智慧课堂环境下仿真游戏项目教学设计

高嵩??孙岩松??蔡阳健

我国航天事业快速发展，学生对于航天知识越来越感兴趣，但他们理解万有引力定律及其衍生的物理学概念存在困难。教师开展仿真模拟游戏教学可将抽象问题形象化。笔者在智慧课堂环境下，以仿真模拟游戏坎巴拉太空计划（Kerbal Space Program，以下简称KSP）为载体设计了项目教学方案，力求降低学生理解万有引力定律的难度，激发他们学习物理的兴趣。同时，借此探究项目式学习和仿真电子游戏融合的可行之策。

一、航天热与《课标》修订催化游戏项目教学

近年来，我国祝融号火星探测器成功登陆火星，空间站实现宇航员在轨常驻，航天事业又上新台阶。社交媒体平台上有很多学生用户发表与火箭发射原理、空间站在轨运行条件相关的评论或意见。这些问题都与万有引力定律密切相关。目前，教师常以二维视图演示（模拟）天体运动（如图1）。这样教学难以使所有学生身临其境，不利于他们构建物理模型。加之万有引力定律较为抽象，教师对学生能否独立自主解决问题存在顾虑，使学生的主体性发挥得不够充分。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）强调，课程要具有时代性，要有利于学生自主学习，对应的教学方式也应尽可能多样化。同时，物理学科核心素养对学生科学思维与科学探究提出了明确的能力要求，学生应具备建构模型、科学推理与熟悉探究问题流程的学习能力^[1]。《课标》提出新观念，促使教师更新教学设计以适应新要求。设计制作新课件或使用新的教学工具是落实《课标》要求的途径之一。

在教育信息化不断推进的大背景下，信息技术与课堂教学深度融合，电子教育游戏、教育软件对传统课堂的改造产生了明显的效果：仿真模拟游戏让学生拥有更好的视觉体验^[2]，使学生更好地进入学习状态。坎巴拉太空计划是一款高度仿真模拟游戏，场景逼真有趣，需要玩家有一定的物理学知识。有学者在研究运用KSP对适龄学生进行万有引力定律等天体物理学的教学时，设计教学实验验证KSP是否对学生学习具有正向效果。该实验表明，KSP能够提高学生应用万有引力定律的能力^[3]。教师可用KSP开展万有引力定律教学。

教师根据《课标》（课程设计）要求和学科核心素养指向，可借助KSP对万有引力定律教学进行内容和方法上的创新。这样，教师可以克服手工作图（二维）的局限，实施项目式教学，降低学生理解万有引力定律及其衍生的物理概念的难度，让学生更好地应用万有引力定律，提高学生的物理学科核心素养和解决问题的能力。

二、坎巴拉太空计划仿真模拟游戏寓教于乐

坎巴拉太空计划是墨西哥Squad游戏公司于2015年开发的高度仿真航天模拟类沙盒型游戏。玩家置身以地球为原型的Kerbin星球，以航天中心为原点，开启航天探索历程。在游戏中，玩家可以随心所欲地建造专属航天器，在游戏中遨游太空，探索天体。

为了高度仿真，游戏空间被设计得与现实世界高度相似，航天器的制作和操控及航行也能逼真地呈现。游戏中，玩家需要根据物理规律发射用于探索Kerbin星球和Kerbin星球以外星球的探测器。玩家根据游戏中虚拟天体的质量、半径、周期、引力作用半径等相关信息，运用万有引力定律和开普勒行星运动定律以及齐奥尔科夫斯基公式，设计航天器的飞行轨道，分析运载火箭能力。图2所示为KSP中航天器的制作界面，在此界面中，玩家可以模拟执行卫星和火箭的组装、测试等任务。

与真实情况相似，火箭发射后，游戏界面显示航天器运行周期、海拔高度、轨道高度、大气压强、航天器速度、远点半径、近点半径、轨道半径、轨道夹角等相关参数，玩家可以实时掌控天体运行状态，并由此作出判断和调整。玩家只有正确设置所有的运行参数才能完成任务，否则火箭或卫星会“爆炸”或“坠毁”。

