AR教育資源支持下的初中物理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

聶鑫 李甦

摘要：突發(fā)公共衛(wèi)生事件狀況下，為確保教學(xué)活動正常進(jìn)行，學(xué)校可利用互聯(lián)網(wǎng)平臺開展在線教學(xué)。物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，在線教學(xué)過程中，指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理實(shí)驗(yàn)情境，保證物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量，具有重要意義。依據(jù)義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有的AR教育資源和交互平臺，構(gòu)建基于AR應(yīng)用的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，促進(jìn)初中物理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：初中物理? AR教育? 在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)

引用格式：聶鑫，李甦.AR教育資源支持下的初中物理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].教學(xué)與管理，2022（06）：94-96.

在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)是指在網(wǎng)絡(luò)與硬件設(shè)備的支持下，師生利用第三方平臺，以直播講解、虛擬實(shí)驗(yàn)操作等多樣化的形式開展的實(shí)踐性教學(xué)，是通過在線實(shí)驗(yàn)、觀察、測定和分析，使學(xué)生獲得知識、發(fā)展能力的一種線上教學(xué)組織形式。當(dāng)前，新冠疫情特殊時期尚未結(jié)束，對于國內(nèi)少數(shù)的中高風(fēng)險地區(qū)，中小學(xué)必須根據(jù)實(shí)際情況開展在線教學(xué)。實(shí)驗(yàn)是初中物理課程中的重要組成部分，在線教育狀態(tài)下，若以單純的語言講授或多媒體展示代替實(shí)驗(yàn)操作，其教學(xué)效果必然會受到影響。因此，開展在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)勢在必行。借助當(dāng)前已有的AR教育資源，構(gòu)建在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，不僅豐富了AR技術(shù)應(yīng)用于初中物理在線教學(xué)的理論研究，而且在當(dāng)前形勢下具有其實(shí)際應(yīng)用價值。

一、初中物理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)原則

任何物理實(shí)驗(yàn)都具有科學(xué)性、對照性、單一變量、平行重復(fù)、可操作性、嚴(yán)整性等原則。因此，開展在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)時，教師同樣需遵循這些原則，以促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課中，為了得到可靠的結(jié)論，教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)的次數(shù)一般為3次;在線實(shí)驗(yàn)的操作全過程均在虛擬平臺上實(shí)現(xiàn)，其中各類元件、器材的性質(zhì)（參數(shù)）可以自由設(shè)定，只需手動輸入不同的數(shù)據(jù)，修改較為方便，因此可以視實(shí)際情況適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)。除了上述原則外，因其授課形式的不同，在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中還需遵循以下原則。

1.整合性原則

所謂整合性，既是教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生主體作用的整合，也是所選用的直播平臺、AR資源平臺以及互動交流平臺之間的整合。以演示實(shí)驗(yàn)為主的實(shí)驗(yàn)課容易讓教師走向“滿堂灌”的教學(xué)模式，而在線實(shí)驗(yàn)過程無教師指導(dǎo)、參與的放縱型教學(xué)模式會使學(xué)生感到迷茫，不知道如何解決模擬實(shí)驗(yàn)中存在的問題，因而在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師主導(dǎo)與學(xué)生主體的整合必不可少。本文中選用的三種類型平臺都有其自身的重要作用，通過教師講解演示、學(xué)生動手操作、師生交流反饋等環(huán)節(jié)形成了完整的在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程。現(xiàn)代化教學(xué)資源的使用增加了在線實(shí)驗(yàn)課的趣味性和體驗(yàn)性，但這并不意味著要將所有可選的資源全部放在一起使用。整合的內(nèi)涵是將零散的事物彼此銜接以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，形成有價值、有效率的整體;過度疊加不僅會增加學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的負(fù)擔(dān)，還會浪費(fèi)時間和資源。

2.交互性原則

在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的交互性是人人交互、人機(jī)交互和APP之間相交互的結(jié)合。人人交互包括師生、生生之間的多重交互，教學(xué)過程建立在師生信息交流和情感交流的基礎(chǔ)上，以提高學(xué)生的能力為目標(biāo);人機(jī)交互是指通過在線直播平臺開展實(shí)驗(yàn)課的過程中師生的實(shí)時參與，既包括教師控制多媒體演示實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行，也包括教師運(yùn)用電腦、手機(jī)等設(shè)備傳輸電子任務(wù)單，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報告、完成模擬物理實(shí)驗(yàn)以及向教師傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過程;APP之間的交互主要指在開發(fā)與完善過程中其本身具有的相互調(diào)用的功能，在線實(shí)驗(yàn)課程中整合了多種形式的APP輔助教學(xué)，交互性顯而易見。例如，在登錄NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室的PC端時，可以選擇“使用第三方登錄”——“微信”或“QQ”;在傳輸虛擬實(shí)驗(yàn)的相關(guān)文件時，選擇應(yīng)用內(nèi)需要分享的內(nèi)容，調(diào)用在線教學(xué)所選用的社交媒體軟件，即可實(shí)現(xiàn)師生之間文件的分享。

