李 冬

上海市曹楊第二中學(xué)附屬學(xué)校 上海 200062

一、研究背景

隨著時代的發(fā)展，特別是《義務(wù)教育地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》（以下簡稱“2022 年版新課程標(biāo)準(zhǔn)”）頒布，地理課堂教學(xué)逐步從“為知識而教”朝著“為知識和能力而教”的方向發(fā)展，即注重如何通過培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力，培育他們的核心素養(yǎng)。然而，在實際的課堂教學(xué)中，部分教育工作者未能意識到創(chuàng)新教學(xué)方法的重要性，也未能充分利用實踐教學(xué)資源或設(shè)計適宜的教學(xué)情境，導(dǎo)致課堂教學(xué)未能達到理想的育人效果。此外，地理學(xué)科涉及的事物和現(xiàn)象往往具有宏觀性，超出了學(xué)生的視覺感知范圍，初中生在以形象思維認識這些地理事物和現(xiàn)象時往往存在一定難度［1］。為此，2022 年版新課程標(biāo)準(zhǔn)就明確指出，將現(xiàn)代信息技術(shù)與地理教學(xué)充分融合，創(chuàng)設(shè)多樣化的學(xué)習(xí)情境，設(shè)計多層次的學(xué)習(xí)任務(wù)，使學(xué)生深度參與地理學(xué)習(xí)活動［2］。

虛擬仿真實驗技術(shù)就是這樣一種信息技術(shù)與教育教學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，它依托虛擬現(xiàn)實環(huán)境，將人機交互、網(wǎng)絡(luò)多媒體、數(shù)據(jù)分析等多種技術(shù)相融合，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗現(xiàn)象場景，幫助學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行實驗，以達到相應(yīng)的教學(xué)效果。在地理學(xué)科的教學(xué)中，這項技術(shù)能夠全面且生動地構(gòu)建并展現(xiàn)地理事物和現(xiàn)象的多維空間特征，進而有助于培養(yǎng)學(xué)生的地理空間能力，有助于發(fā)展學(xué)生的地理空間轉(zhuǎn)換思維，促進地理深度教學(xué)的實施。然而，在當(dāng)前地理教學(xué)中對于虛擬仿真實驗技術(shù)運用于深度教學(xué)的研究很少，教師很少進行虛擬仿真實驗教學(xué)模式和教學(xué)設(shè)計案例的研究，在深度教學(xué)中運用虛擬仿真實驗的案例更是少之又少。經(jīng)由中國知網(wǎng)平臺查詢可知，地理學(xué)科運用虛擬仿真實驗開展教學(xué)案例有38篇，且多數(shù)集中在高校和高中階段，義務(wù)教育階段相關(guān)論文案例僅有3 篇，而運用虛擬實驗技術(shù)開展深度教學(xué)的研究更是未見。

為此，本文以六年級第二學(xué)期“海陸的變遷”一課為例，嘗試基于虛擬仿真實驗技術(shù)的應(yīng)用開展深度教學(xué)活動，從而更好地在課堂教學(xué)中培育學(xué)生的綜合思維。

二、概念界定

（一）PhET 虛擬仿真實驗技術(shù)

虛擬仿真實驗是基于課程標(biāo)準(zhǔn)的新型教學(xué)工具，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建高度逼真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生通過模擬性實驗活動來獲取知識和提高能力［3］。運用PhET這項新興工具，學(xué)生得以運用視覺、聽覺、觸覺等感官，觀察并與虛擬實驗環(huán)境中的元素互動，由此引發(fā)沉浸式的體驗。

