借助AR技術(shù)輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

［摘 要］本研究探討AR技術(shù)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及其意義。研究結(jié)果表明，借助AR技術(shù)輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠加深學(xué)生對(duì)物理概念和原理的理解，顯著提高學(xué)生的物理學(xué)習(xí)效果。這一研究為高中物理教學(xué)的創(chuàng)新與發(fā)展提供了新的思路和方法。

［關(guān)鍵詞］AR技術(shù)；高中物理；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）23-0044-03

隨著科技的不斷發(fā)展，AR技術(shù)作為一種新興的教學(xué)手段，逐漸走入了教育領(lǐng)域。在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法雖然能夠?yàn)閷W(xué)生提供一定的實(shí)踐機(jī)會(huì)，但受限于實(shí)驗(yàn)條件、設(shè)備、時(shí)間等因素，往往難以直觀展現(xiàn)物理現(xiàn)象和實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。而借助AR技術(shù)輔助高中物理教學(xué)，可為學(xué)生創(chuàng)造生動(dòng)、直觀且互動(dòng)性強(qiáng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬與現(xiàn)實(shí)的交融中更深入地探索物理世界的奧秘，提高學(xué)習(xí)效果和興趣。

一、AR技術(shù)及特點(diǎn)簡介

AR技術(shù)，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種將虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界中的技術(shù)。AR技術(shù)能夠通過計(jì)算機(jī)生成的圖像、聲音、文本等多媒體信息，在用戶的真實(shí)環(huán)境中呈現(xiàn)出虛擬的元素，與之進(jìn)行交互，從而增強(qiáng)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知和體驗(yàn)。這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于教育、娛樂、醫(yī)療、游戲等多個(gè)領(lǐng)域，為用戶帶來了更加豐富和多樣化的互動(dòng)體驗(yàn)[1]。其特點(diǎn)如下：

（一）虛實(shí)結(jié)合

AR技術(shù)的首要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了虛擬信息與真實(shí)世界的完美融合。AR技術(shù)通過先進(jìn)的圖像識(shí)別、空間定位等功能，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或信息準(zhǔn)確地疊加到用戶所看到的真實(shí)世界中，使之與真實(shí)環(huán)境相互交融、相互作用。這種虛與實(shí)的無縫結(jié)合，為用戶帶來了超越現(xiàn)實(shí)的全新感知體驗(yàn)。

（二）實(shí)時(shí)交互

AR技術(shù)還具備實(shí)時(shí)交互的特點(diǎn)。利用AR技術(shù)，用戶不僅可以通過視覺、聽覺等感官來感知虛擬信息，還能通過手勢(shì)、語音等方式與虛擬物體進(jìn)行實(shí)時(shí)的、自然的交互。這種交互方式打破了傳統(tǒng)的人機(jī)界限，使用戶能夠更加自然、直觀地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行溝通和交流，從而極大地提升了用戶的體驗(yàn)滿意度。

（三）三維空間精確定位

AR技術(shù)的第三大特點(diǎn)是能在三維空間中進(jìn)行精確定位。AR技術(shù)借助先進(jìn)的空間定位功能，準(zhǔn)確地識(shí)別用戶在三維空間中的位置和狀態(tài)，并根據(jù)相應(yīng)信息實(shí)時(shí)調(diào)整虛擬物體的位置和狀態(tài)，使之始終與用戶的視線和動(dòng)作保持同步。這種三維空間定位能力，使得AR技術(shù)能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境中為用戶提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

二、借助AR技術(shù)輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的途徑

（一）借助AR技術(shù)設(shè)計(jì)交互式學(xué)習(xí)任務(wù)

