基于“互联网＋”物理课堂3R范式体验核心素养形成途径分析——以中学物理虚拟实验教学为例

于 海 张 勇 王家兴 齐 颖 王 涛 徐井华 李东康

（通化师范学院物理学院，吉林 通化 134002）

自5G时代中国新业务——虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和混合现实（MR）崭露头角后，国家政策［1，2］着力推动3R技术与课堂融合的智慧教育，并呈现出3大典型场景：远程教学（远程互动陪练、直播）、智能教学（个性化教学、AI教学辅助）和沉浸式课堂（VR课堂，全息课堂）.［3，4］有研究表明，［5］特别是物理学科，3R技术能有效发挥传统实验优势，解决因实验条件和安全因素加大的认知难度.目前，国内外按照试点型和研究型应用3R技术的中学物理课堂逐渐丰富.［6－11］然知网截止今秋，面向物理学科核心素养（物理观念、［12］科学思维、［13］科学探究和科学态度与责任感［14］）的3R与课堂教学的相关研究仅17篇.本课题组应用升级的‘互联网＋’维度下基础教育课程改革的研究成果［11］——“互联网＋”物理学科课改仿生态体系（以下简称：“体系”），依托具备贴近生活、自主探究、虚实融合、互联互通学习情境特点的3R优秀实验教学案例，提出中学物理虚拟实验课堂的3R范式途径体验，为实现乡村教育振兴的资源共享、摆脱教学资源与环境的束缚，落实学科核心素养提供有益的范式实践参考，更为基础教育课改的生态发展提供新的研究参考方向.

1 面向核心素养的中学物理虚拟实验课堂3R范式途径体验

去除经济条件、教育理念差异和课时限制外，传统实验不可取代的优势在于感受物理源于生活、迎合好奇心、引发求知欲、建立学科兴趣乃至科学志趣，［15］但不可避免的欠缺：现象或规律呈现时间不足、微弱平淡、可观性低、有时空局限、有操作危险的直接体验难.［16］本课题组应用“体系”面向物理学科核心素养，提出了中学物理虚拟实验课堂3R范式途径体验.

1.1 “体系”是中学物理虚拟实验课堂的良性生态保障

“体系”是结合“双减”政策要求以及加强生态仿生程度而升级的（如图1）.基础物理教育现代化治理系统仿照生态支撑系统为基础物理研究的管理系统提供新时代管理理念，保障物理实验教学的研究及时升级.来自资本优化的基础物理教育科技团队提供的物理实验3R优秀案例作为管理系统输出给用户和评估反馈机构的优势成果，涵盖了物理学科核心素养的营养.师生作为终端用户向已被系统授权的评估反馈机构提出使用建议和维权需求，保障物理实验成果的课堂效能.科技团队收到机构提供的建议，向管理系统提供优化，理顺基础教育生态能量和营养的流动方向，如自然生态系统一样，5G时代的中学物理实验教学才会具足活力和良性影响.

图1 “互联网＋”物理学科课改仿生态体系结构图

1.2 体验物理观念形成的途径

2021年有学者提出：“体验式教学视角下物理观念构建的执行策略包括：现象事实→概念规律→核心概念→物理观念→应用创新的形成路径”.［17］据此，选取“体系”中3R优秀成果——以云幻科技的AR实践探究实验室：凸透镜成像规律为例，［18］简述体验物理观念形成的途径（如图2）.

图2 体验物理观念的形成

首先，教师主导AR实验课堂，协助学生进行多途径体验在凸透镜成像过程中呈现的现象和事实（如图2a），完成物理观念的基础构建.学生实操AR实验时，教师协助学生初步体验凸透镜成像过程中光线偏折现象、各种成像概况、像距随物距变化的事实（如图2b）.逐步聚焦物距、像距与焦距关系的独立思考和多组整合.面对AR呈现的各种成像情景，引导学生使用规范物理语言表述与凸透镜成像相关的物理量之间的关系.对比传统直接演示验证特殊位置成像，学生主体自主探究感知突出，体验多途径规范汇总，印象深刻.保障了学习主体有质量地形成物理观念的基础.