PhET 是Physics Education Technology 的簡稱，即物理教育技術(shù)。2002 年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者卡爾·威曼（Carl Wieman）發(fā)起了該項目，并由科羅拉多大學(xué)進行制作和運營。這項技術(shù)的目標(biāo)是通過開放的仿真程序，提升全球公民的科學(xué)素養(yǎng)。PhET 網(wǎng)站公布了所有互動仿真程序，均采用公共授權(quán)，無須付費或特別授權(quán)即可免費下載學(xué)習(xí)和在線使用［4］。這些仿真實驗特點鮮明，包括緊密聯(lián)系實際情境，可視化微觀現(xiàn)象，簡化事實以促進理解，多樣化概念表征方式，可控制的多個變量，圖表展示變量間的定量關(guān)系，具有多種定量測量工具［5］。本案例使用的PhET“板塊構(gòu)造論”項目資源包括以下內(nèi)容（表1）。

（二）深度教學(xué)

深度教學(xué)涉及以下步驟：首先，教師創(chuàng)造一定的活動背景，引導(dǎo)學(xué)生從表面知識符號的學(xué)習(xí)，深入探索知識內(nèi)在邏輯和意義層面。通過挖掘深層次的知識內(nèi)涵，讓學(xué)生真正地在學(xué)習(xí)過程中實現(xiàn)專業(yè)知識與技能的增長、個人成長與發(fā)展。深度教學(xué)的目標(biāo)即通過學(xué)科知識的教學(xué)，培育學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力。

深度教學(xué)的課堂往往與真實情境緊密關(guān)聯(lián)。這是由于虛假或不真實的情境是無法充分激發(fā)學(xué)生獲取信息、發(fā)現(xiàn)問題的意愿的。他們在與一系列僵化的問題互動時，難以充分調(diào)用深層次的比較、論證、推理等較為高階的科學(xué)思維。深度教學(xué)的課堂中，將知識和原理融入具體生動的情境，通過構(gòu)建真實情境，能讓學(xué)生在實際情境中尋找證據(jù)，進行綜合分析并解決問題［6］。此外，真實的情境能有效喚醒學(xué)生的興趣和情感參與?；诖说纳疃冉虒W(xué)能夠拉近課本與學(xué)生之間的距離。而本文所使用的PhET 虛擬仿真實驗技術(shù)運用強大的建模技術(shù)和模型渲染技術(shù)使虛擬地理環(huán)境仿真化，通過動態(tài)演示地理事物和現(xiàn)象變化的過程，呈現(xiàn)出學(xué)生難以直接通過想象形成的畫面［7］，模擬真實的地理學(xué)習(xí)情境，拉近了平面教材內(nèi)容與學(xué)生綜合認知之間的距離，促使初中學(xué)生將具體感知與抽象思維相結(jié)合，獲得對地理事物和現(xiàn)象的抽象認知，實現(xiàn)課堂深度教學(xué)。深度教學(xué)特征如圖1 所示。

圖1 深度教學(xué)特征

三、虛擬仿真實驗應(yīng)用設(shè)計案例

“海陸的變遷”是六年級《地理（下冊）》第二章“陸地和海洋”的重要課程內(nèi)容。本節(jié)課涉及的初中地理課程標(biāo)準(zhǔn)要求為：結(jié)合實例，說明海洋和陸地處于不斷地運動變化之中；說出板塊構(gòu)造學(xué)說的基本觀點，并解釋世界火山、地震帶的分布與板塊運動的關(guān)系［8］。通過學(xué)習(xí)第一章“地球和地圖”的內(nèi)容，學(xué)生已經(jīng)基本了解地球的形狀和大小。在學(xué)習(xí)完“全球海陸分布”后，學(xué)生也對地球表面的海陸大致分布狀況有了一定的認識。這些先驗知識將作為本課的重要基礎(chǔ)。六年級學(xué)生的心理發(fā)展特點與知識水平可能在一定程度上限制了他們對于板塊構(gòu)造學(xué)說的理解能力，因而如何解釋火山地震帶的分布與板塊運動之間的關(guān)系便成為本節(jié)課的難點問題。于是，筆者就以“解釋火山地震帶的分布與板塊運動的關(guān)系”這一知識內(nèi)容為例，應(yīng)用PhET 虛擬仿真實驗技術(shù)實施了“探究板塊交界處發(fā)生的現(xiàn)象”實驗，并由此開展深度教學(xué)活動。