借助AR技術(shù)設(shè)計(jì)交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，是開展高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新途徑。通過AR技術(shù)，教師可以創(chuàng)建虛擬的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并設(shè)計(jì)一系列富有交互性的學(xué)習(xí)任務(wù)。在完成這些學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中，學(xué)生可以親身參與虛擬實(shí)驗(yàn)，與虛擬物體進(jìn)行互動(dòng)，觀察物理現(xiàn)象的變化，并通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)來探索物理規(guī)律。這種交互式學(xué)習(xí)方式不僅提高了學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)興趣，還能夠幫助學(xué)生深刻理解物理原理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)技能?？梢哉f，借助AR技術(shù)設(shè)計(jì)交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，為高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了新的活力，有效提升了教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果[2]。

下面以魯科版高中物理必修第三冊(cè)第3章第2節(jié)“電阻”為例進(jìn)行說明。

1.任務(wù)背景

電阻是高中物理中的核心概念，學(xué)生對(duì)它的理解程度直接影響后續(xù)電學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的電阻教學(xué)往往注重講授抽象的公式和理論，缺乏直觀性和互動(dòng)性，導(dǎo)致學(xué)生難以深入理解。對(duì)此，教師可以借助AR技術(shù)，為學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)于電阻的交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，促使學(xué)生更好地掌握電阻的概念、性質(zhì)和應(yīng)用。

2.任務(wù)設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)室搭建：利用AR技術(shù)搭建一個(gè)虛擬的電阻實(shí)驗(yàn)室。此虛擬實(shí)驗(yàn)室中包含各種電阻器、電源、導(dǎo)線、電流表、電壓表等實(shí)驗(yàn)器材。學(xué)生可以通過佩戴AR眼鏡或使用移動(dòng)設(shè)備，隨時(shí)隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)。

交互式實(shí)驗(yàn)操作：在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以自由選擇和操作實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行電阻的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。例如，改變電阻器的阻值，觀察電流表和電壓表的示數(shù)變化；連接不同的電路，探究電阻在電路中的作用。AR技術(shù)可以實(shí)時(shí)反饋學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果，提供準(zhǔn)確的數(shù)值和實(shí)現(xiàn)可視化，幫助學(xué)生直觀理解電阻對(duì)電流和電壓的影響。

數(shù)據(jù)記錄與分析：在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括電阻值、電流值和電壓值等。虛擬實(shí)驗(yàn)室提供便捷的數(shù)據(jù)記錄和分析工具，可幫助學(xué)生整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)電阻、電流和電壓之間的關(guān)系。

原理探究與驗(yàn)證：通過實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析，學(xué)生可以探究電阻的原理和性質(zhì)。例如，可以驗(yàn)證歐姆定律，即電壓與電流成正比，而電阻為常數(shù)。在這個(gè)過程中，學(xué)生可以自主發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)并進(jìn)行驗(yàn)證，很好地培養(yǎng)了科學(xué)探究能力和實(shí)驗(yàn)操作能力。

挑戰(zhàn)與拓展：教師設(shè)置一些挑戰(zhàn)性或拓展性任務(wù)。例如，讓學(xué)生探究溫度對(duì)電阻的影響、比較不同材料的電阻特性等。這些挑戰(zhàn)性或拓展性任務(wù)可以幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固所學(xué)知識(shí)，并拓寬他們的視野。

3.學(xué)習(xí)體驗(yàn)增強(qiáng)點(diǎn)

直觀性：AR技術(shù)呈現(xiàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)操作過程具有極強(qiáng)的直觀性，學(xué)生可以清晰地看到電流在電路中的流動(dòng)情況、電阻對(duì)電流的影響以及電壓的變化等物理現(xiàn)象。這種直觀性有助于學(xué)生更好地理解和掌握電阻的概念和性質(zhì)。

互動(dòng)性：在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生可以自由選擇和操作實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。這種互動(dòng)不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，還提高了他們的參與度和實(shí)踐能力。同時(shí)，學(xué)生還可以與虛擬導(dǎo)師或同學(xué)進(jìn)行交流和討論，分享彼此的發(fā)現(xiàn)和理解。

