AR技術(shù)助力“萬有引力與航天”教學(xué)
——以“行星的運(yùn)動(dòng)”為例

張威明 鄧 飛

(新昌中學(xué)，浙江 新昌 312500)

萬有引力定律是牛頓力學(xué)的核心內(nèi)容之一,該定律的提出對我們的日常生活與社會(huì)產(chǎn)生巨大影響.在傳統(tǒng)教學(xué)中,教師會(huì)通過教具、圖片、視頻等教學(xué)素材進(jìn)行知識講解,同時(shí),人教版高中物理教材為了更好地讓學(xué)生掌握知識,專門開設(shè)了“STS”欄目來列舉航天與生活相關(guān)的事例.但這些教學(xué)形式還不夠生動(dòng)、形象、直觀,更缺乏與學(xué)生的交互.AR技術(shù)運(yùn)用到教育教學(xué)中則能很好地彌補(bǔ)了這些難題.

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Augmented Reality,簡稱 AR),是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D模型的技術(shù),這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)情景中并進(jìn)行互動(dòng).[1]相比于傳統(tǒng)的“萬有引力與航天”教學(xué),AR技術(shù)運(yùn)用天體物理教學(xué),能幫助學(xué)生把日常生活中無法直接接觸的天體放到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,讓學(xué)生能以上帝視角觀察、研究天體.不僅能化繁為簡,提高教學(xué)效率,而且增強(qiáng)了學(xué)生的互動(dòng)體驗(yàn),激發(fā)學(xué)生探究精神,培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng).

1 AR技術(shù)運(yùn)用于天體物理教學(xué)的探索

1.1 教材學(xué)情分析

為更好地將AR技術(shù)運(yùn)用于天體物理教學(xué),需要對教材和學(xué)情進(jìn)行深入分析,明確AR技術(shù)的使用目的和AR教學(xué)設(shè)計(jì)意圖.

人教版高中物理必修2第6章“萬有引力與航天”是應(yīng)用了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的同時(shí),結(jié)合了開普勒定律對曲線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的研究.[2]而“行星的運(yùn)動(dòng)”作為本章第一節(jié),對全章的教學(xué)起著引領(lǐng)作用.該節(jié)的學(xué)習(xí)重點(diǎn)是開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律的建立,但是學(xué)生對能量知識的缺失以及空間想象能力與物理建模能力的欠缺,再加上學(xué)生會(huì)認(rèn)為這是科學(xué)家所要研究的,把行星的運(yùn)動(dòng)想得過于神秘和高不可攀,在學(xué)習(xí)這一章時(shí)心理上會(huì)產(chǎn)生畏難情緒.這些都在一定程度上造成學(xué)生學(xué)習(xí)的困難.

1.2 知識原理剖析

開普勒用了20年的時(shí)間研究了老師第谷的行星觀測記錄,歸納出行星運(yùn)動(dòng)的三大定律.開普勒第一定律告訴我們所有行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓,太陽處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上,說明了行星運(yùn)動(dòng)的軌道特征.開普勒第二定律告訴我們對任意一個(gè)行星來說,它與太陽的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積,因此行星在近日點(diǎn)運(yùn)行速度比較大,在遠(yuǎn)日點(diǎn)運(yùn)行速度比較小.開普勒第三定律告訴我們所有行星的軌道的半長軸的3次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的2次方的比值都相等,[3]它蘊(yùn)含著行星運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系,是牛頓得出萬有引力定律的基礎(chǔ).而實(shí)際上行星的軌道與圓十分接近,所以在中學(xué)階段按圓軌道處理.這樣便可以說行星的運(yùn)動(dòng)軌道是圓,太陽處于圓心處;行星繞太陽做勻速圓周運(yùn)動(dòng);所有行星軌道半徑的3次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的2次方的比值都相等.在這一節(jié)中行星運(yùn)動(dòng)模型的建立、修正與發(fā)展的歷史是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與物理建模的極好材料,因此教師在教學(xué)中應(yīng)予以重視.

1.3 AR設(shè)計(jì)與應(yīng)用

為了讓學(xué)生可以自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),動(dòng)手操作整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程,培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力及學(xué)習(xí)能力,筆者選擇“物理實(shí)驗(yàn)室”這款A(yù)PP進(jìn)行AR教學(xué).在該款軟件中教師與學(xué)生可以自由模擬甚至創(chuàng)造星系,不受教材或經(jīng)驗(yàn)限制,當(dāng)然也可以讀取其他人已經(jīng)開發(fā)好的的星系,如圖1所示.

圖1 天體AR素材庫

圖2 自制太陽系

圖3 通往太陽系的傳送門

筆者根據(jù)太陽系內(nèi)各個(gè)天體的運(yùn)行數(shù)據(jù),把行星放在相應(yīng)的軌道并賦予相應(yīng)的速度,以此來模擬太陽系的運(yùn)行,如圖2所示.同時(shí)有兩種虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的方式可供選擇,一種方式是在現(xiàn)實(shí)世界中建立一個(gè)傳送門,通過傳送門就能進(jìn)入太陽系進(jìn)行觀察與研究,如圖3所示.另一種方式是在現(xiàn)實(shí)的場景中直接植入太陽系.在學(xué)習(xí)本章“行星的運(yùn)動(dòng)”時(shí),筆者首先載入自己制作的太陽系,為了讓學(xué)生手可摘“星辰”,拉近學(xué)生與各大天體的距離,筆者選擇了第2種結(jié)合方式.同時(shí)為了讓學(xué)生更好地觀察研究,筆者運(yùn)用了同屏技術(shù),如圖4所示.