其次，教师关注学生个体的差异性，选择AR实验呈现的多层次问题链选项，引导学生展开论证概念和规律的途径体验（如图2c），完成物理观念的途径搭建.例如：面向折射定律掌握一般的普通学生，教师可选择基础问题链选项：使用同一个凸透镜，影响同一个物体成像变化的因素有哪些？光线偏折与焦距的关系？使用不同焦距的凸透镜影响像变化的因素相同吗？不同焦距的凸透镜成像有何共同规律？也方便学生模仿提出类似体验途径的论证初始和过程的梯次问题.每一个问题学生都要根据AR实验的感知体验，提出支持理由、限定条件、反驳点、个性化主张，培养求异观念，解决成像归类问题，完成凸透镜成像规律的论证体验.对比传统只接受服从的规律，学生经历了个性化多途径论证体验，认知规律全面深刻.

第三，教师协助学生感悟体验核心概念（物质）的提炼途径（如图2c），适时形成物理观念（物质观念）.依据AR实验的归类数据（如图2d），协助学生概括出透镜、凸透镜和成像规律（光学性质）之间观念的总体关系，感悟透镜和类透镜（某类事物）的共同属性，体验核心概念（物质）提炼途径.在理解核心物质概念的基础上，引导学生总结、感悟并体验从感受现象事实到适时基本形成物理观念的途径，为验证体验理清途径.

第四，教师关注学生个体差异性，协助学生选择最适切的AR情境（生活、竞技、科技等）选择验证体验项目，运用观念解释自然现象（AR露珠倒影等）和解决实际问题（AR维护投影仪等）.在验证体验中，即便是同一个项目，学生的思维和探究水平的差异也会导致亲历行为途径的不同，这是教师调整学生学习心理的重要行为依据，同时也是中学物理虚拟实验教学途径体验形成物理观念的高潮.

总之，本案例内容属于义务教育阶段物理学学科阶段内容.此阶段的核心概念包括物质，运动与相互作用、能量等.要求在理解物理学科核心概念的基础上，形成物质观念、运动与相互作用观念和能量观念，能运用这些观念解释自然现象和解决实际问题.本案例展示的体验物理观念形成途径，可以为提炼其他核心概念升华为相应的物理观念提供实践参考.当接触传统实验的实物操作时，学生自然会开启物理观念温故而知新，实现理论与实践的融会贯通.这有助于下一个物理观念形成的良性开启.

1.3 体验科学思维形成和科学探究过程的途径

在“体系”中，师生若选择了体验科学思维的形成和科学探究的3R成果资源，则亦可同时体验物理观念的形成.通过虚拟模型和情景，3R成果提供了在传统课堂上只靠推理和想象的过于微/宏观的物理情境，为学生形成物理观念和科学思维、获得科学探究体验、间接研究物理原型规律、扩展想象力、提升创造力呈现了丰富的想象空间.以云幻科技的 VR实验——热传导为例（如图3），［18］侧重展示体验科学思维形成和科学探究过程的途径，具体操作如下.

图3 体验科学思维形成合科学探究的过程

热传导是热传递的3种基本形式之一.热传递是物理观念的能量观念实例，由热量量度观念组成，体现能量量度观.热传导虽然在固、液和气体中均可发生，但固体中发生的才是纯粹的热传导.基于VR呈现的现实中肉眼无法观察的固体热传导，科学思维的形成与科学探究相伴开启.智慧教学系统先提出科学探究性物理问题：最靠近加热端的钉子先掉下来与什么因素有关（如图3a）？进入科学思维形成的第1步：学习从物理学视角对客观事物的内在规律涉及的本质属性提问，且提供模拟提问时间.然后可选择系统提供项或学生提出的选项，进入科学思维的形成与科学探究的第2步——猜想和科学推理：可能与内部原子和自由电子振动程度、空间束缚、传导时间空间等等因素有关.正确选择后系统展现金属棒宏观到局部微观状态（如图3a至b），再展现温度变化导致的原子和自由电子的振动状态变化过程（如图3b至c），并提示实验者拥有了物理思维7大方法之一：理想推理法.［19］随即系统提示应用此法进行科学探究第3步：设计实验与制订方案探讨气液固之间的热传导情况.系统提示实验者提供设计实验思路.待提供出类似试管中分别放入水或冰块以及同时放入水和冰块实验，再分别探究气液、气固和气液固之间的热传导规律.收集处理VR数据后基于证据得出结论并应用图像法和类比法作出解释和比较（如图3d），［19］完成科学论证，收获科学思维两大方法.随后的科学探究（评估、交流、反思）也伴随着本次科学思维的完成：基于真实实验证据和已具备的科学思维方法对不同观点和结论提出质疑和批判（如：实验结论是否具有普遍性），进行检验和修正，进而提高创造性见解的能力与品格.因此，对比只靠推理和想象的有时空局限的传统实验，3R途径范式体验实验显然关注了体验科学思维形成和科学探究过程、注重培养了学习主体的方法学习和独立思维的科学品质.