（一）實驗內(nèi)容分析

在教授“大陸漂移說”的基礎(chǔ)上，教師運用視頻和教材圖片簡單介紹了“板塊學(xué)說”理論，用地圖顯示了六大板塊，并且指出某些大的地形單元的形成與板塊運動有關(guān)。隨后，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過讀圖發(fā)現(xiàn)在板塊的交界處有些是大陸與大陸的碰撞擠壓，有些又可能是大陸與大洋的碰撞擠壓。由此學(xué)生形成猜想：板塊交界處地殼較不穩(wěn)定，火山地震活動頻繁，總結(jié)出世界火山和地震帶的分布與板塊運動密切相關(guān)。

然而，涉及這一現(xiàn)象的實驗教學(xué)存在明顯的不足。比如，某教材設(shè)計的實驗步驟主要是：通過對燒杯水加熱，觀察熱對流現(xiàn)象，理解板塊的相互運動。另一教材設(shè)計的實驗為：引導(dǎo)學(xué)生利用地理課本和地圖冊模擬板塊間的擠壓和張裂運動，進而思考板塊運動與地形之間的關(guān)系。這些模擬實驗借助替代物，用這種方式只能大致解釋說明板塊運動和火山、地震帶形成的關(guān)系，與真實的運動狀態(tài)相差較大，不利于學(xué)生真正認識理解世界火山、地震帶的分布與板塊運動有關(guān)。這樣的實驗活動設(shè)計并不科學(xué)，也不嚴謹。因此，很多教師往往采用播放視頻或講解圖片的方式來教授這一知識，不利于學(xué)生全面地觀察、分析和認識地理現(xiàn)象，也不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，因而對于培育學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)易產(chǎn)生負面效應(yīng)。為突破這一教學(xué)難點，基于深度教學(xué)的特征，教師應(yīng)用PhET 虛擬仿真實驗技術(shù)使抽象的地理事物和現(xiàn)象具象化，其創(chuàng)設(shè)的虛擬仿真地理環(huán)境有利于學(xué)生沉浸其中，進行深度學(xué)習(xí)。

（二）實驗?zāi)康?/h3>

一是運用虛擬仿真實驗技術(shù)，學(xué)生初步感知不同類型板塊邊界之間張裂或擠壓的運動過程，知道板塊運動變化的特點。

二是學(xué)生在操作虛擬仿真實驗的過程中，深入感知板塊邊界之間張裂或擠壓的運動現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)象得出相對應(yīng)的特征描述。

三是根據(jù)虛擬仿真實驗的現(xiàn)象，學(xué)生分析板塊交界處地殼的特征，歸納得出海洋和陸地處于不斷運動變化之中，進而解釋世界火山、地震帶的分布與板塊運動的關(guān)系。

（三）實驗環(huán)境

實驗要求在網(wǎng)絡(luò)多媒體教室環(huán)境中進行，由教師提前將“板塊構(gòu)造論”的虛擬仿真實驗資源發(fā)送給學(xué)生。

（四）實驗流程

1.應(yīng)用PhET 軟件動態(tài)演示板塊交界處擠壓碰撞現(xiàn)象

問題探究：通過讀圖，發(fā)現(xiàn)在板塊的交界處，有些是大陸與大陸的碰撞擠壓，有些又可能是大陸與大洋的碰撞擠壓。那么，在板塊交界處究竟會發(fā)生怎樣的現(xiàn)象呢？

實驗步驟：

（1）打開PhET 軟件中的“板塊構(gòu)造論”項目后，先選擇“板塊運動”項。

（2）在軟件界面右下角選擇“大陸地殼”或是“海洋地殼”。比如，想探究大陸板塊和大陸板塊的擠壓碰撞，那就選擇兩個大陸板塊。為了獲得更多的信息，可以在“查看”欄里勾選“兩者都”“顯示標(biāo)示”“顯示海水”等，進行板塊構(gòu)造模擬實驗，如圖2 所示。