教师利用KSP可以设置游戏情境并将其与万有引力定律教学相融合，弥补传统教学软件在仿真模拟和模型建构方面的不足，激发学生学习兴趣。笔者认为，依托KSP设计万有引力定律及其衍生定律相关课程是完全可行的。

三、教学案例

（一）设计思路

万有引力定律及其在航空航天领域的应用知识，涉及物理量多，情境复杂，很多初学者感觉这部分知识散乱、复杂，难以运用知识构建模型。万有引力定律一直是教学难点。项目式学习对学生探究工程问题有显著的促进作用^[4]。此外，协作探究和强交互的交流方式能够被智慧课堂的体系所支撑^[5]。笔者就是以智慧课堂为平台，以项目式学习为主要教学模式，以发射飞行器遨游宇宙为任务目标，以KSP为主要教学工具和内容表达载体，开设万有引力定律知识应用课程。学生在参与项目活动，加深对万有引力定律与宇宙航行知识理解的同时，他们的科学思维得到训练，物理学科核心素养得到提升。

学生的学习往往受制于自身的知识水平和学习条件，随着学习进程的推进，问题被逐个解决^[6]。笔者在设定学习项目时，遵循学生认知规律，层层递进地设置任务的难度和知识深度（如图3）。任务一的难度设置在低阶水平，目的是要让学生了解项目内容以及KSP操作方法并为任务二和任务三的执行打基础。任务二的难度为中阶水平，学生要通过此项目活动对前节课学的万有引力定律进行复习并初步应用，了解与天体运动相关的物理建模过程，探究卫星变轨中的物理规律，进一步理解和应用万有引力定律。笔者设计任务三旨在延伸和提高，在高阶难度下对学生应用万有引力定律提出更高要求，让学生通过应用万有引力公式推导所需的物理量，如天体的轨道半径、角速度、周期等。

如何开展教学活动？笔者依托智慧课堂系统，从教师端向学生端发送任务，让学生在学生端接收任务进行KSP的操作（如图4）。在此模式下，教师可以清楚地实时查询学生的操作情况，并进行诊断。学生也可以根据KSP任务的完成情况评估自己的学习成果。基于此，笔者设置了三个微观的学习环节：课前收集我国近年取得的相关航天成果（如神舟系列发射、嫦娥系列发射），让学生学习KSP的基本操作方法，尝试模拟发射火箭并撰写发射报告;课上让学生交流课前学习成果，在项目式学习情境中模拟发射卫星，理解和应用万有引力定律;课后延续项目任务，让学生在KSP中完成进阶任务，深化理解万有引力概念。最后，笔者对学生的学习情况进行诊断评价。

（二）“如何发射人造卫星”教学过程

1.课前

笔者在课前创设一个虚拟的任务情境，模拟现实世界中的招标投标，将一个班的学生分配成数个“研究小组”。“研究小组”由学生自由组建，成员推举产生本组的“总设计师”（组长）和“成果汇报员”（小组汇报员）。教师向学生发布项目任务，在活动中提供指导和答疑服务。学生“小组”根据项目要求完成课前课中和课后任务。项目任务包括：①搜集近一段时间中国航天取得系列成就的资料，如嫦娥探月工程以及神舟十二号、神舟十三号的资料等;②了解KSP的操作流程;③在KSP中尝试发射运载火箭。

