AR技術(shù)在初中物理實驗中應(yīng)用的思考與實踐

張 璇 郜建輝

天津泰達(dá)實驗學(xué)校(300450) 天津市紅橋區(qū)教師發(fā)展中心(300131)

信息技術(shù)的不斷發(fā)展,不僅為人類的生活生產(chǎn)提供了便捷,也有效推動了教育教學(xué)方式的變革。致力于信息技術(shù)與教育教學(xué)的有機融合,將人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)逐漸融進物理教學(xué)中,可以彌補傳統(tǒng)實驗教學(xué)的諸多弊端。AR技術(shù)即增強現(xiàn)實技術(shù),是對VR(虛擬現(xiàn)實)技術(shù)的擴展。它將虛擬信息融入真實世界,將真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間,學(xué)習(xí)者能在現(xiàn)實的環(huán)境中看到虛擬生成的模型對象,并對其進行操作,從而達(dá)到超越現(xiàn)實的感官體驗。

1 問題的提出

物理是一門實驗的科學(xué),建立在實驗基礎(chǔ)上,以數(shù)據(jù)和現(xiàn)象為認(rèn)知手段。對初中生而言,很多物理知識要通過操作和觀察實驗而獲得。借助AR技術(shù)可以有效地提升學(xué)生在實驗中的沉浸感,提升物理模擬實驗的交互性,增強學(xué)生的實驗興趣。AR技術(shù)支持下的物理學(xué)習(xí),憑借比虛擬實驗更加貼近自然的交互方式,為初中物理實驗教學(xué)帶來了更多可能。

2 AR技術(shù)應(yīng)用于初中物理實驗教學(xué)的理論依據(jù)

在物理實驗教學(xué)中,通過引入AR虛擬仿真實驗技術(shù),以虛擬的形式給學(xué)生提供更多使用實驗裝備的機會,增強實驗資源對課程與實驗的支撐力[2]。同時,很多教育理論也為此提供了理論依據(jù)。

(1)多元智能理論。加德納認(rèn)為人的智能有個體差異性,傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式依賴于學(xué)生的邏輯和讀寫能力,因此很容易讓這方面能力比較弱的學(xué)生產(chǎn)生物理學(xué)習(xí)上的挫敗感。因此我們應(yīng)為學(xué)生創(chuàng)造更多適合自身發(fā)展的條件,AR技術(shù)提供的教學(xué)情境給了學(xué)生發(fā)展的空間。有研究表明,AR技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用,可以在一定程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,對縮小傳統(tǒng)課堂中學(xué)生之間的差距也有一定的作用[3]。

(2)建構(gòu)主義理論。學(xué)習(xí)是主動建構(gòu)的過程,教師要以學(xué)生為中心,創(chuàng)設(shè)情境,引導(dǎo)學(xué)生主動探索知識、進行有意義的建構(gòu)。建構(gòu)主義認(rèn)為學(xué)習(xí)是一種基于真實情境的體驗,AR技術(shù)能突破傳統(tǒng)教學(xué)無法建構(gòu)和表現(xiàn)的物理現(xiàn)象,采用最貼近自然的交互方式給予學(xué)生進行主動建構(gòu)的最大程度的支持,同時也符合皮亞杰“把實驗室搬到課堂中去”的設(shè)想[4]。

3 AR技術(shù)應(yīng)用于初中物理實驗教學(xué)的實踐

傳統(tǒng)的初中物理實驗教學(xué)經(jīng)常會受到時間、場地、儀器、安全等因素的限制,教師基于各種考慮,往往無法滿足教學(xué)中實驗操作的要求。將AR等信息技術(shù)與初中物理實驗教學(xué)進行有機融合,則可以借助技術(shù)手段對實驗教學(xué)進行完善、豐富和創(chuàng)新[5]。

3.1 AR技術(shù)的使用與物理實驗的安全性

在初中物理的教學(xué)中,有些實驗存在諸多安全隱患,教師出于人身安全的角度考慮,往往放棄學(xué)生的實驗操作或教師的實驗演示。為此,學(xué)生也就失去了直觀感受的機會。AR技術(shù)的使用很好地避免了這一隱患,可以在保證安全的前提下,提供近似真實的操作體驗。

