借助AR技術(shù)開展初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究

朱周華

［摘 要］文章首先分析了借助AR技術(shù)開展初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，然后從AR技術(shù)的交互性、逼真場(chǎng)景模擬以及合作式學(xué)習(xí)功能出發(fā)，提出借助AR技術(shù)開展初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建議。

［關(guān)鍵詞］AR技術(shù)；初中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

［中圖分類號(hào)］??? G633.7??????? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］??? A??????? ［文章編號(hào)］??? 1674-6058（2024）14-0050-03

隨著科技的不斷發(fā)展，AR技術(shù)作為一種前沿且充滿潛力的教學(xué)工具，正逐漸滲透到教育領(lǐng)域。初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，亟待創(chuàng)新教學(xué)方法以適應(yīng)新時(shí)代的需求。本文旨在通過(guò)探究借助AR技術(shù)開展初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，以及整合AR技術(shù)的交互性、逼真場(chǎng)景模擬以及合作式學(xué)習(xí)功能，為初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入新的活力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實(shí)踐能力，進(jìn)而為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

一、AR技術(shù)概述

AR技術(shù)，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種將虛擬信息融合到真實(shí)世界中的技術(shù)。它通過(guò)計(jì)算機(jī)生成的元素，如文字、圖像、音頻和視頻等，與用戶的真實(shí)環(huán)境實(shí)時(shí)地結(jié)合并互動(dòng)，從而形成一種超越現(xiàn)實(shí)的感知體驗(yàn)。AR技術(shù)不僅能夠改變?nèi)藗儗?duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知方式，還能夠?yàn)榻逃?、娛?lè)、工業(yè)設(shè)計(jì)和醫(yī)療等領(lǐng)域提供全新的交互模式和解決方案。在現(xiàn)代教育領(lǐng)域，特別是在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，AR技術(shù)的應(yīng)用正逐漸成為一種創(chuàng)新的教學(xué)方法，它能夠幫助學(xué)生更直觀、生動(dòng)地理解物理現(xiàn)象和原理，提高學(xué)習(xí)效果。

二、借助AR技術(shù)開展初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

（一）增強(qiáng)理論知識(shí)的可視化與直觀理解

初中物理課程涵蓋了許多抽象的概念和定律，如光的折射、反射和牛頓定律等。對(duì)初中生而言，這些抽象的概念和定律往往難以通過(guò)文字描述或平面圖像來(lái)完全理解，AR技術(shù)為這些問(wèn)題提供了解決方案。通過(guò)AR技術(shù)，教師可以將這些抽象的概念和定律以三維模型、動(dòng)態(tài)模擬等形式展現(xiàn)出來(lái)，讓學(xué)生能直觀地觀察到物理現(xiàn)象的發(fā)生過(guò)程。例如，在教學(xué)“光現(xiàn)象”時(shí)，教師可利用AR技術(shù)模擬光的折射和反射過(guò)程，讓學(xué)生通過(guò)觀察光線在不同介質(zhì)中的傳播路徑的變化，深刻理解光的折射和反射的定義及條件。又如，在教學(xué)“力”時(shí)，教師可以通過(guò)AR技術(shù)模擬物體受力后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，幫助學(xué)生更直觀地理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律。這種直觀的教學(xué)方式，不僅降低了學(xué)生的理解難度，還提高了他們學(xué)習(xí)物理的興趣。

（二）提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性與可操作性

在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用AR技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以顯著提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全性與可操作性。例如，在講授電路連接和電流流向的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，如果讓學(xué)生進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)有可能存在短路和觸電的風(fēng)險(xiǎn)。而通過(guò)AR技術(shù)，可為學(xué)生構(gòu)建一個(gè)逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)室。在這個(gè)安全的虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以自由地連接電路元件、觀察電流流向，無(wú)須擔(dān)心真實(shí)的電流帶來(lái)的危險(xiǎn)。此外，虛擬實(shí)驗(yàn)室還允許學(xué)生在無(wú)壓力的情況下反復(fù)練習(xí)電路連接，從而加深對(duì)電流流向的理解。這種教學(xué)方式，不僅降低了實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，保障了學(xué)生的安全，還提高了學(xué)生的電路操作能力。