说明：教师创设新的学习情境有利于激发学生学习兴趣，让学生在项目式学习环境下，产生积极的情绪，提高学习效率^[7]。课前笔者让学生搜集有关航天资料，在未学习专门知识的情况下，尝试通过KSP进行火箭发射并撰写任务报告，目的是让学生建立有关航天和宇宙航行的前概念^[8]。很多学生在学习之前认为火箭的组装如同搭积木，火箭的发射就是点火后自动发射不需要监控。其实，学生在KSP中操作时，如果不理解万有引力定律，模拟发射火箭的成功概率是很低的。真实的火箭发射并不像学生原本认知的那样简单。认知冲突有利于正式课程的引入和教学。同时，学生在KSP中观察到是高度仿真模拟的过程，有助于他们建构物理模型，降低了他们理解相关知识的难度。

2.课中

（1）回顾已有知识，通过情境引出话题。

笔者展示学生的课前任务报告，并结合万有引力定律和圆周运动等相关知识进行解释，组织学生研讨。在明确项目总体任务后，笔者讲解执行该任务的技巧和逻辑，提出将卫星发射至外太空围绕母星做圆周运动的任务。学生要从万有引力提供向心力的思路入手，分析卫星需克服发射时所在星球的引力，进入环绕中心天体做圆周运动轨道的条件，即需要计算临界速度。

说明：为学生创设情境，有助于学生构建简单而恰当的物理模型。回顾知识，为接下来的任务做好理论上的准备，这符合进阶学习的教学流程。

（2）创设情境任务，理论联系实际展开实际操作。

任务一：发射一枚装载人造卫星的运载火箭并使之进入环绕Kerbin轨道。

思路：学生要理解“进入轨道”的含义，即需要发射一颗近Kerbin表面飞行的卫星。学生分析万有引力提供向心力 ，以及将Kerbin的天体半径作为卫星的运行半径的近似条件，从KSP中的“追踪站”中获取Kerbin的半径、质量等数据，使卫星具有环绕Kerbin运动速度。学生根据运算结果，在KSP中挑选合适的运载火箭和卫星，接着发射并观察卫星的运动情况（如图5）。

任务二：卫星变轨。

思路：学生分析得知，要使卫星克服Kerbin的引力束缚，升入更高的轨道，应满足                  ，从而推导出从低轨道变换为高轨道是做离心运动，卫星必须加速运动才能进入高轨道。反之，卫星若减速，则会从高轨道变换为低轨道，做向心运动。

任务三：提交发射Kerbin同步轨道卫星的计划。

思路：“研究小组”在接到任务后，需要先行查找资料了解什么是同步轨道卫星，再探究将卫星发射至Kerbin同步轨道的条件，获取同步轨道卫星所要达到的轨道高度参数，最后在游戏界面中完成发射Kerbin同步轨道卫星的任务。由于发射Kerbin同步卫星需要进行变轨操作，所以学生完成任务三前需要有任务二的知识基础。

说明：对于初始任务，笔者没有使用现实世界中的天体数据，而是使用KSP游戏中的虚拟天体数据，是希望学生从0开始构建完整的物理模型而不受现实问题影响。学生承担任务的难度是递进的，随着任务的推进，难度也会逐渐增加，这也是一个进阶的过程。参数由游戏系统独立决定，学生不能通过查找现成资料得出结论，必须动手操作和计算，这样可以保证学生学习的有效性。同时，教师借助KSP仿真模拟天体之间的相互作用和视觉效果，降低了学生构建物理模型的难度，也降低了学生理解万有引力定律及其衍生的物理概念的难度。

（3）交流任务成果，总结物理规律。

笔者带领学生回顾任务一、二、三，将原先运用的KSP中的数据换为地球等太阳系星体的数据。在完成游戏训练后，学生再次进行推理计算，得出第一宇宙速度等于7.9 km/s，继续探究第二宇宙速度（克服地球引力场进入太阳环绕轨道的速度）和第三宇宙速度（克服太阳引力场飞出太阳系的速度）。至此，本项目主要任务完成，学生自行总结得失。