案例一:托里拆利實驗

學(xué)生在學(xué)習(xí)大氣壓強時,托里拆利實驗是一個非常重要的實驗,但由于實驗會用到大量的水銀,而水銀是一種有毒物質(zhì),極具危險性,通常實際教學(xué)中教師會放棄實驗操作,采用視頻的方式呈現(xiàn)給學(xué)生實驗過程。

如果利用AR技術(shù)模擬托里拆利實驗,就可以在保證師生安全的前提下進行實驗,理解水銀柱高度與氣壓的關(guān)系,讓學(xué)生安全、高效地?fù)碛懈诱鎸嵉膶嶒烍w驗。或是在用水替代水銀作為測壓液體的情況下,不必尋找10 m以上的管子和更大的實驗場地進行實驗了。

案例二:了解家庭電路

學(xué)生在學(xué)習(xí)家庭電路時,對家庭電路的構(gòu)造往往是通過圖片、演示板等加以了解的,對于家庭電路短路、負(fù)載過大問題,以及安全用電、觸電事故等問題也只是通過理論推導(dǎo)與生活經(jīng)驗相結(jié)合的方式進行學(xué)習(xí)。

通過AR技術(shù),可以模擬出家庭電路,讓學(xué)生沉浸其中了解家庭電路的結(jié)構(gòu),經(jīng)歷接入過多用電器造成總功率過大、電線絕緣皮老化或用電器進水使火線零線連通造成電路短路的情況,甚至體驗電流過大引起火災(zāi)的后果;嘗試遇到觸電事故時,采取正確的解決問題的方法。這樣獲取知識,破解以往“紙上談兵”式的理解知識方式,學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)更加深入。

案例三:電路設(shè)計問題

電路的連接和設(shè)計是學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)知識的關(guān)鍵,但在實際教學(xué)過程中,很多情況下教師出于器材安全的考慮,用虛擬實驗的方式完成教學(xué),這樣缺乏真實性的實驗無法給學(xué)生帶來真正的學(xué)習(xí)體驗。AR技術(shù)的應(yīng)用,則可以在虛擬環(huán)境中模擬真實電路的動態(tài)變化,并反饋實驗的結(jié)果。

學(xué)生在剛剛接觸電學(xué)知識、學(xué)習(xí)電流和電路時,被要求不能把電源的正、負(fù)極用導(dǎo)線直接連到一起;在學(xué)習(xí)電流表的使用時,也被要求不允許把電流表直接接到電源的兩極上。究其原因,學(xué)生只能通過理論知識分析了解其對電路和器材的損害,遠(yuǎn)不及實驗效果帶來的視覺沖擊給學(xué)生留下的印象深刻。甚至在實驗操作中,有個別學(xué)生出于好奇,會進行這種違規(guī)操作的嘗試,造成了一定的安全隱患,利用AR技術(shù)則可規(guī)避掉這些問題。教學(xué)中,可以利用AR技術(shù)模擬出各種電路的元件。學(xué)生在剛接觸電路連接的知識時,教師先不強調(diào)規(guī)范要求,完全放手讓學(xué)生隨意操作,等學(xué)生找到怎樣連接電路能讓用電器工作的方法、發(fā)現(xiàn)電源短路會造成的后果,學(xué)生的印象會更加深刻且避免了安全隱患[6]。需要指出的是,這并不意味著我們要在此拋棄傳統(tǒng)的實驗教學(xué),具有安全意識也是通過物理實驗過程培養(yǎng)學(xué)生的重要能力之一。AR仿真實驗不存在安全隱患,但是不要過于依賴仿真實驗,做到“虛、實”結(jié)合,在完成實驗教學(xué)任務(wù)的同時,提高真實實驗的效率。

3.2 AR技術(shù)能突破限制,創(chuàng)造理想的實驗條件

眾所周知,物理的部分實驗需要通過一些理想條件的設(shè)定,才能產(chǎn)生相應(yīng)的物理效果,但是由于教學(xué)條件以及現(xiàn)實環(huán)境等客觀原因,很難達(dá)到某些“理想條件”的設(shè)定,造成很多實驗在現(xiàn)實教學(xué)中很難實現(xiàn)[7]。通過AR技術(shù)就能夠突破這一限制,創(chuàng)造理想的實驗條件,將物理實驗的變化過程展示給學(xué)生,使學(xué)生獲得視覺和聽覺的體驗,取得實驗觀察的效果,實現(xiàn)實驗教學(xué)的目的。