個(gè)性化學(xué)習(xí)：對(duì)于交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，可借助AR技術(shù)根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)。例如，教師可以根據(jù)學(xué)生的知識(shí)掌握情況調(diào)整實(shí)驗(yàn)的難度和挑戰(zhàn)性任務(wù)的內(nèi)容；學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇感興趣的拓展性學(xué)習(xí)任務(wù)并完成。這種個(gè)性化學(xué)習(xí)，有助于滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，提高他們的學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)他們的自信心。

（二）借助AR技術(shù)創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)的理想條件

借助AR技術(shù)創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)的理想條件，是推進(jìn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的有效手段。通過AR技術(shù)，教師能夠?yàn)閷W(xué)生構(gòu)建具備完善實(shí)驗(yàn)條件和精準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置的虛擬實(shí)驗(yàn)室。在這樣的虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以打破真實(shí)實(shí)驗(yàn)中設(shè)備損壞、材料不足等限制，自由地開展各種復(fù)雜和精細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作。AR技術(shù)不僅能夠創(chuàng)設(shè)高度仿真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，還能夠精確模擬各種物理現(xiàn)象和反應(yīng)過程，使學(xué)生能夠更加深入地理解物理原理和實(shí)驗(yàn)本質(zhì)。因此，借助AR技術(shù)打造物理實(shí)驗(yàn)的理想條件，可有效促進(jìn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量提升和創(chuàng)新發(fā)展[3]。

下面以魯科版高中物理必修第三冊(cè)第5章第2節(jié)“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其應(yīng)用”中的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明。

1.完善實(shí)驗(yàn)條件

在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，可能會(huì)受到設(shè)備損壞、材料不足、環(huán)境干擾等多種因素的限制。然而，在借助AR技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室中，這些限制將不復(fù)存在。教師可以根據(jù)教學(xué)需求，為學(xué)生提供充足的實(shí)驗(yàn)器材和完美的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。無論是線圈、磁鐵還是電流表、電壓表，都可以隨時(shí)獲取并進(jìn)行精確的操作。

2.精準(zhǔn)設(shè)置參數(shù)

AR技術(shù)允許教師對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的設(shè)置和調(diào)整。在電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，通過利用AR技術(shù)調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度、線圈匝數(shù)、線圈移動(dòng)速度等關(guān)鍵參數(shù)，學(xué)生可以觀察到不同條件下電磁感應(yīng)現(xiàn)象的變化，從而更深入地理解法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律等核心定律。

3.創(chuàng)設(shè)高度仿真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

AR技術(shù)能夠創(chuàng)設(shè)高度仿真的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使學(xué)生仿佛置身于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室中。例如在電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，借助AR技術(shù)學(xué)生可以清晰地看到磁場(chǎng)線的分布和變化，感受到線圈中電流的產(chǎn)生和變化。這種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，提高他們的學(xué)習(xí)效果。

4.深入理解物理原理

通過AR技術(shù)打造的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以自由地開展各種復(fù)雜和精細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作，而不用擔(dān)心設(shè)備損壞或材料消耗，這使得他們有更多的機(jī)會(huì)去探索物理現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。例如在電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中借助AR技術(shù)，學(xué)生可以通過改變參數(shù)和觀察現(xiàn)象，逐漸理解電磁感應(yīng)的原理和應(yīng)用，為后續(xù)的物理學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

借助AR技術(shù)創(chuàng)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)的理想條件，可極大地促進(jìn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量提升和創(chuàng)新發(fā)展，并為高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來無限的可能。

（三）借助AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)的可視化

借助AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)的可視化，是實(shí)現(xiàn)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的又一重要途徑。AR技術(shù)能夠?qū)⒊橄蟮奈锢砀拍?、原理和?shí)驗(yàn)過程以直觀、形象的方式給學(xué)生呈現(xiàn)，使他們能夠更加深刻地理解物理知識(shí)。AR技術(shù)通過三維立體圖像、動(dòng)態(tài)模擬和交互式操作，使物理實(shí)驗(yàn)中的微觀現(xiàn)象和難以觀測(cè)的過程變得可見可感，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果。借助AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)的可視化，不僅有助于突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，還能深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解[4]。