1.4 体验科学态度与责任的途径

在“体系”中基础物理教育现代化治理系统为体验科学态度与责任提供了理念导向保障——物理观念是基础，科学思维是灵魂，科学探究是核心，科学态度与责任是关键.［20］基础物理研究管理系统针对科学态度与责任重过程导向的特征，向师生用户提供已由“体系”科研团体优化的，涵盖科学本质、科学态度、科学责任等科学态度与责任要素的3R成果.学生可以融合这些智慧教育的典型场景（远程同步全息课堂教学类、智能实验教学类、沉浸式学史类等），体验途径式体验感受科学态度与责任的传承，也可体验物理观念和科学思维形成、科学探究途径.

首先，体验认知科学本质的途径.以2019年全国首场四地（北京市第十八中学、上海格致中学、成都教科院附中、青岛萃英中学）名师5G＋MR全息高中物理电磁学公开课为例（如图4），［21－22］具体说明如下.

图4 全国首场5G＋MR全息物理电磁学公开课

本次公开课由科研团体——影创科技优势力技术支撑，在上海市徐汇中学全球首个中学校园的5G＋MR科创教育实验室完成.公开课内容实时同步传至四川省甘孜州康定中学、阿坝州茂县中学、凉山州冕宁中学.5G＋MR远程同步流畅的全息课堂，可以开启沉浸式学史导入电磁学课程.教师引领学生进入体验和认知科学本质的途径开端——积累阶段.通过MR眼镜四地教师引领学生们一起沉浸在全息学史内容里，身临其境地与历史上的科学家从提出到研究电磁问题的整个途径同步.根据物理学发展的背景和条件，学生同步体验奥斯特、法拉第等人的研究成功和失败案例，对电磁学发展途径的偶然与必然追根溯源，也从情感途径体验科学家的科学品质.通过问题导向，教师提醒学生关注“从电生磁到磁生电”的电磁学发展途径的内在逻辑关系、科学家常用的重要科学研究方法及其演化，积累电磁学科学本质的初步认知.

然后，在深入体验电磁学物理观念、科学思维形成和科学探究途径的同时，进入科学本质的深度认知阶段.伴随眼前可操作的悬浮动态全息3D模型，从磁体、地磁场、北极光的产生到奥斯特实验和安培定则，触手可及的电磁感应各重难点知识都可以成为知识体系清晰、自然有趣的全息影视盛宴，科学本质清晰易懂.全息课堂继续为学生提供个性差异化的以因推果的分层项目体验.教师鼓励学生根据自己情况分析利弊推导结果，试用并选定项目及时升级认知科学本质的水平.显然，随着这种全息课堂的推广，即使欠发达地区的学生如果能如此沉浸途径体验中认知科学本质，也会快捷全面地形成科学思维和探究能力.

其次，途径式同步体验严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度.面向核心素养的物理实验课堂必备的体验内容包括一般实验和安全实验.具体体验途径如下：

选取AR智能实验教学呈现的法拉第电磁感应定律为一般实验案例（如图5）.［5］第1步，教师鼓励学生根据自己喜好和生活经验，提出最感兴趣的问题或者选择AR实验提供的不同层次的问题（如：在闭合电路中无电源时静止的电流计能显示数值变化吗？电流计何时变化？引起电流计变化的因素？磁生电的条件等），尝试严谨认真、实事求是地回答.智能实验根据学生答案激发和保护个性差异的好奇心，及时鼓励并升级体验物理观念（运动和相互作用）的难度，引领学生探索自然规律，提升学生创造力的活跃度.这是激发途径式同步体验积极性的基础.第2步，在AR智能实验操作中，学生不凭感觉或经验获得的“瞬时”变化对场的核心作用，反之否定或混淆实验事实的操作会触发实验无果.然后，同步体验法拉第等科学家对电磁本质的科学探究方法、科学思维和场概念的建立途径上严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度.教师再引领学生秉承先哲的科学态度恰当表达探究方法和结论（如：应用了参照对比方法发现关键的瞬时作用）.AR智能实验不回避体验途径中每一个学生遇到的难题并引导学生逐步解决之.第3步，途径式体验深层思考、异质交流合作的科学态度.教师参与AR智能实验升级设置，激励学生深层思考（如：改变感应线圈的形状、材质、与磁铁的相对位置、磁体形状，去掉灯泡，再分析电磁感应现象等）、与专长不同的学生合作集思广益、坚持自己的观点.AR智能实验向学生推荐适当等级的自主设计任务，帮助学生提高获得成功的喜悦度.这样就具备了矫正错误应有的方法和懂交流合作的科学态度，加持了物理学习和研究内动力，体现了完整途径式体验的重要意义.