圖2 板塊構(gòu)造模擬試驗截圖

（3）程序界面中的箭頭代表板塊運動的方向。按住箭頭，板塊就開始運動起來。放開箭頭，板塊就停止運動。這是“手動模式”。在界面左上角還可以點選切換“自動模式”，同樣可以選擇板塊的運動方向。點擊“開始”按鈕，板塊就開始運動了，還可以選擇加速或是減速，演示兩個大陸板塊發(fā)生擠壓碰撞的過程，如圖3 所示。

圖3 兩個大陸板塊發(fā)生擠壓碰撞的過程演示

思考與討論：是否掌握了PhET 虛擬仿真實驗的使用方法？通過教師的演示，發(fā)現(xiàn)兩塊大陸板塊碰撞擠壓交界處究竟會發(fā)生怎樣的現(xiàn)象呢？

設(shè)計意圖：通過教師演示虛擬仿真實驗，動態(tài)模擬展現(xiàn)大陸與大陸的碰撞擠壓形成山脈的過程，使抽象的地理現(xiàn)象具體化，幫助學(xué)生初步觀察到板塊交界處發(fā)生的現(xiàn)象。同時，教師在操作過程中幫助學(xué)生初步掌握了軟件的操作方法和觀察方法，為學(xué)生下一步獨立運用軟件開展深度學(xué)習(xí)探究提供了支架。

2.學(xué)生運用PhET 模擬不同類型板塊邊界運動并完成學(xué)習(xí)單

問題探究：不同類型板塊之間的碰撞擠壓、張裂拉伸會產(chǎn)生怎樣的地形變化呢？這是否說明此處地殼穩(wěn)定？

實驗步驟：

（1）教師出示“海陸的變遷”學(xué)習(xí)單（圖4）。

圖4 “海陸的變遷”學(xué)習(xí)單

（2）教師指導(dǎo)學(xué)生獨立運用PhET 虛擬仿真實驗程序開展探究活動，并根據(jù)觀察到的結(jié)果“勾選”現(xiàn)象。通過模擬實驗探究板塊運動，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)，大陸板塊之間發(fā)生擠壓碰撞會形成山脈；大陸板塊和大洋板塊碰撞擠壓形成山脈、海溝；大洋板塊和大洋板塊張裂拉伸形成海洋、大洋中脊；大陸板塊和大陸板塊張裂拉伸形成海洋、大洋中脊（圖5）。

圖5 探究板塊運動

（3）根據(jù)觀察到的現(xiàn)象，學(xué)生初步分析板塊交界處地殼的穩(wěn)定狀況，并把結(jié)果填入學(xué)習(xí)單中。學(xué)生通過模擬真實情境，通過自己操作、觀察、分析，發(fā)現(xiàn)不同板塊交界處的地殼不穩(wěn)定。

思考討論：通過PhET 模擬不同類型板塊之間的碰撞擠壓、張裂拉伸現(xiàn)象，學(xué)生是否可以歸納出不同板塊交界處往往會形成怎樣的地形變化？這樣的變化能否說明地殼穩(wěn)定？

注意事項：學(xué)生操作PhET 虛擬仿真實驗軟件完成探究的過程中，教師安排學(xué)生以兩人一組的形式模擬真實情境后，完成觀察、分析、討論、歸納并填表。

設(shè)計目的：在該環(huán)節(jié)，教師請學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)單的指導(dǎo)，自主進行操作學(xué)習(xí)。運用技術(shù)模擬真實情境，激發(fā)學(xué)生在仿真情境中開展預(yù)測結(jié)果、模擬循證、假設(shè)推理、分析解釋的綜合探究活動，進而培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力和解決問題的能力，實現(xiàn)了地理學(xué)科深度學(xué)習(xí)。學(xué)生通過操作不同板塊間碰撞擠壓、張裂拉伸的過程，發(fā)現(xiàn)板塊運動形成了山脈、海洋、海溝、大洋中脊等不同地形單元，從而根據(jù)現(xiàn)象分析出了板塊與板塊交界處地殼不穩(wěn)定，為下一步歸納不同板塊交界處多火山和地震的特點做了鋪墊。

