智慧課堂環(huán)境下仿真游戲項目教學設計

1、智慧課堂環(huán)境下仿真游戲項目教學設計我國航天事業(yè)快速發(fā)展，學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概念存在困難。教師開展仿真模擬游戲教學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）為載體設計了項目教學方案，力求降低學生理解萬有引力定律的難度，激發(fā)他們學習物理的興趣。同時，借此探究項目式學習和仿真電子游戲融合的可行之策。一、航天熱與課標修訂催化游戲項目教學近年來，我國祝融號火星探測器成功登陸火星，空間站實現(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生用戶發(fā)表與火箭發(fā)射原

2、理、空間站在軌運行條件相關的評論或意見。這些問題都與萬有引力定律密切相關。目前，教師常以二維視圖演示（模擬）天體運動（如圖1）。這樣教學難以使所有學生身臨其境，不利于他們構(gòu)建物理模型。加之萬有引力定律較為抽象，教師對學生能否獨立自主解決問題存在顧慮，使學生的主體性發(fā)揮得不夠充分。普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）（以下簡稱課標）強調(diào)，課程要具有時代性，要有利于學生自主學習，對應的教學方式也應盡可能多樣化。同時，物理學科核心素養(yǎng)對學生科學思維與科學探究提出了明確的能力要求，學生應具備建構(gòu)模型、科學推理與熟悉探究問題流程的學習能力。課標提出新觀念，促使教師更新教學設計以適應新要求。

3、設計制作新課件或使用新的教學工具是落實課標要求的途徑之一。圖1傳統(tǒng)天體運動模型模擬圖（左圖）與坎巴拉太空計劃中的天體運行模擬系統(tǒng)截圖（右圖）在教育信息化不斷推進的大背景下，信息技術與課堂教學深度融合，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：仿真模擬游戲讓學生擁有更好的視覺體驗，使學生更好地進入學習狀態(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知識。有學者在研究運用KSP對適齡學生進行萬有引力定律等天體物理學的教學時，設計教學實驗驗證KSP是否對學生學習具有正向效果。該實驗表明，KSP能夠提高學生應用萬有引力定律的能力。教師可用KSP開展萬有引力

4、定律教學。教師根據(jù)課標（課程設計）要求和學科核心素養(yǎng)指向，可借助KSP對萬有引力定律教學進行內(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，實施項目式教學，降低學生理解萬有引力定律及其衍生的物理概念的難度，讓學生更好地應用萬有引力定律，提高學生的物理學科核心素養(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。玩家置身以地球為原型的Kerbin星球，以航天中心為原點，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，游戲空間被設計得與

5、現(xiàn)實世界高度相似，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信息，運用萬有引力定律和開普勒行星運動定律以及齊奧爾科夫斯基公式，設計航天器的飛行軌道，分析運載火箭能力。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。圖2KSP建造界面與真實情況相似，火箭發(fā)射后，游戲界面顯示航天器運行周期、海拔高度、軌道高度、大氣壓強、航天器速度、遠點半徑、近點半徑、軌道半徑、軌道夾角等相關參數(shù)，玩家可以實時掌控天體運行

6、狀態(tài)，并由此作出判斷和調(diào)整。玩家只有正確設置所有的運行參數(shù)才能完成任務，否則火箭或衛(wèi)星會“爆炸”或“墜毀”。教師利用KSP可以設置游戲情境并將其與萬有引力定律教學相融合，彌補傳統(tǒng)教學軟件在仿真模擬和模型建構(gòu)方面的不足，激發(fā)學生學習興趣。筆者認為，依托KSP設計萬有引力定律及其衍生定律相關課程是完全可行的。三、教學案例（一）設計思路萬有引力定律及其在航空航天領域的應用知識，涉及物理量多，情境復雜，很多初學者感覺這部分知識散亂、復雜，難以運用知識構(gòu)建模型。萬有引力定律一直是教學難點。項目式學習對學生探究工程問題有顯著的促進作用。此外，協(xié)作探究和強交互的交流方式能夠被智慧課堂的體系所支撐。筆者就是以

7、智慧課堂為平臺，以項目式學習為主要教學模式，以發(fā)射飛行器遨游宇宙為任務目標，以KSP為主要教學工具和內(nèi)容表達載體，開設萬有引力定律知識應用課程。學生在參與項目活動，加深對萬有引力定律與宇宙航行知識理解的同時，他們的科學思維得到訓練，物理學科核心素養(yǎng)得到提升。學生的學習往往受制于自身的知識水平和學習條件，隨著學習進程的推進，問題被逐個解決。筆者在設定學習項目時，遵循學生認知規(guī)律，層層遞進地設置任務的難度和知識深度（如圖3）。任務一的難度設置在低階水平，目的是要讓學生了解項目內(nèi)容以及KSP操作方法并為任務二和任務三的執(zhí)行打基礎。任務二的難度為中階水平，學生要通過此項目活動對前節(jié)課學的萬有引力定律進

8、行復習并初步應用，了解與天體運動相關的物理建模過程，探究衛(wèi)星變軌中的物理規(guī)律，進一步理解和應用萬有引力定律。筆者設計任務三旨在延伸和提高，在高階難度下對學生應用萬有引力定律提出更高要求，讓學生通過應用萬有引力公式推導所需的物理量，如天體的軌道半徑、角速度、周期等。圖3“如何發(fā)射人造衛(wèi)星”課程的學習進階模型如何開展教學活動？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，讓學生在學生端接收任務進行KSP的操作（如圖4）。在此模式下，教師可以清楚地實時查詢學生的操作情況，并進行診斷。學生也可以根據(jù)KSP任務的完成情況評估自己的學習成果。基于此，筆者設置了三個微觀的學習環(huán)節(jié)：課前收集我國近年取得的相

