基于体验式学习的初中电学虚拟实验系统构建
时间：2022-07-05 10:09:05
摘 要：文章深入分析了体验式学习的概念、内涵，体验生成的心理机制及过程，针对当前初中物理电学教学中存在的突出问题，以体验式学理念为指导，以动漫为表现形式，构建了初中电学虚拟实验系统，创设了电学体验的虚拟情境，并阐述了电学虚拟实验系统的功能模块和详细设计。
关键词：体验式学习；虚拟实验；动漫
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2013）22-0077-03
一、引言
自2001年国家实施新课改以来，就已明确提出推进素质教育、变革课程功能、改善学生学习方式等目标，提出了与传统教育迥然不同的课程观、知识观、学生观和发展观，从以往的只关注知识与技能的传授，转变成现在的兼顾知识与技能的传授过程，关注受教育者在学习过程中的情感体验，注重方式、方法的训练及动手能力、创造能力等综合素质的培养，并将积极健康的情感态度价值观的形成明确纳入教育目标体系。新《物理课程标准》也明确提出由传统的填鸭式教学方式，向科学探究学习方式多样化转变；由高深莫测、生涩枯燥、晦涩难懂的讲授，向从学生知识的发生点出发，紧密联系实际，使学生“看得见，摸得着”的近距离接触知识转变。从生活走向物理，从物理走向社会，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
相对于物理学科的其他知识，电学的实践性、应用性、探究性都更强，也更加要求电学的学习要向“看得见，摸得着”的方向转变。虚拟实验作为实现此种转变的重要方式，近年来逐渐得以应用。为优化虚拟实验系统的设计与应用，缓解当前物理实验教学中所存在的突出问题，笔者联合广大一线教师，已开展了近一年的研究工作。本研究得到全国教育信息技术“十二五”规划专项课题及佛山科学技术学院校级科研基金支持，目前取得了部分阶段性成果。
二、当前初中物理电学教学存在的突出问题
研究团队深入教学一线进行调研，发现当前电学教学问题突出，主要体现在：电学教学方式概念化、填鸭式，部分学生对复杂电路甚至电学基本原理的理解还存在较大困难；电学知识和生活实际相脱离，学习兴趣难以激发，电学知识学习变得高深莫测、生涩枯燥；由于设备、课时的限制及出于安全性的考虑，学生在电学实验中动手机会少，常处于“看实验”和“听实验”的状态。
为缓解上述问题，笔者对体验式学习的核心理念及动漫的教育功能进行了深入分析，认为动漫具有强化学习兴趣、促进学习认知、优化主体体验等教育功能，可以以动漫形式，应用基于AS3.0的互动编程技术设计开发一套基于生活应用情景、蕴含体验式学习理念的电学虚拟实验系统，为电学学习创设虚拟的体验环境，还原知识产生、发展和应用的真实情境，有效激发学生的学习兴趣，优化学生的学习体验。
三、体验式学习的内涵和心理机制
1.体验式学习的内涵
体验式学习是体验主体在行为（感官）与心理（心智）层面与外部世界进行深度交往，并逐步顺应外部世界、修正个体经验的过程，是体验主体在一个真实或模拟的情境中，将体验主体的个体经验与外部情境建立联接，并通过认知、体验、反思和顿悟等思维活动，获得新知识、新技能，形成新的态度和价值观的实践过程。体验式学习将体验主体的认知、行为、情感三个方面进行了有效整合，从根本上激活了体验主体的已有经验和认知主动性，从而形成了一种高效的学习方式。体验式学习的核心要义在于情境性、亲历性、互动性、反思性和顿悟性。
2.体验生成的心理机制及过程
体验既是一个主客体的顺应过程，也是创新过程。从体验生成的心理机制来看，体验是主体基于自身的经验并通过行为和情感的主动参与，对外部事物进行感受，并通过认知和反思等思维活动，产生理解的过程，体验的结果是对事物产生情感且生成领悟或意义，并由此促使人的心理获得调整、丰富和发展。体验的生成过程可以概括为如下几个阶段：首先是体验的启动阶段，也可称之为体验激发阶段。此阶段是创设体验情境，并将体验主体的经验与体验情境建立关联；之后是体验主体经过亲历探究，实践感受，进入自主体验阶段；在自主体验的基础上通过个体反思、同化或顺应生成领悟和意义，这是体验的内化阶段；领悟和意义的生成会使体验主体对客体产生更深刻更丰富的内心体验，并借助于分享和评价反馈得到加强，这就进入了体验的强化阶段。所以，体验学习就其心理层面来说是激发――体验――顿悟――强化这么一个心理过程。
四、基于体验式学习理念的电学虚拟实验系统的设计
基于以上分析，我们认为学生使用虚拟实验系统的过程实质上就是一种体验式学习过程。基于体验式学习的核心理念开展虚拟实验系统设计将会有效提高系统的科学性、规范性、有效性。虚拟实验系统的设计应充分考虑体验产生的心理机制和发生过程，为学生开展体验式学习提供有效支持。
根据体验产生的心理机制及发生过程，我们将中学电学虚拟实验系统分为情境案例系统、互动体验系统和智能测评系统三个功能模块，见图1。系统采用B/S架构，学生可随时随地登录系统，进行实验。系统互动编程基于AS3.0，数据库基于PHP+MySql架构。电学元件、情景案例均存储于后台数据库，实现实时扩充。同时用户数据及学习过程均可被实时记录。
1.情景案例系统设计