3.根據(jù)虛擬仿真實驗的現(xiàn)象分析解釋世界火山、地震帶的分布與板塊運動的關(guān)系

問題探究：根據(jù)地圖中地震和火山的位置來判斷，它們主要分布在板塊的內(nèi)部還是板塊的交界處？能否運用板塊構(gòu)造學(xué)說來解釋？

實驗步驟：

（1）請學(xué)生打開地圖冊，看世界六大板塊及火山地震帶的圖。教師請學(xué)生關(guān)注圖例部分，說一說藍色的小圓點在這張圖上代表了什么（參考答案：地震點位，8 級及以上地震），紅色的梯形又代表什么（參考答案：主要的活火山）。

（2）世界六大板塊及火山地震帶主要分布在板塊的內(nèi)部還是板塊的交界處？（參考答案：板塊的交界處）全球有兩大火山地震帶，它們分別是黃色的地中?！柴R拉雅火山地震帶和橙色的環(huán)太平洋火山地震帶。歸納得出：在板塊的交界處，火山、地震活動頻繁；而在板塊的內(nèi)部，則相對穩(wěn)定。

思考討論：2023 年2 月6 日，土耳其發(fā)生7.8 級地震，造成眾多傷亡。能運用板塊構(gòu)造學(xué)說的知識來解釋土耳其地震嗎？

設(shè)計意圖：在虛擬仿真實驗技術(shù)支持下，學(xué)生通過深度學(xué)習(xí)，了解了板塊學(xué)說理論，知道了板塊交界處地殼活動較活躍。隨后，教師通過案例，讓學(xué)生運用他們所學(xué)的板塊運動知識來分析和解決問題，再次鞏固他們對板塊構(gòu)造學(xué)說的基本觀點的理解，也為進一步說明海洋和陸地處于不斷運動變化之中做了很好的鋪墊，促進學(xué)生從淺層學(xué)習(xí)向深度學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。

四、結(jié)語

從以上的教學(xué)過程來看，在地理教學(xué)中引入PhET 虛擬仿真實驗技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，實現(xiàn)了技術(shù)融合教學(xué)的教學(xué)新范式。通過實驗，學(xué)生有機會自己發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并在模擬真實情境的互動探究中提高學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)從“以教為主”到“以學(xué)為主”，再到“學(xué)教互動”理念的轉(zhuǎn)變，促使學(xué)生將具體感知與抽象思維相結(jié)合，獲得對地理事物和現(xiàn)象的抽象認知，從而實現(xiàn)地理深度教學(xué)的目標(biāo)。其獨特優(yōu)勢主要有三點。

（一）PhET 虛擬仿真實驗有利于實現(xiàn)抽象問題具體化

PhET 是一種動態(tài)環(huán)境，用于模擬地理概念、關(guān)系、系統(tǒng)或現(xiàn)象，使用戶可以與模型進行互動。PhET 通過設(shè)計虛擬仿真實驗情境，讓地理事象以更加動態(tài)、真實的方式呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者。仿真實驗情境能為學(xué)生提供多種認知途徑與學(xué)習(xí)通道，促使學(xué)生調(diào)動不同感官，在不同維度投入沉浸式的學(xué)習(xí)過程。PhET 通過將學(xué)生難以理解的地理現(xiàn)象具象化，降低學(xué)生在理解抽象事物時的認知負荷，幫助學(xué)生理解相關(guān)概念，促進深度思考和學(xué)習(xí)交流。本節(jié)課中運用PhET 軟件實現(xiàn)板塊運動的具體化，通過虛擬仿真實驗情境的創(chuàng)設(shè)讓實際課堂中無法實現(xiàn)的板塊運動過程直觀地顯現(xiàn)在學(xué)生面前，促進了學(xué)生對抽象知識的理解。