案例一:聲音的產(chǎn)生與傳播

在學(xué)習(xí)聲音的產(chǎn)生與傳播時,教材上有一個真空罩鬧鐘的實驗需要教師演示,但實際上這個實驗的演示效果并不理想。雖然逐漸抽出玻璃罩內(nèi)的空氣會發(fā)現(xiàn)鬧鐘聲音變小,逐漸讓空氣進入玻璃罩會發(fā)現(xiàn)鬧鐘聲音逐漸變大,卻很難實際驗證玻璃罩內(nèi)鬧鐘處于真空狀態(tài)聽不到聲音的情況。利用AR技術(shù)可以模擬將玻璃罩內(nèi)的空氣逐漸抽出直至達(dá)到真空狀態(tài),使學(xué)生直接得到真空不能傳聲的結(jié)論,獲得學(xué)習(xí)體驗。

案例二:牛頓第一定律

在學(xué)習(xí)牛頓第一定律時,探究阻力對物體運動的影響,讓小車從斜面上同一高度由靜止滑下,保證小車到達(dá)水平面的速度相同,改變水平面的粗糙程度,發(fā)現(xiàn)接觸面越光滑,小車滑行距離越遠(yuǎn),從而推理得到假設(shè)小車運動時不受阻力就不會停下來。利用AR技術(shù)完全可以模擬出光滑的平面,驗證這一假設(shè)。同樣,伽利略斜面實驗也并非實際操作得到結(jié)論,而是在忽略摩擦力影響的假設(shè)下進行的理想實驗。通過AR技術(shù)模擬出絕對光滑無摩擦的斜面及環(huán)境,小球從斜面的某一高度滾下必會達(dá)到另一斜面的同一高度,讓學(xué)生更加直觀地看到理想狀態(tài)下的情況。在現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的理想實驗在AR技術(shù)的加持下得到了實現(xiàn),這對降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷、簡化認(rèn)知難度有積極作用。

3.3 AR技術(shù)能將抽象的物理知識進行可視化表達(dá)

物理實驗“可視化”是學(xué)生開展科學(xué)探究學(xué)習(xí)的重要方式,能夠吸引他們參與到觀察與體驗、猜想與假設(shè)、分析與交流、實踐與創(chuàng)造等實驗過程中,讓學(xué)生獲得更形象、更直觀、更真實的認(rèn)知體驗[8]。AR技術(shù)的使用,能讓抽象的物理知識具體化、形象化、圖示化,可以很好地促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

案例一:汽油機的構(gòu)造

對于物體的內(nèi)部構(gòu)造,如汽油機,教師一般不可能真的拆解出一臺汽油機帶到課堂上供學(xué)生研究,該教學(xué)過程在教學(xué)中往往以動畫形式展現(xiàn),學(xué)生理解起來并不容易。我們可以利用AR技術(shù),使學(xué)生置身汽車內(nèi)部,逐漸將其拆解,看到內(nèi)部的構(gòu)造及汽油機四個沖程的發(fā)生過程,輔以運動及能量轉(zhuǎn)化過程的分析講解,讓學(xué)生更有學(xué)習(xí)興趣,并印象深刻。對于電動機、發(fā)電機的學(xué)習(xí)也可以采取類似的手段。

案例二:流體壓強

對于現(xiàn)實中肉眼無法看到的內(nèi)容,我們用AR技術(shù)進行模擬實驗,能更加清晰直觀地進行表達(dá)。如對于看不見的氣流帶來的飛機機翼上下表面的壓強差,學(xué)生可以在AR模擬場景下,體驗不同壓強差下的飛機起落,理解飛機升力產(chǎn)生的原因。如學(xué)習(xí)聲音是以波的形式傳播時,該知識點較為抽象,可以將看不見的聲波利用AR技術(shù)進行模擬,讓學(xué)生看到隨著發(fā)聲體的振動,空氣以疏密相間的形式由近及遠(yuǎn)地傳播,從而理解聲波。再如磁場的學(xué)習(xí),我們知道磁場是看不見摸不著但又客觀存在的,通過AR技術(shù)模擬出磁體周圍的磁感線,使得學(xué)生的學(xué)習(xí)不再僅僅停留在理論的推演與平面的繪畫,而是真切地看到立體的磁感線,通過手勢等與虛擬的磁場進行實時交互,從而感受空間中磁場的真實存在[9]。

