通電線圈在磁場中受力進行分析,從而掌握電動機的工作原理及能量轉(zhuǎn)化,但對實際應(yīng)用的電動機往往一句話帶過或作為學(xué)生的課下閱讀,在教學(xué)中缺乏探究活動,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.筆者認為,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有以下兩點.(1) 教學(xué)素材匱乏,無法幫助學(xué)生建立充足的感性認識.教學(xué)過程中僅通過圖片、實物模型或視頻教學(xué)資源,無法充分調(diào)動學(xué)生參與的積極性,學(xué)生思維活動少,感性認識不足.(2) 教師理論聯(lián)系實際意識不夠強烈.受限于學(xué)時安排及考點分布,以及并未看到其背后對學(xué)生思維活動發(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)的問題,筆者嘗試運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)完成這部分教學(xué),以供同仁參考.

2 運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)突破

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種新興的現(xiàn)代教育手段,為課程實踐改革提供了無限可能,通過創(chuàng)設(shè)各種擬真的學(xué)習(xí)環(huán)境,為學(xué)習(xí)者帶來豐富的感官刺激和交互體驗,“可以在一個學(xué)習(xí)者的最近發(fā)展區(qū)中提供模型、高級思維的機會和對元認識的引導(dǎo)”.[1]同時以其沉浸性、交互性和想象性的特征,[2]將學(xué)生置于虛擬的環(huán)境中,通過人機互動及同伴合作的方式,增強感性認識和發(fā)展思維.筆者利用桌面式虛擬現(xiàn)實設(shè)備zSpace300實現(xiàn)對該部分教學(xué)的突破.

2.1 化靜為動,充分建立學(xué)生的感性認識

圖1 北師大版教材中模型展示

傳統(tǒng)教材中對于實際應(yīng)用的電動機展示如圖1所示,僅展示了電動機部分部件的名稱,雖加以文字敘述,但學(xué)生對各部件及其作用缺乏認識.而采用虛擬現(xiàn)實設(shè)備展示其構(gòu)造如圖2所示,2～3名學(xué)生共享一臺機器,對直流電動機的內(nèi)部構(gòu)造進行觀察,電動機在轉(zhuǎn)動過程中,學(xué)生可以對其各個部位進行“標(biāo)簽”,了解每個部件的名稱,還可以利用手持筆對其進行拆解(如圖3所示),深度觀察每個部件的結(jié)構(gòu)及思考和討論其作用,之后教師適度總結(jié)每個部件的功能及作用.同時,通過手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,教師引導(dǎo)學(xué)生觀察電動機哪些部件是轉(zhuǎn)動的,哪些部件是固定不動的,從而鼓勵學(xué)生總結(jié)出電動機是由定子和轉(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.整個探究活動以學(xué)生為主體,學(xué)生參與感強烈,思維活動充分、深入,教師僅需在適當(dāng)時機加以引導(dǎo)和總結(jié),比起傳統(tǒng)的講授式及利用圖片進行教學(xué),虛擬現(xiàn)實設(shè)備以其逼真的情景,更貼近生活實際,通過動手動腦的方式,使學(xué)生的感性認識更充足,理解更深入.

圖2 虛擬現(xiàn)實設(shè)備中模型展示

2.2 故障排查,高效促進學(xué)生的思維發(fā)展

以前沿科技無人機送快遞的話題為切入點,提出直流電動機的應(yīng)用實例——無人機(四軸飛行器),利用虛擬現(xiàn)實設(shè)備創(chuàng)設(shè)兩個四軸飛行器的電路故障情境,幫助學(xué)生發(fā)散思維,加深對知識的理解和應(yīng)用.

情境1.電路中某一電動機不轉(zhuǎn)動(圖4右下電動機),學(xué)生觀察現(xiàn)象并分析其故障原因.學(xué)生可以通過人機互動的方式,點擊進入每個部件內(nèi)部,觀察其內(nèi)部構(gòu)造,并進行拆解、組裝等操作,同時可以進行同伴間的及時交流與分享.在教學(xué)過程中,筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在進行故障排查的過程中,方法多樣,是非常寶貴的教學(xué)生成資源,獨具研究價值.

圖4 電路中1個不轉(zhuǎn)動電動機

學(xué)生方法1:學(xué)生首先打開一個完好的電動機,對其內(nèi)部進行觀察,之后再點擊不轉(zhuǎn)動的電動機內(nèi)部進行觀察,通過“找不同”的方法,迅速發(fā)現(xiàn)電路故障原因即為不轉(zhuǎn)動的電動機中缺一塊磁鐵(如圖5所示).

點評:利用該類方法進行分析的學(xué)生,其思維起點是電動機,同時,該類學(xué)生具有強烈的觀察比較意識,在遇到新情境時,首先通過對比的方法找到問題解決的突破口,這與平時在實驗教學(xué)中對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)僅有一個電動機不轉(zhuǎn)動的情況.接下來,學(xué)生按照電流(即圖5中的白點是動態(tài)的,表示電流)流過的部件的順序進行排查,判斷出故障電動機內(nèi)部的電刷、換向器、線圈均是完好的,將故障范圍縮小,接下來重點觀察磁鐵、軸承等部件,最終發(fā)現(xiàn)電動機故障原因是缺一塊磁鐵.