图5 AR呈现的法拉第电磁感应定律

以云艺化科技VR电力安全之触电伤害为安全实验案例（如图6）.［23］第1步，学生根据生活认知选择VR课堂提供的多级别途径体验角色、场景、任务和装备.从开始体验到动作提示，从虚拟体验角色遇险感受到的虚拟轻微灼烧和电击到VR课堂提供的真实事故分析，这是传统实验环境无法或很难提供给学生的安全实验全过程，直接感受严谨认真、实事求是的科学态度.

图6 体验电力安全之触电伤害

第2步，根据首次感受，教师协助学生再次选择相同或类似的角色、场景、任务和装备，复习本级或解锁更高一级体验任务.依据本次任务完成情况，VR课堂向学生提供针对痛苦体验的直接感受和实事求是的科学态度分析.第3步，VR课堂向过关学生，开启对绝缘手套、包含金属织物的电工工作服等专门用品涉及的物理概念、规律的科学探究，继而激发学生的想象力和创造力，保持学生对安全保护研究持之以恒的科学态度.

最后，途径式体验遵守道德规范、提升法制意识、保护环境并推动可持续发展的社会责任和坚定不移的家国情怀.例如：在类似上述凸透镜成像规律的AR课堂上，教师主导学习相关内容时，引导学生选择AR提供的多个场景，尝试解锁对应的道德规范遵守任务.如，选择的虚拟生活场景之一——草坪上随意扔的透明有残留水的塑料水瓶.AR提示学生需要对上述情景做社会责任思考、设计多种任务及激励方法（立即安全处理水瓶、设计安全水瓶或集中箱、设立环卫警示图等）、原理分析（类凸透镜会聚阳光而发生火灾）.利用如此途径直接体验遵守道德规范、提升法制意识、保护环境的社会责任.应用全息课堂教学类3R成果展现教材涉及到的我国领先世界的丰硕的最新科技成果——优于国际空间站的天宫空间站、世界下潜能力最深的作业型载人蛟龙号潜水器、全球最大的500m口径球面射电望远镜——中国天眼、世界上观测能段范围最宽能量分辨率最优的悟空号暗物质粒子探测卫星、目前人类唯一已知的不可窃听不可破译的无条件安全的墨子号通信卫星等等.通过虚拟课堂提供的选项（国际成果对比、科研条件对比、科学家的家国情怀等），直接全程体验我国科研工作者坚定不移的家国情怀，理解科学·技术·社会·环境关系，具备和平、合理、可持续利用各种资源的社会责任心.体验成就的同时，还应当清楚我国重大科技基础设施的发展水平与发达国家的先进水平相比存在的差距，引导学生明晰理论突破可以推动技术进步的时代社会责任，不断增强为国家创新发展而学习的时代责任感.

2 小结与展望

伴随5G产业的激增，“互联网＋”维度下基础教育课程改革必将随着新理念和新技术的迭代不断升级.在新理念层面，“体系”是仿照自然生态体系为基础教育课改生态发展提供的一种新的研究方向.在新技术层面，3R等人工智能与课堂教学的深度融合必将拓宽智慧教育场景的种类.如上所述，展望面向学科核心素养的3R途径式体验型“互联网＋”基础教育课堂的新场景，形式上越来越离不开与真实体验一样有必要干扰项的虚拟感知；技术上越来越依赖于3R智慧教育的创新和共享、共生；理论上越来越离不开提升学科核心素养培养质量的互联网迭代思维；内容上越来越离不开学科核心素养深度体验；保障上越来越离不开课改理念、核心素养形成的过程性和阶段性评价质量的提升.总之，提升和拓展面向核心素养的“互联网＋”基础教育课堂3R范式体验，应该是实现乡村教育振兴的资源共享、摆脱教学资源与环境的束缚，开启新思维、新平台、谋求新发展的必研之路.