（三）激發(fā)與培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與自主探究能力

在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用AR技術(shù)，能夠極大地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力。例如，在引導(dǎo)學(xué)生探究光的折射現(xiàn)象時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)往往局限于固定的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和參數(shù)，而AR技術(shù)為學(xué)生搭建了一個(gè)開放的探究平臺(tái)。通過(guò)AR技術(shù)，學(xué)生可以自由地改變光源的位置、角度和介質(zhì)的屬性，觀察光在不同條件下的折射行為。這種互動(dòng)式的教學(xué)方式，激發(fā)了學(xué)生的好奇心和探究欲望，促使他們主動(dòng)提出問(wèn)題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并通過(guò)自主探究來(lái)驗(yàn)證自己的猜想和假設(shè)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的創(chuàng)新思維得到了鍛煉，自主探究能力得到了提升。

三、借助AR技術(shù)開展初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建議

（一）設(shè)計(jì)交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)

在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助AR技術(shù)設(shè)計(jì)交互式學(xué)習(xí)任務(wù)是一種有效的教學(xué)策略。通過(guò)利用AR技術(shù)的交互性，教師可以為學(xué)生創(chuàng)造富有吸引力的學(xué)習(xí)環(huán)境和設(shè)計(jì)交互式學(xué)習(xí)任務(wù)。在完成任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生親自動(dòng)手，通過(guò)觸摸、拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等手勢(shì)與虛擬實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行直觀互動(dòng)，從而深入挖掘物理現(xiàn)象背后的原理。通過(guò)完成交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生能夠在輕松愉快的氛圍中加深對(duì)物理概念的理解，并加強(qiáng)自身的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

例如，以人教版物理教材八年級(jí)上冊(cè)“光現(xiàn)象”中的“光的反射”為例。

1.背景與目標(biāo)

在“光現(xiàn)象”一章中，“光的反射”是一個(gè)核心概念。在教學(xué)“光的反射”時(shí)，教師借助AR技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，旨在通過(guò)沉浸式的互動(dòng)體驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)光的反射原理的理解。

2.任務(wù)描述

學(xué)生佩戴AR眼鏡，進(jìn)入一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，學(xué)生將面對(duì)一個(gè)設(shè)置好的光的反射實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，并需要完成一系列與光的反射相關(guān)的交互式學(xué)習(xí)任務(wù)。

3.任務(wù)流程與細(xì)節(jié)

（1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景介紹

學(xué)生首先看到一個(gè)由AR技術(shù)生成的簡(jiǎn)短動(dòng)畫，該動(dòng)畫主要介紹光的反射現(xiàn)象及其在實(shí)際生活中的應(yīng)用。動(dòng)畫結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中出現(xiàn)一個(gè)可調(diào)節(jié)角度的光源、一個(gè)平面鏡和一個(gè)屏幕，用于顯示反射光線。

（2）交互式操作引導(dǎo)

學(xué)生通過(guò)手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)，可以自由地移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和調(diào)整光源及平面鏡的位置。系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)反饋，顯示入射光線和反射光線的路徑，以及入射角和反射角的大小。

（3）實(shí)驗(yàn)探索與數(shù)據(jù)記錄

要求學(xué)生改變光的入射角度，并觀察光的反射角度如何變化。學(xué)生需要使用虛擬工具記錄不同入射角下的反射角數(shù)據(jù)，并探索反射角與入射角之間的關(guān)系。系統(tǒng)提供輔助線和量角器，幫助學(xué)生更準(zhǔn)確地測(cè)量角度。

（4）原理驗(yàn)證與討論

學(xué)生根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證光的反射定律（即反射角等于入射角）。學(xué)生可以與虛擬導(dǎo)師或同學(xué)進(jìn)行討論，分享他們的發(fā)現(xiàn)和理解。

（5）挑戰(zhàn)與拓展

教師可以設(shè)置一些挑戰(zhàn)性問(wèn)題，例如“如果光源移動(dòng)到平面鏡的一側(cè)，反射光線會(huì)發(fā)生什么變化？”以此鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步探索和思考。學(xué)生還可以嘗試使用不同類型的鏡子（如凹面鏡、凸面鏡）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察并解釋不同的反射現(xiàn)象。