情景案例系统对应于体验式学习的体验激活阶段。该模块以实景拍摄、动漫模拟、视频剪辑与特效等多种技术手段，模拟电学知识在实际生活中的典型应用，将现实问题再现（如一个房间的照明电路），建立电学知识与实际生活的紧密联系，激活体验主体的生活经验。系统设计了虚拟教师角色，虚拟教师将根据问题情境，系统讲解与之相关的电学原理，引导学生生成体验。同时，伴随着教师的讲解，拟人化的动漫电学元件作出形象、直观的演示，逐步强化体验，学习流程及机理见图2。
情景案例系统包括两个功能模块。“生活中的电学”是针对中学电学在生活的典型应用开发的代表性案例。而“电学科普”主要是通过一系列生动有趣的科普案例，演示安全用电、节约用电、电学常识等电学科普知识以及大量趣味电路，如声控电路、温控电路、报警电路、飞碟电路等。
2.互动体验系统设计
互动体验系统是体验式电学虚拟实验系统的核心模块，对应于体验式学习的自主体验阶段。该模块基于以AS3.0为基础的交互控制技术，构建虚拟体验环境，并采取情境创设、任务驱动、角色扮演等体验学习策略。基于强大的交互功能，学生在这个虚拟的环境中既可以进行基于任务的体验活动，又可以自主创作和设计电路，同时可以选择与虚拟角色或在线学伴进行电路拼装竞赛。互动体验系统包括以下三个模块：
（1）电学仿真实验
电学仿真模块为学生提供了真实、安全的实验环境。学生可以以电学元件为基本元素，自主设置元件属性，并通过鼠标拖拽等简单操作，自由拼装电路，构筑电学实验。系统将对电路连接状态进行智能判断，动态演示电流流向，同时系统可实现实物图和电路图的双向转换。学生的操作过程将伴随着动漫电学元件的语言、动作、表情的生动反馈，学生的实验成果将会存入个人作品库，便于交流、展示和分享。
（2）生活电学体验
生活电学体验模块构建了基于生活应用情景的探究式体验环境。此模块基于前述情景案例系统的支持，由笔者和一线教师一起精心设计了一系列探究任务（如计算某个房间照明电路的总功耗），将电学知识融入到学习者所熟悉的日常应用案例，运用实景拍摄、影视剪辑、动漫演示和语音讲解相结合的方式，创设真实的问题情境，还原知识产生、发展、应用的场景。同时，系统将提供电流表、电压表等一系列支持工具。要求学生能根据问题情境自主决策，选择恰当的工具，测量解决问题所需的相关数据，过滤冗余信息，应用相关知识，解决问题，完成任务。在此过程中学生向虚拟教师求助。系统将以多种方式对学生操作进行实时反馈，强化学习体验，如在学生进行了正确操作时，相关动漫角色将给予表情和言语激励，反之进行相关鼓励；在出现重大操作失误时，系统将借助于元件爆裂、电路燃烧等动漫特效警示学生。
生活电学体验模块集中体现了体验式学习的核心理念，其学习流程及机理如图3所示。学生在进入生活电学体验模块后，首先将面临一个真实的问题情境，学习者必须联系所学知识，对问题进行表征，将所面临的真实问题抽象为物理问题，即定义问题，随后需对相关条件进行分析，明确解决问题所需的信息数据，决定数据获取的方式方法，在此基础上综合所学知识形成问题解决策略并实施。在问题求解失败的情况下，学生可寻求帮助或反思并修正体验过程，对问题进行重新定义，继续体验过程。若求解成功，则将问题解决过程中的相关体验内化顺应，形成自己知识体系的一部分。
（3）电学竞赛
该模块主要是通过竞赛的形式为学生设置挑战，激发学习动机，强化学习体验。学生的竞赛对手是程序控制的虚拟角色或其他在线学伴，竞赛主要形式是电路拼装，包括依据给定电路图连接实物电路和根据实物电路绘制电路图。学生可以自主设定难度，难度越高则规定时间越短，待拼装的电路也越复杂。学生在规定时间内完成电路拼装则胜出，否则失败。学生通过比赛可赢得虚拟奖学金和头衔晋级。
3.智能测评系统设计
智能测评系统包括实验记录、智能导学和成果展示三个模块。我们将对数据挖掘、动态跟踪等技术进行二次开发，并依据影响深远的CIPP评价模式的相关理念构建评价模型，全面记录学生的学习过程，并进行智能导学。学习记录模块将全面记录学生的学习活动和实验数据等过程信息，便于学习者及时查阅；智能导学模块将基于学习记录信息，全面分析学习者在不同类型的学习内容中（学习内容是和知识点相关联的）所用的时间、任务完成情况、失败次数及求助次数，对学习者的学习风格和能力进行定义，指出学习者的知识弱点，进行智能导学，对学习者提出科学的学习建议；成果展示模块保存学习者在互动体验模块中所创作的实验电路，供学习者浏览、分享、展示。
五、结束语
虚拟实验能提供安全、有效的实验环境，拓展实验时空，降低实验成本。同时，虚拟实验能将电学知识与学生经验有效关联，激发学生的主体体验，优化学习效果。但在虚拟实验系统的设计与应用中应注意：摒弃单纯从技术角度出发的设计思维。应深入研究实验过程中学习发生的心理机制，并设法找到与其相契合的教学理论，围绕教学理论的核心理念开展系统设计；在系统设计过程中，应深入教学一线，开展扎实的需求分析，并吸纳一线教师广泛参与，提高系统的针对性与实用性；虚拟实验作为一种技术手段，虽能弥补实验教学的某些不足，但与真实实验尚存在较大差异，只能作为实验教学的有效补充，无法取代真实实验。
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