下面以魯科版高中物理必修第三冊(cè)第5章“初識(shí)電磁場(chǎng)與電磁波”中的“電磁波”與選擇性必修第一冊(cè)第3章“機(jī)械波”為例進(jìn)行說明。

【示例一】電磁波的多維度可視化

電磁波的傳播、極化、干涉和衍射等現(xiàn)象是高中物理的核心內(nèi)容，由于其抽象性和不可見性，學(xué)生往往難以形成直觀的認(rèn)識(shí)。借助AR技術(shù)，教師可以建構(gòu)一個(gè)多維度的電磁波可視化模型，將電磁波的各種特性以三維立體圖像的形式展現(xiàn)出來。

在這個(gè)模型中，電磁波的傳播路徑、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交替變化、波的振幅和頻率等關(guān)鍵信息都可以清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。通過動(dòng)態(tài)模擬，學(xué)生可以觀察到電磁波在不同介質(zhì)中的傳播行為，以及遇到障礙物時(shí)的反射、折射等現(xiàn)象。此外，利用AR技術(shù)的交互式操作功能，學(xué)生還可以自主調(diào)整電磁波的參數(shù)（如頻率、振幅和極化方向等），實(shí)時(shí)觀察這些變化對(duì)電磁波傳播的影響。這種多維度的可視化展示，不僅有助于學(xué)生深入理解電磁波的本質(zhì)和規(guī)律，還能培養(yǎng)他們的空間想象力和實(shí)驗(yàn)操作能力。

【示例二】機(jī)械波的復(fù)雜現(xiàn)象解析

機(jī)械波的傳播過程涉及質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)、波的傳播方向、波的疊加和干涉等，這些復(fù)雜的現(xiàn)象往往難以用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行展示和分析，而利用AR技術(shù)則可以為這些復(fù)雜現(xiàn)象提供全新的解析方式。

通過AR技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室，教師可以模擬出各種復(fù)雜的機(jī)械波傳播場(chǎng)景，如多源波的疊加、波的干涉和衍射等。在這些場(chǎng)景中，學(xué)生可以清晰地看到不同波源產(chǎn)生的波如何相遇并疊加在一起，形成新的波形；也可以觀察到波在遇到障礙物或穿過小孔時(shí)發(fā)生的衍射現(xiàn)象。此外，利用AR技術(shù)的交互式操作功能，學(xué)生還可以對(duì)波源的位置、頻率和振幅等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)觀察這些變化對(duì)波的傳播和疊加的影響。這種復(fù)雜現(xiàn)象的解析方式，不僅有助于學(xué)生更深入地理解機(jī)械波的傳播規(guī)律和特性，還能激發(fā)他們對(duì)物理世界的探索欲望和培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神。

借助AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)的可視化具有巨大的潛力和價(jià)值。通過利用AR技術(shù)構(gòu)建多維度的可視化模型和解析復(fù)雜的物理現(xiàn)象，能夠使學(xué)生更加深刻地理解物理知識(shí)，提高他們的學(xué)習(xí)興趣和增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果。

總之，借助AR技術(shù)輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，無疑為高中物理教學(xué)注入了新的活力。通過AR技術(shù)將抽象的物理概念、原理和實(shí)驗(yàn)過程以直觀、形象的方式呈現(xiàn)，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生的參與度，還可以突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，深化學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，我們有理由相信，AR技術(shù)將在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮更加重要的作用，為學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供更強(qiáng)有力的支持。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1]" 張丹.虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)踐：以K12教育中“測(cè)量小燈泡的電阻”為例[J].現(xiàn)代信息科技， 2022，6（9）：186-190.

[2]" 蔡蘇，牛曉杰，徐雪迎，等.交互式AR單縫衍射實(shí)驗(yàn)：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）在K-12教育的實(shí)證案例之九[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2018（9）：68-70.

[3]" 陸文利，王淳，趙春芝.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在高?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2018，21（2）：164-166.

[4]" 段春亮.應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)開展高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)，2023（2）：69-71.

（責(zé)任編輯 黃春香）