4.學(xué)習(xí)體驗(yàn)增強(qiáng)點(diǎn)

AR技術(shù)的實(shí)時(shí)反饋功能和可視化效果使學(xué)生能夠直觀地看到光線在不同條件下的反射情況，以此加深學(xué)生對(duì)光的反射原理的理解。交互式操作允許學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索和數(shù)據(jù)記錄，增強(qiáng)了他們的參與感，提高了他們的實(shí)踐能力。任務(wù)中的挑戰(zhàn)性問(wèn)題，拓展活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行批判性思考和解決問(wèn)題，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，提升了他們的思維能力。

通過(guò)完成這樣的交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生不僅能夠在輕松愉快的氛圍中學(xué)習(xí)光的反射知識(shí)，還能夠培養(yǎng)科學(xué)探究能力和實(shí)驗(yàn)操作能力。

（二）實(shí)施增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模擬，輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作

借助AR技術(shù)實(shí)施增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模擬，輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作，是一種創(chuàng)新且實(shí)用的教學(xué)方法。通過(guò)AR技術(shù)，教師可以將虛擬信息與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境相結(jié)合，為學(xué)生呈現(xiàn)出一個(gè)生動(dòng)、具體的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。在這種模擬環(huán)境中，學(xué)生可以在真實(shí)實(shí)驗(yàn)器材的輔助下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作，并能獲得額外的信息提示和完成數(shù)據(jù)分析。這種教學(xué)方式，不僅能幫助學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和理解物理原理，還能幫助他們準(zhǔn)確地掌握實(shí)驗(yàn)技巧和注意事項(xiàng)。

例如，以人教版物理教材九年級(jí)的核心知識(shí)點(diǎn)“電流和電路”為例。在傳統(tǒng)的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常要求學(xué)生親自動(dòng)手，使用導(dǎo)線、電源、開關(guān)、燈泡等基礎(chǔ)電路元件進(jìn)行電路連接。這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)旨在幫助學(xué)生通過(guò)實(shí)踐操作來(lái)直觀感知和理解電流在電路中的流動(dòng)方式和規(guī)律。然而，對(duì)初中生來(lái)說(shuō)，他們對(duì)電路的基本概念和連接方式只是初步了解，因此在實(shí)際操作過(guò)程中很容易遇到各種問(wèn)題，如電路連接錯(cuò)誤導(dǎo)致電路短路、元件損壞等。這些問(wèn)題不僅會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果，還會(huì)對(duì)學(xué)生的安全構(gòu)成威脅，使學(xué)生對(duì)電路學(xué)習(xí)產(chǎn)生畏懼。

而借助AR技術(shù)，教師可以為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)安全、高效、直觀的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。具體來(lái)說(shuō)，教師可以利用AR技術(shù)在學(xué)生的真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中疊加一層虛擬的電路連接提示。當(dāng)學(xué)生連接電路時(shí)，AR系統(tǒng)會(huì)根據(jù)他們的操作實(shí)時(shí)生成虛擬的電流流動(dòng)路徑，并以直觀的方式呈現(xiàn)出來(lái)。這樣一來(lái)，學(xué)生就可以清晰地看到電流的走向和流動(dòng)情況，從而深入理解電路的工作原理。AR系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和錯(cuò)誤提示功能。在學(xué)生連接電路的過(guò)程中，AR系統(tǒng)會(huì)不斷監(jiān)測(cè)他們的操作，一旦發(fā)現(xiàn)連接錯(cuò)誤或存在安全隱患，就會(huì)立即給出提示和糾正建議。這不僅可以幫助學(xué)生及時(shí)糾正錯(cuò)誤、避免損壞器材，還能有效保障他們的安全。

通過(guò)AR技術(shù)輔助真實(shí)的電路連接實(shí)驗(yàn)，不僅可以有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題，還可以為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)更加安全、高效、直觀的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。這種創(chuàng)新的教學(xué)方式，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和科學(xué)探究精神。

