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智慧课堂环境下仿真游戏项目教学设计

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（KerbalSpaceProgram，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。《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。图1 传统天体运动模型模拟图（左图）与坎巴拉太空计划中的天体运行模拟系统截图（右图）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，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。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。图2 KSP建造界面与真实情况相似，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。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。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。笔者在设定学习项目时，遵循学生认