圖4 手可摘“星辰”

接下來學(xué)生便可以在教室里對太陽系進(jìn)行觀察與研究,學(xué)生可以看到各大行星繞太陽運(yùn)動(dòng)的軌道是橢圓,但是與圓軌道十分接近,太陽處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上,如圖5甲、乙、丙所示;還發(fā)現(xiàn)行星繞太陽運(yùn)動(dòng)時(shí)在近日點(diǎn)運(yùn)行速度比較大,在遠(yuǎn)日點(diǎn)運(yùn)行速度比較小;學(xué)生通過秒表與卷尺記錄水星、金星、地球、火星的運(yùn)行周期與半長軸的長度,如圖6所示.教師則提供在課前測好的木星、土星、天王星、海王星的運(yùn)行周期與半長軸的長度.為了找出這兩個(gè)物理量之間的關(guān)系,筆者建議學(xué)生把地球的運(yùn)行周期作為一個(gè)時(shí)間單位,把地球橢圓軌道的半長軸作為一個(gè)長度單位,然后使用計(jì)算器算出其它行星的相對周期與相對距離.接下來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如表1、表2所示,可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)行星的軌道的半長軸的3次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的2次方的比值是1,因?yàn)橛玫牟皇菄H制單位,所以半長軸的3次方跟它的公轉(zhuǎn)周期的2次方的比值應(yīng)該是一個(gè)定值.

(甲)

(乙)

(丙)

圖6 數(shù)據(jù)測量

行星等比例半長軸長度/m等比例周期/s水星0.297.2金星0.4918.5地球0.6830.0火星1.0458.1木星3.54354.1土星6.46885.7天王星12.802508.2海王星19.804902.2

表2 數(shù)據(jù)處理表

該軟件還可以高精度模擬一些日常生活中不會(huì)遇到的一些情景,如太陽突然消失,那么8大行星會(huì)怎么運(yùn)動(dòng),這引起了學(xué)生激烈的討論.學(xué)生討論完之后,筆者把太陽刪除,發(fā)現(xiàn)各大行星幾乎都沿太陽消失時(shí)前進(jìn)的方向做勻速直線運(yùn)動(dòng).

1.4 AR教學(xué)反思與改進(jìn)

8大行星的運(yùn)行周期跨度非常大,如海王星的運(yùn)行周期是水星運(yùn)行周期的684倍.那么水星、金星記錄下的時(shí)間較短,而天王星、海王星記錄下的時(shí)間非常長,如果全部記錄這樣會(huì)降低課堂的效率.“物理實(shí)驗(yàn)室”這款A(yù)PP可以調(diào)節(jié)太陽系的運(yùn)行速度.但是即使調(diào)到最快的速度——現(xiàn)實(shí)世界的1年等于虛擬世界的30s,木星、土星、天王星、海王星的周期還是很長,那么建議教師課前去操場上先把這4個(gè)行星的數(shù)據(jù)測好備用.

在這節(jié)課上學(xué)生是通過AR技術(shù)觀察研究太陽系,推導(dǎo)出了開普勒的三大定律.但是托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等科學(xué)家是在地球上觀察與研究星空,卻總結(jié)出這3大行星運(yùn)動(dòng)定律,可以預(yù)想到這些科學(xué)家探究真理的過程是多么的曲折與艱難.學(xué)生更能體會(huì)到科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往是幾代科學(xué)家堅(jiān)持不懈努力的結(jié)果,以及科學(xué)家們對真理的追求與執(zhí)著.

相比于傳統(tǒng)教學(xué),通過AR技術(shù)能較為輕松地研究出一些物理結(jié)論,但教師應(yīng)提醒學(xué)生科學(xué)先輩們往往是用他們的智慧克服諸多困難之后才有所就,要讓學(xué)生感受到真理的探索過程是充滿艱辛,讓科學(xué)家的優(yōu)秀意志品質(zhì)影響學(xué)生情感態(tài)度價(jià)值觀的養(yǎng)成.

在“萬有引力與航天”的教學(xué)中采用AR技術(shù)取得良好的教學(xué)效果,該技術(shù)也可用于其它模塊,如力、聲、電、光、熱、磁等領(lǐng)域均可使用.

2 總結(jié)與建議

近年來,隨著AR技術(shù)的日趨成熟,在教學(xué)中運(yùn)用AR技術(shù)能讓學(xué)生能身臨其境去感受那些難呈現(xiàn)、難理解、難觀察的知識,培養(yǎng)學(xué)生探究能力,提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng),豐富了一線物理教師的教學(xué)方法.在AR技術(shù)應(yīng)用“萬有引力與航天”的探索過程中,筆者有以下幾點(diǎn)思考.

(1) AR技術(shù)不僅適用于天體物理,在研究電場、磁場時(shí),由于場在空間看不見摸不著,使用AR技術(shù)后便能將場形象地展示出來.

(2) 教師應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn),不斷學(xué)習(xí),不斷接受新事物.

(3) 在AR教學(xué)過程中,應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,培養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、探究能力、邏輯思維能力.

(4) 為了保持AR教育的鮮活度,應(yīng)不斷制作AR素材,制作時(shí)應(yīng)回歸課本,對知識進(jìn)行深度剖析,制作出與物理課堂相匹配的AR的素材.