3.真實(shí)性原則

真實(shí)性是指在線實(shí)驗(yàn)過程中，選用的演示實(shí)驗(yàn)真實(shí)可靠，模擬實(shí)驗(yàn)中的器材等應(yīng)與實(shí)物的基本特征相一致，教學(xué)要與真實(shí)生活相關(guān)聯(lián)。本文中的在線實(shí)驗(yàn)基于AR技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)教育資源開展，其中運(yùn)用了三維建模、智能交互等多種技術(shù)手段，通過3D技術(shù)在真實(shí)物體上疊加虛擬對象、模擬仿真操作實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)之間的無縫交互[2]。因而，軟件中各種虛擬器材從模式、外觀到性質(zhì)均完美復(fù)現(xiàn)了實(shí)物細(xì)節(jié)（如圖1），增加了在線實(shí)驗(yàn)操作過程的真實(shí)感，對于學(xué)生正確認(rèn)識各種實(shí)驗(yàn)器件的特點(diǎn)、使用方式及注意事項(xiàng)等方面具有一定的促進(jìn)作用。

事實(shí)上，在AR教育資源的支持下，無論線上還是線下，物理實(shí)驗(yàn)的可操作范圍變得更加廣泛。例如，電學(xué)板塊關(guān)于短路及超負(fù)荷的內(nèi)容，由于實(shí)物操作會導(dǎo)致元器件損壞，教師通常只為學(xué)生講解理論知識，即使播放多媒體演示實(shí)驗(yàn)，其中也都是以動畫的形式描述實(shí)驗(yàn)過程。但在虛擬操作平臺中，可以在無實(shí)物損壞和無現(xiàn)實(shí)危害的前提下觀察到電路連接錯誤或元件規(guī)格選用不當(dāng)造成的后果，強(qiáng)化相關(guān)操作的規(guī)范，體現(xiàn)了真實(shí)性。

二、初中物理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中提出了關(guān)于初中物理學(xué)科教學(xué)過程與方法目標(biāo)的要求：“通過參與科學(xué)探究活動，學(xué)習(xí)擬訂簡單的科學(xué)探究計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)方案，有控制實(shí)驗(yàn)條件的意識，能通過實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)，會利用多種渠道收集信息，有初步的信息收集能力?！盵3]當(dāng)前，在線物理實(shí)驗(yàn)課大多僅以多媒體演示實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)，教學(xué)過程更側(cè)重理論分析，學(xué)生僅通過觀察，難以提升科學(xué)探究能力和動手實(shí)踐能力，這與課程標(biāo)準(zhǔn)的要求是相悖的，因而本文中提及的在線物理實(shí)驗(yàn)還包括以學(xué)生為主體的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[4]，讓學(xué)生能夠親自動手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。初中物理教材中包括聲、光、熱、電、力五大板塊，主要實(shí)驗(yàn)見表1。

在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，課前準(zhǔn)備至關(guān)重要，它關(guān)系到教學(xué)能否順利進(jìn)行;正式開展在線實(shí)驗(yàn)課的過程中，通過線上的互動，使學(xué)生在順利完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時，教師及時進(jìn)行評價、反饋與總結(jié)（如圖2）。

課前準(zhǔn)備包括資源的選用和使用指導(dǎo)，教師依據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況開展調(diào)查研究，同時應(yīng)構(gòu)建適用于這一教學(xué)模式的評價體系。在線實(shí)驗(yàn)課同樣包括課程的導(dǎo)入、提出問題、實(shí)驗(yàn)探究、數(shù)據(jù)的記錄與分析、得出結(jié)論、提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果、評價反饋交流七個環(huán)節(jié)，在已有設(shè)備和應(yīng)用的支持下，將多種教育資源進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生能夠自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，選擇虛擬實(shí)驗(yàn)器材，完成在線物理規(guī)律的探索過程。為了保證操作的規(guī)范性，且不與實(shí)物操作相脫離，教師可以自行錄制微課或選用網(wǎng)上的優(yōu)質(zhì)慕課進(jìn)行在線播放，以輔助學(xué)生開展模擬實(shí)驗(yàn)。前者用于彌補(bǔ)由于物質(zhì)條件受限導(dǎo)致的學(xué)生無法進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)操作，后者用于彌補(bǔ)由于空間限制導(dǎo)致的教師不能進(jìn)行實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)。教師通過在線直播平臺，為學(xué)生講解相關(guān)的實(shí)驗(yàn)原理、虛擬仿真平臺的使用方法和實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)，引導(dǎo)學(xué)生主動探究，將課本知識、科學(xué)方法、操作能力、思維運(yùn)用相結(jié)合，在順利完成模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以科學(xué)的邏輯思維方式分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到正確的結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力以及勇于創(chuàng)新的意識，促進(jìn)學(xué)生所學(xué)知識的有效遷移。學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，選用實(shí)驗(yàn)器材，在虛擬操作平臺上完成實(shí)驗(yàn)過程，將得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在軟件自帶的保存功能或設(shè)備的錄屏功能進(jìn)行記錄，與電子實(shí)驗(yàn)報告一同提交到教師指定的平臺。最后，教師應(yīng)及時評價，列出在線實(shí)驗(yàn)中存在的問題，組織學(xué)生集體討論，做好反饋和總結(jié)。