4 AR技術(shù)應(yīng)用于初中物理實驗教學(xué)的優(yōu)勢和不足

利用AR技術(shù)開展教學(xué)的優(yōu)勢在于它能夠跨越空間的限制,真實地模擬出實驗現(xiàn)象,具有交互功能,不僅能讓學(xué)生獲取知識,并且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(1)隨著AR技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛,仿真實驗的針對性也越來越強。針對中學(xué)物理的仿真實驗已經(jīng)做得越來越精細(xì),涉及到實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié),不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實驗?zāi)康?、原理、操作等方面的學(xué)習(xí),還能進行實際化、應(yīng)用化的模擬,直接呈現(xiàn)生活、生產(chǎn)中的實例,讓學(xué)生更加直觀地將物理與生活相關(guān)聯(lián)。

(2)AR技術(shù)具有可重復(fù)性,利用AR軟件進行仿真實驗,學(xué)生能夠不斷嘗試、無限重復(fù)地操作,根據(jù)不同的實驗條件、實驗操作等模擬出科學(xué)的實驗結(jié)果。

(3)AR技術(shù)具有可逆性,真實的實驗必須嚴(yán)格按照規(guī)范的實驗步驟進行操作,由于實驗條件或者儀器使用的限制,實驗不可逆。但是使用仿真實驗可以在實驗過程中根據(jù)教學(xué)需要任意修改實驗操作,實現(xiàn)可逆。

(4)AR仿真實驗的實驗現(xiàn)象和結(jié)果具有瞬時性,不同于現(xiàn)實實驗操作中需耗費時間等待結(jié)果,設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)或者條件能夠瞬時得到對應(yīng)的實驗現(xiàn)象,適用于驗證實驗或者演示實驗的教學(xué)。

AR技術(shù)的使用可以為教學(xué)帶來便捷,但也有它的局限性。①AR仿真實驗成本較高,由于需要通過AR技術(shù)來實現(xiàn)虛擬物理仿真實驗,就必須匹配相應(yīng)的硬件設(shè)備,成本不菲。同時對于模型的設(shè)計、實現(xiàn)的要求較高,需要專業(yè)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練以及大量的時間來構(gòu)建新的場景和元素,對于需要定制內(nèi)容的老師來說,所需要的學(xué)習(xí)成本也很高,因此現(xiàn)階段全面普及尚有很大的難度;②無法實現(xiàn)動手能力的培養(yǎng),由于物理學(xué)科的特殊性,通過實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的動手能力、實驗分析能力、合作探究能力等,AR仿真實驗不能實現(xiàn)真實實驗的動手操作,不能夠代替真實實驗對這一能力的培養(yǎng);③仿真實驗的實驗過程、現(xiàn)象和結(jié)果是理想狀態(tài)下的,而實際實驗操作中的誤差是真實存在且不可避免的,科學(xué)合理地分析實驗誤差是必要環(huán)節(jié),也是通過實驗培養(yǎng)學(xué)生的重要能力之一,而AR仿真實驗無法模擬誤差的存在。如果長期依賴仿真實驗,會使學(xué)生錯誤地認(rèn)為實驗是完美的、易成功的,不利于探究精神的培養(yǎng)?！澳M真理”代替不了“檢驗真理”,實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn),AR仿真實驗是建立在真實實驗操作的基礎(chǔ)上的,是對實驗的驗證,不能夠代替實驗操作。

基于以上分析,我們認(rèn)為,AR技術(shù)應(yīng)該是在恰當(dāng)?shù)臅r候服務(wù)教學(xué),而非濫用。

5 結(jié)束語

AR技術(shù)應(yīng)用于初中物理實驗教學(xué),實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)科技和課程內(nèi)容的融合。教師要科學(xué)、合理地使用AR技術(shù)。物理知識的學(xué)習(xí)仍應(yīng)該建立在真實實驗基礎(chǔ)上,AR技術(shù)的使用應(yīng)適度適量、不過分依賴,才能真正發(fā)揮其優(yōu)勢。AR仿真實驗與物理教學(xué)的科學(xué)融合符合信息化2.0對初中物理教學(xué)的要求,隨著不斷的嘗試與發(fā)展,其使用系統(tǒng)將更加完善,將更好地應(yīng)用于初中物理日常實驗教學(xué),調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、促進學(xué)生發(fā)展。