（二）PhET 虛擬仿真實驗有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動性

基于初中生的認知心理特征展開教學(xué)是確保地理教學(xué)有效性的前提。教師只有先理解學(xué)生當(dāng)前的認知發(fā)展規(guī)律，才能由此出發(fā)，設(shè)計出能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機的教學(xué)過程。使用PhET 降低了學(xué)生理解抽象地理概念的難度，促使學(xué)生更主動地吸收、內(nèi)化信息。

研究表明，通過線上教學(xué)，初中學(xué)生的信息技術(shù)能力顯著提高，并更愿意利用信息技術(shù)來獲取知識和信息。PhET 虛擬仿真實驗創(chuàng)造的虛擬地理環(huán)境能夠讓學(xué)生沉浸其中，滿足當(dāng)代初中生對學(xué)習(xí)興趣的需求。且PhET 虛擬仿真實驗屬于開源免費軟件，學(xué)生下載后可以不受時間和地點的限制，在課前、課上、課后進行自主學(xué)習(xí)，實現(xiàn)主動學(xué)習(xí)，進而不斷提高自身的地理思維能力。

（三）PhET 虛擬仿真實驗有助于培育學(xué)生的地理實踐力

通過PhET 虛擬仿真實驗，可以模擬和展示地理事象的發(fā)生和發(fā)展過程。學(xué)生可以根據(jù)這些模擬展示的情境，探索地理事象背后的推動力，分析演變過程中的變化要素，并推斷未來的演變趨勢，實現(xiàn)“認知—實踐—深化認知”這一完整的地理實踐過程。在本次教學(xué)中，教師利用PhET 虛擬仿真實驗技術(shù)，模擬再現(xiàn)了喜馬拉雅山脈逐漸隆升的海陸變遷過程。通過這種教學(xué)方式，原先較為復(fù)雜的地球動態(tài)演化的原理、過程能為學(xué)生輕松、清晰地理解，他們也更能夠認識到這背后的本質(zhì)。同時，他們也能知曉地理環(huán)境與人類活動之間的相互作用，進而能夠培養(yǎng)尊重自然、追求人與地球和諧共生的觀念，能正確認知人與自然的關(guān)系。

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)虛擬仿真實驗有兩大關(guān)鍵特征：一是生動的沉浸感；二是強大的交互性。

虛擬仿真實驗有助于打造出栩栩如生的教學(xué)場景，打破了原先地理教學(xué)存在的空間隔閡感。對于教師而言，教學(xué)的難度與復(fù)雜性也在一定程度上降低了。學(xué)生在接近真實的環(huán)境里，更容易發(fā)展出地理實踐力。這種創(chuàng)新的教學(xué)方法鼓勵學(xué)生積極參與地理學(xué)習(xí)活動，更加緊密地融入教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的潮流，從而滿足培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的迫切需求。當(dāng)然我們也清晰地認識到，雖然虛擬仿真實驗程序?qū)τ陂_展學(xué)科深度教學(xué)具有一定的優(yōu)勢，但也存在一些不足，如學(xué)科資源較少，虛擬仿真實驗情境創(chuàng)設(shè)也會減弱部分學(xué)生的學(xué)習(xí)專注力，等等。因此，教師應(yīng)該充分利用虛擬仿真實驗，揚長避短，將虛擬實驗技術(shù)與實踐教學(xué)資源相結(jié)合，實現(xiàn)教學(xué)優(yōu)勢最大化，從而真正凸顯“用技術(shù)學(xué)習(xí)”的教學(xué)理念，幫助學(xué)生更深入地理解和應(yīng)用地理知識，培養(yǎng)他們的實踐能力和問題解決能力，實現(xiàn)多元學(xué)習(xí)路徑和方式育人，提升學(xué)生的創(chuàng)新思維和深度學(xué)習(xí)的能力。