三、初中物理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的注意事項(xiàng)

1.在線實(shí)驗(yàn)的平臺選擇

當(dāng)前在線教學(xué)所需要的工具包括以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、平板等設(shè)備，師生實(shí)現(xiàn)教與學(xué)常用的直播平臺有騰訊空中課堂、騰訊會議、超星學(xué)習(xí)通等，同時還包括微信、QQ、釘釘?shù)壬缃幻襟w軟件。此外，本研究選用的基于AR技術(shù)的物理教學(xué)輔助軟件——“物理實(shí)驗(yàn)室”和“NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室”，二者均為無需器材即能進(jìn)行高精度中小學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的開放型應(yīng)用，其中專業(yè)引擎能夠精準(zhǔn)計(jì)算模擬結(jié)果，且操作簡便。不同的是，“物理實(shí)驗(yàn)室”這款軟件僅可在移動端使用，支持iOS和Android兩大系統(tǒng)，其中包括“電學(xué)實(shí)驗(yàn)”“電與磁實(shí)驗(yàn)”和“天體物理實(shí)驗(yàn)”三大主要模塊，若想通過該軟件完成諸如凸透鏡成像、杠桿原理等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，則需考慮對軟件內(nèi)容的進(jìn)一步開發(fā)?！癗OBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室”同時支持PC端和移動端使用，其中包括聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、電學(xué)等八大模塊，內(nèi)容更豐富，設(shè)備適配性更高，但其中某些功能需要開通VIP才能解鎖，為使廣大師生能夠應(yīng)用到所需資源，則需加強(qiáng)校企合作。

2.在線實(shí)驗(yàn)的評價反饋

在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，受空間條件限制，教師無法當(dāng)場對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況作出評價，因而需要指導(dǎo)學(xué)生提交錄制的虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程，并從知識認(rèn)知、操作過程、學(xué)習(xí)情感等方面合理構(gòu)建評價體系。在線實(shí)驗(yàn)評價要考慮學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知程度、虛擬實(shí)驗(yàn)操作的熟練程度以及線上討論的積極程度。反饋既要包括教師對學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程的及時總結(jié)與指導(dǎo)，還應(yīng)包括學(xué)生對在線物理實(shí)驗(yàn)課程的感受與建議。對于在校師生來說，可以通過在線交流討論、編制與填寫電子問卷并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等形式開展反饋過程，這種方法比較簡單，但通常會帶有一定的個人主觀性。對于AR教育資源的開發(fā)者而言，應(yīng)致力于開發(fā)初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)反饋系統(tǒng)，使教師能以學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)擊APP內(nèi)的操作過程作為觸發(fā)事件，收集相應(yīng)數(shù)據(jù)，這種方法具有較強(qiáng)的技術(shù)性，目前仍處于研究階段。

疫情期間在線教育的迅速發(fā)展促進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)的變革，近年來AR教育資源的興起為在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展提供了可能。開展在線實(shí)驗(yàn)課程前，教師需充分考慮到學(xué)生可能遇到的問題和困難，站在學(xué)生的角度看問題，引導(dǎo)學(xué)生在順利完成模擬實(shí)驗(yàn)的同時將反思評價嵌入到實(shí)驗(yàn)探究中，使學(xué)生能夠正確評價自己的實(shí)踐過程，關(guān)注其理性精神的形成[6]。另一方面，教師應(yīng)更加關(guān)注后進(jìn)生的在線實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)情況，整個在線教學(xué)過程中，師生之間正確的溝通方式、合理的溝通頻率與及時的反饋總結(jié)必不可少。

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[作者：聶鑫（1993-），女，黑龍江雙鴨山人，云南大學(xué)職業(yè)與繼續(xù)教育學(xué)院，碩士生;李甦（1963-），男，云南昆明人，云南大學(xué)職業(yè)與繼續(xù)教育學(xué)院，教授，碩士生導(dǎo)師。]

該文為2020年度云南大學(xué)職業(yè)與繼續(xù)教育學(xué)院第六屆研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目“基于AR教學(xué)資源的初中物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)設(shè)計(jì)研究”的研究成果