9、關航天成果（如神舟系列發(fā)射、嫦娥系列發(fā)射），讓學生學習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；課上讓學生交流課前學習成果，在項目式學習情境中模擬發(fā)射衛(wèi)星，理解和應用萬有引力定律；課后延續(xù)項目任務，讓學生在KSP中完成進階任務，深化理解萬有引力概念。最后，筆者對學生的學習情況進行診斷評價。圖4“如何發(fā)射人造衛(wèi)星”課程教學邏輯圖（二）“如何發(fā)射人造衛(wèi)星”教學過程1.課前筆者在課前創(chuàng)設一個虛擬的任務情境，模擬現(xiàn)實世界中的招標投標，將一個班的學生分配成數(shù)個“研究小組”?！把芯啃〗M”由學生自由組建，成員推舉產(chǎn)生本組的“總設計師”（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

10、，在活動中提供指導和答疑服務。學生“小組”根據(jù)項目要求完成課前課中和課后任務。項目任務包括：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；了解KSP的操作流程；在KSP中嘗試發(fā)射運載火箭。說明：教師創(chuàng)設新的學習情境有利于激發(fā)學生學習興趣，讓學生在項目式學習環(huán)境下，產(chǎn)生積極的情緒，提高學習效率。課前筆者讓學生搜集有關航天資料，在未學習專門知識的情況下，嘗試通過KSP進行火箭發(fā)射并撰寫任務報告，目的是讓學生建立有關航天和宇宙航行的前概念。很多學生在學習之前認為火箭的組裝如同搭積木，火箭的發(fā)射就是點火后自動發(fā)射不需要監(jiān)控。其實，學生在KSP中操作時，如果

11、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。真實的火箭發(fā)射并不像學生原本認知的那樣簡單。認知沖突有利于正式課程的引入和教學。同時，學生在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。筆者展示學生的課前任務報告，并結(jié)合萬有引力定律和圓周運動等相關知識進行解釋，組織學生研討。在明確項目總體任務后，筆者講解執(zhí)行該任務的技巧和邏輯，提出將衛(wèi)星發(fā)射至外太空圍繞母星做圓周運動的任務。學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，進入環(huán)繞中心天體做圓周運動軌道的條件，即需要計算臨界速

12、度。說明：為學生創(chuàng)設情境，有助于學生構(gòu)建簡單而恰當?shù)奈锢砟Ｐ汀；仡欀R，為接下來的任務做好理論上的準備，這符合進階學習的教學流程。（2）創(chuàng)設情境任務，理論聯(lián)系實際展開實際操作。任務一：發(fā)射一枚裝載人造衛(wèi)星的運載火箭并使之進入環(huán)繞Kerbin軌道。圖5火箭發(fā)射重要流程任務二：衛(wèi)星變軌。任務三：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。由于發(fā)射Kerbin同步衛(wèi)星需要進行變軌操作，所以學生

13、完成任務三前需要有任務二的知識基礎。說明：對于初始任務，筆者沒有使用現(xiàn)實世界中的天體數(shù)據(jù)，而是使用KSP游戲中的虛擬天體數(shù)據(jù)，是希望學生從0開始構(gòu)建完整的物理模型而不受現(xiàn)實問題影響。學生承擔任務的難度是遞進的，隨著任務的推進，難度也會逐漸增加，這也是一個進階的過程。參數(shù)由游戲系統(tǒng)獨立決定，學生不能通過查找現(xiàn)成資料得出結(jié)論，必須動手操作和計算，這樣可以保證學生學習的有效性。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，降低了學生構(gòu)建物理模型的難度，也降低了學生理解萬有引力定律及其衍生的物理概念的難度。（3）交流任務成果，總結(jié)物理規(guī)律。筆者帶領學生回顧任務一、二、三，將原先運用的KSP

14、中的數(shù)據(jù)換為地球等太陽系星體的數(shù)據(jù)。在完成游戲訓練后，學生再次進行推理計算，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，本項目主要任務完成，學生自行總結(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，引導學生產(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：學生通過任務一、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)實結(jié)合在一起。游戲平臺對學生的推理、判斷和運算能力給出實時反饋，這極大改善

15、了學生的學習體驗，有效調(diào)動了學生學習的積極性，進一步降低了學生理解知識的難度。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、技術、社會、環(huán)境）關系有更深層次理解。整節(jié)課，學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布置課后任務讓學生鞏固知識：發(fā)射一艘能夠從Kerbin出發(fā)到達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，完成相應的研究報告，做好下堂課上交流的準備。說明：本任務與課上的任務有聯(lián)系也有區(qū)別，課后活動有助于學生遷移應用知識。此外，游戲相對獨立且支持多樣化體驗，這避免了傳統(tǒng)模式下學生抄作業(yè)或搜答案的問題。四、總結(jié)與展望此案例教學特點如下。其一，學習情境生動且與中學教學內(nèi)容密切相關，反饋及時，學生能融入情境游戲中，學習效率大大提升。其二，教師以工程項目任務的形式給學生布置任務，有利于學生從整體上分析物理問題，理解科學原理與工程的聯(lián)系。其三，教師利用智慧課堂體系的技術優(yōu)勢彌補了傳統(tǒng)課堂中師生交互、教學內(nèi)容展示、個性化教學等方面的不足，將教學進程延向課