最后，笔者在课程结尾回顾我国航天发展历程与课程任务，引导学生产生共鸣，让他们理解我国航天事业发展的艰辛和不易，建立正确的历史观和价值观。

说明：学生通过任务一、二、三的执行，完成了对三个宇宙速度的理解、对稳定运行及变轨等物理模型的建构，并通过游戏场景将理论与现实结合在一起。游戏平台对学生的推理、判断和运算能力给出实时反馈，这极大改善了学生的学习体验，有效调动了学生学习的积极性，进一步降低了学生理解知识的难度。课程后期，笔者将物理知识与我国航空航天事业结合，让学生从KSP中体会航空航天事业发展对人类发展的意义，对STSE（科学、技术、社会、环境）关系有更深层次理解。整节课，学生都投入了极大的热情，积极提高自身能力。

（三）课后项目与评价

笔者借助KSP布置课后任务让学生巩固知识：发射一艘能够从Kerbin出发到达Mum星球（Kerbin的卫星）的宇宙飞船（此过程类比于飞船从地球到月球的过程），拍摄Mum的照片，完成相应的研究报告，做好下堂课上交流的准备。

说明：本任务与课上的任务有联系也有区别，课后活动有助于学生迁移应用知识。此外，游戏相对独立且支持多样化体验，这避免了传统模式下学生抄作业或搜答案的问题。

四、总结与展望

此案例教学特点如下。

其一，学习情境生动且与中学教学内容密切相关，反馈及时，学生能融入情境游戏中，学习效率大大提升。

其二，教师以工程项目任务的形式给学生布置任务，有利于学生从整体上分析物理问题，理解科学原理与工程的联系。

其三，教师利用智慧课堂体系的技术优势弥补了传统课堂中师生交互、教学内容展示、个性化教学等方面的不足，将教学进程延向课前和课后。师生沟通更加便捷，极大地提升了教学效率。

学生在项目式学习的过程中，不但要根据要求和系统给定条件进行建模、推理、运算，还要时刻观察火箭和卫星飞行的参数并及时调整，更需要不断与伙伴沟通，向他人展示自己的成果。项目式学习能有效激发学生的学习兴趣，提高科学探究和科学思维能力。项目式学习与仿真模拟游戏深度融合后，操作性和直观性得以加强。学生参与探究式的工程仿真游戏活动有利于提升他们的物理学科核心素养。智慧课堂与项目式学习融合是一个有前景的教学方向。具有教育意义的仿真游戏会越来越多地用于教学。

注：本文系2020年教育部高等学校教学研究项目“基于国家物理虚拟仿真实平台的实验教学改革与实践” （项目编号：DJZW202019hd）、山东省研究生教育质量提升计划立项建设项目（项目编号：SDYJD17064）和山东省基础教育教学改革项目“基于微视频的高中物理情境化教学改进的实践研究”（课题编号：3702061）的研究成果。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 马颖峰，胡若楠.不同类型电子游戏沉浸体验研究及对教育游戏设计的启示[J].电化教育研究，2016（3）：86-92.

[3] Sebastian O， Latoschik M E. Predicting learning effects of computer games using the Gamified Knowledge Encoding Model[J]. Entertainment Computing， 2019.

[4] 张文兰，胡姣.项目式学习的学习作用发生了吗？——基于46项实验与准实验研究的元分析[J].电化教育研究，2019（2）：95-104.

[5] 刘邦奇.智能技术支持的“因材施教”教学模式构建与应用——以智慧课堂为例[J].中国电化教育，2020（9）：30-39.

[6] 高嵩.心理发生视域下学习进阶机制的研究[J].山东师范大学学报（社会科学版），2020（1）：126-134.

[7] 马颖峰，关晶晶，胡若楠.教育游戏中玩家的积极情绪诱发策略研究[J].电化教育研究，2017（5）：77-82.

[8] 高嵩，刘梦茹，潘增余.初中物理智慧课堂课前自主学习任务单的设计[J].教学与管理，2020（1）：34-38.

（作者高嵩系山东师范大学副教授;孙岩松系山东师范大学研究生;蔡阳健系山东师范大学教授）