點評:利用該類方法進行分析的學(xué)生,其思維起點是電路,從電路的現(xiàn)象出發(fā),同時具有利用排除法的思想,在遇到新情境時,直面問題,利用已有知識進行分析排查,找到問題解決的方法.

學(xué)生方法3:學(xué)生首先進入故障電動機內(nèi)部進行觀察,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,電動機轉(zhuǎn)動了起來,找到了故障原因.

點評:利用該類方法進行分析的學(xué)生,其思維起點是電動機,雖探究活動中的思維活動相對較少,但教師也應(yīng)對其進行鼓勵,在沒有其他思路的情況下,該方法通過逐個順次重裝的方法也體現(xiàn)出學(xué)生迫切想解決問題的愿望及執(zhí)著努力的態(tài)度.

綜上,相同情境、相同現(xiàn)象,不同學(xué)生分析問題的角度和方法卻是千差萬別,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)實技術(shù)將這些差異毫無保留地呈現(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題.同時依托虛擬現(xiàn)實技術(shù),通過強烈的參與感來激發(fā)學(xué)生分析與思考,通過課堂中不同方法的及時分享,學(xué)生的思維能力得以提升.

圖6 電路中兩個不轉(zhuǎn)動電動機

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

分析1:基于情境1的體驗與分析,學(xué)生對情境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)生通過對比(完好開關(guān)與故障開關(guān)內(nèi)部對比圖，見圖7),發(fā)現(xiàn)是開關(guān)內(nèi)部接觸不良.按鈕式開關(guān)在日常生活中隨處可見,傳統(tǒng)的教學(xué)資源很難向?qū)W生提供深入開關(guān)內(nèi)部去觀察和動手操作的機會,虛擬現(xiàn)實技術(shù)向?qū)W生提供了很好的動手動腦的平臺,讓學(xué)生有機會去深入觀察和探索,真正體現(xiàn)物理學(xué)源于生活而高于生活的理念.

圖7 故障開關(guān)內(nèi)部構(gòu)造

分析2:將故障開關(guān)“修理”好后,發(fā)現(xiàn)電動機依然不轉(zhuǎn),迅速燃起學(xué)生的進一步探究熱情,多組學(xué)生采用電流流向的方法對右邊電路中的兩個電動機進行排查,最終發(fā)現(xiàn)是圖6右下電動機中的引線斷裂，如圖8.基于兩個情境中3個故障問題的設(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)生搭建了一個能將所學(xué)知識整合,應(yīng)用到實際問題中并加以解決的平臺，改變了傳統(tǒng)教學(xué)培養(yǎng)出大量只會做題,而解決實際問題能力低下的問題.同時,基于虛擬現(xiàn)實的技術(shù)的教學(xué)也讓筆者反思教師在教學(xué)中需樹立正確的教學(xué)觀.

3.1 合理整合資源,有效促進學(xué)生的思維發(fā)展

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科,然而有很多物理實驗和探究活動是傳統(tǒng)實驗室里很難完成的,新技術(shù)的發(fā)展在一定程度上彌補了這一不足.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的物理教學(xué),正是通過創(chuàng)設(shè)逼真的情境,高強度的參與感,促進學(xué)生動手動腦學(xué)物理.有鑒于此,教師應(yīng)緊跟時代步伐,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)有機地結(jié)合起來,為促進學(xué)生思維發(fā)展而不斷努力.

3.2 積極拓寬視野,真正落實新課標(biāo)的教學(xué)理念

物理學(xué)是一門與生活息息相關(guān)的自然學(xué)科,新課程標(biāo)準中提出重視從生活走向物理,從物理走向社會的教學(xué)理念.而在教學(xué)過程中,有些教師對其理解往往流于形式,認為舉幾個應(yīng)用的例子就是落實新課標(biāo)理念,而忽略對事物的原理、“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,并未將理論與實際真正地結(jié)合起來.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的物理教學(xué)通過擬真的情境,為學(xué)生提供深入觀察與開放操作的機會,幫助學(xué)生真正理解物理學(xué)的應(yīng)用價值.

3.3 明確教學(xué)核心,切實發(fā)展學(xué)生的探究能力

新課程標(biāo)準中提出以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為基本理念,故教師教學(xué)設(shè)計的整體出發(fā)點應(yīng)為提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué),通過創(chuàng)設(shè)生活情境、有效問題引導(dǎo)等方式促進學(xué)生思考.學(xué)生通過自主探究與合作學(xué)習(xí)的方式,在積極主動解決問題的過程中激發(fā)原有知識,通過理解、同化、遷移的方式運用到新的知識中,將學(xué)生的活動真正落實到思維活動，從而有效發(fā)展學(xué)生的探究能力.

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2017-03-15)