（三）創(chuàng)設(shè)情境模擬教學(xué)，促進(jìn)知識(shí)應(yīng)用遷移

在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，借助AR技術(shù)創(chuàng)設(shè)情境模擬教學(xué)，是一種極具前景的教學(xué)策略。通過(guò)利用AR技術(shù)的逼真場(chǎng)景模擬功能，教師可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實(shí)生活緊密相關(guān)的實(shí)驗(yàn)情境。在這些情境中，學(xué)生可以將所學(xué)的物理知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的解決，促進(jìn)知識(shí)的遷移應(yīng)用。

以人教版物理教材八年級(jí)上冊(cè)“光的折射”和八年級(jí)下冊(cè)“牛頓第一定律”為例。

【示例一】光的折射與透鏡

教師利用AR技術(shù)為學(xué)生模擬一個(gè)水族館場(chǎng)景，其中包含各種形狀和大小的魚缸以及游動(dòng)的魚。在這個(gè)情境中，學(xué)生需要探究光在不同介質(zhì)中的折射現(xiàn)象。學(xué)生可以通過(guò)觀察光線從空氣射入水中或從水射入空氣中的路徑變化來(lái)理解光的折射定律和折射角的變化規(guī)律。教師引入透鏡的概念，讓學(xué)生探究透鏡對(duì)光線的會(huì)聚和發(fā)散作用。通過(guò)這樣的情境模擬教學(xué)，學(xué)生不僅能夠直觀理解光的折射現(xiàn)象和透鏡的工作原理，還能夠?qū)⑦@些知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，如解釋近視眼鏡、望遠(yuǎn)鏡等光學(xué)儀器的工作原理，以及分析水下的視覺(jué)變化等。

【示例二】牛頓第一定律

教師利用AR技術(shù)為學(xué)生模擬一個(gè)無(wú)摩擦的理想坡道場(chǎng)景，其中包含不同角度的斜坡和一個(gè)靜止的物體（如小球）。在這個(gè)情境中，學(xué)生將探究牛頓第一定律，即慣性對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響。開始時(shí)，學(xué)生讓物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，觀察物體在沒(méi)有任何外力作用時(shí)的情況。隨后，他們嘗試給物體施加一個(gè)外力，并觀察物體在不同角度斜坡上的運(yùn)動(dòng)情況。由于這是一個(gè)無(wú)摩擦的理想環(huán)境，因此學(xué)生能夠清晰地觀察到牛頓第一定律所描述的現(xiàn)象：物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到受到外力的作用。AR技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)模擬物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，展示速度和加速度的變化，并允許學(xué)生收集和分析數(shù)據(jù)，從而更深入地理解慣性對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響。通過(guò)這樣的情境模擬教學(xué)，學(xué)生能夠掌握牛頓第一定律的實(shí)質(zhì)，并將這一力學(xué)原理應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中。例如，用牛頓第一定律分析車輛在不同路況下的行駛穩(wěn)定性、理解運(yùn)動(dòng)員在起跑時(shí)的慣性作用等。這樣的教學(xué)方式將抽象的物理定律與生動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，有助于學(xué)生理解和應(yīng)用力學(xué)知識(shí)。

借助AR技術(shù)創(chuàng)設(shè)情境模擬教學(xué)是一種有效的教學(xué)策略，能夠幫助學(xué)生將所學(xué)的物理知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題的解決。通過(guò)利用AR技術(shù)的逼真場(chǎng)景模擬功能，教師可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實(shí)生活緊密相關(guān)的實(shí)驗(yàn)情境，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的遷移應(yīng)用。

綜上所述，借助AR技術(shù)開展初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有顯著的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。整合AR技術(shù)的交互性、逼真場(chǎng)景模擬以及合作式學(xué)習(xí)功能，能夠增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)、輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作、促進(jìn)知識(shí)的遷移應(yīng)用。借助AR技術(shù)開展初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和問(wèn)題解決能力，還能夠?yàn)榕囵B(yǎng)具備創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的科學(xué)人才提供有力支持。因此，教師應(yīng)積極推廣和應(yīng)用AR技術(shù)，使AR技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮最大的效用。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻(xiàn)?? ］

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（責(zé)任編輯 黃春香）