探討VR和AR技術在初中物理教學中的應用前景

楊夢琪　陳紅

摘要：基于美國教育心理學家加涅的學習條件理論，探討虛擬現實技術和增強現實技術在初中物理實驗教學和概念教學中的應用前景，將新技術融入物理課堂而促進教學。

關鍵詞：虛擬現實技術；增強現實技術；初中物理教學；應用前景

前言

筆者作為一名一線初中物理教師，深切地感受到學生對于新技術融入課堂的熱情和期待，但由于教師幾乎沒有直接參與技術開發，致使新技術的開發者不能準確把握教學需求，導致新技術融入課堂的進程十分緩慢，無法滿足學生的學習需求。如圖1體現了學生學習需求和成熟技術之間的相互需求。在本文中，筆者通過探討vR技術在初中物理實驗教學和AR技術在初中物理概念教學中的應用前景，以呼吁更多的物理教師關注新技術，并且將新技術融人日常課堂以促進教學。

1基本概念和理論

1.1虛擬現實技術（virtual Reality）

利用信息技術手段構造虛擬3D環境，形成與某一范圍的真實環境完全一致的數字化環境，外界的用戶則以某種手段進入虛擬環境中，與虛擬空間中的事物進行交互，彼此影響。

1.2增強現實技術（Augmented Reality）

同樣是利用信息技術手段進行虛擬環境或者事物的構建，但與VR不同的是，AR是將虛擬環境或事物實時疊加到真實環境或事物上去，進行虛實結合，允許用戶既感知虛擬的世界，也看到真實的世界。

如圖2所示，常與虛擬現實技術和增強現實技術同時提到的還有增強虛擬（Augmented Virtuality）技術和混合實境（Mixed Reality）技術。

1.3學習的條件理論

根據加涅《學習的條件與教學論》中提出的觀點：教學事件是在學習的連續階段中作為呈現給學習者的刺激而加以計劃的。這些外部事件的目的就是要激活、支持和維持學習的內部過程，如圖3所示。設計者在牢記學習情境的同時，還要對媒體做出選擇，使之完成傳輸教學內容的功能。

該理論認為：學校不是給予學生動機，而是為研究和學習安排條件。問題主要不是“獲得”新的動機，而是如何以一種能顯示能力并體驗效能感的方式來有條理地安排學習的情境。因此，可以預期，如果能夠應用虛擬現實（VR）技術和增強現實（AR）技術創造原本難以創造的學習條件，就可以實現原本難以廣泛實現的學習結果。對內在學習動機不強的學生，刺激效果尤其顯著。

2虛擬現實（VR）技術在初中物理實驗教學中的應用前景

筆者根據初中物理教學規律，結合VR和AR的應用技術，認為VR技術更適合應用于初中物理實驗教學中，AR技術更適合應用于初中物理概念教學中。以《義務教育物理課程標準》（2011年版）中所例舉的部分科學內容為例，探討虛擬現實（VR）技術在針對課堂上難以呈現的，但對培養物理學科素養，發展物理學科思維至關重要的實驗教學內容的應用前景。

2.1案例1牛頓第一定律

牛頓第一定律的實驗基礎是伽利略的理想實驗，如圖4所示，這個實驗的條件是無法實現的，因為在現實中，永遠也無法將摩擦力完全消除掉。愛因斯坦認為：“伽利略的發現以及他所用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。”

在課堂上如果能夠通過VR技術，讓學生進入計算機的仿真模擬實驗空間，那么學生對理想實驗的精髓理解會更深刻。首先模擬斜面存在摩擦力的情況，讓學生體驗到小球在有摩擦力存在時，小球的運動狀態，即小球無法到達與原來釋放位置的同一高度：隨著軟件的設置，摩擦力逐漸減小，小球將越來越接近到達與原來釋放位置的同一高度：最后模擬摩擦力消失的情況，學生很自然的就能聯想到小球會到達與原來釋放位置的同一高度。這就是理想實驗的精要：實驗加推理。再在上述理想實驗的基礎上，逐漸減小斜面的傾斜程度，最終至水平，學生也很容易聯想到，在沒有摩擦的水平面上，小球將做勻速直線運動。眼前的仿真模擬實驗現象與學生的推理一致，則更能加深學生的認知。

通過VR技術展現理想實驗，對學生認識力與運動的關系，突破“力不是維持物體運動狀態的原因，而是改變物體運動狀態的原因”這個讓人類誤解了一千多年的基本規律，有重要幫助。

2.2案例2探究流體壓強與流速的關系

流體指氣體和液體。在流體中有一個基本規律：流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大。如圖5所示，飛機就是依靠這向上和向下的壓力差獲得升力的。我們可以借助風洞實驗模型，向學生展示飛機飛起來的樣子，但是因為風是看不見的，仍然沒有辦法展現為什么飛機能夠飛起來。設想學生可以在VR場景下，體驗不同的壓強差下造成的飛機起落，甚至比親自去坐飛機，更容易明白飛機為什么能飛起來的原理。

2.3案例3探究真空不能傳聲和聲音是以聲波的形式傳播

如圖6所示，探究真空不能傳聲是《義務教育物理課程標準》（2011年版）中的一個必做實驗，但由于學校實驗室的抽氣設備不夠先進，實驗條件要求比較苛刻，很多老師在做這個實驗時的現象都不太理想。如果能夠用到VR技術模擬真空不能傳聲的實驗，要比課堂上的現象不明顯的實驗更具有說服力，有利于學生對知識點掌握。

聲音是以聲波的形式傳播的則是聲現象這一章節中的一個難點，難點在于聲波的抽象性。初二學生的思維方式正由形象思維逐漸向抽象思維過度，而看不見的聲波對學生來說無疑是個挑戰。課堂上，物理老師往往會使用示波器將看不見的聲波顯示出來，但示波器是經過數字轉化的，很多學生往往仍舊是一頭霧水。如果可以通過VR技術呈現聲波的形成過程，無疑是可以將抽象思維形象化，有利于學生對聲波的理解。通過VR技術仿真模擬物體振動時會引起振動體周圍的空氣（介質）形成疏密相間的分布，在VR場景中，可以實現空氣的可視化，這也突破了現實生活中空氣看不見的這一教學難點。隨著振動體的持續振動，振動情況就會以疏密相間的形式由近及遠地傳播開，這就形成了聲波。

3增強現實（AR）技術在初中物理概念教學中的應用前景

VR技術需要較高的資金和技術門檻，課程資源開發的成本較高，而AR技術更適合目前學校教學實際條件，更有可能在短期內實現由一線教師自己設計素材，實現增強現實技術進課堂。下面同樣以《義務教育物理課程標準》（2011年版）中所例舉的部分科學內容為例，探討增強現實（AR）技術在初中物理概念教學內容上的應用前景。

3.1案例4原子結構模型

假如由于某種大災難，所有的科學知識都丟失了，只有一句話可以傳給下一代，那么怎樣才能用最少的詞匯來傳達最多的信息呢？理查德，費曼認為：一切都由原子構成，這就是關鍵性的假設。

對于初二的學生，微觀世界的原子結構無疑是難以理解的，學生可以通過光學顯微鏡觀察到微觀的細胞結構，但卻無法觀察到原子的結構，學校更是沒有條件也沒有必要提供電子隧道掃描儀來實現觀察原子，所以通過AR技術建立起來的原子結構三維立體仿真模型就顯得尤為重要了。通過這個三維仿真模型，學生可以清楚的認識到原子的以下特征：

（1）原子大小。如果把一個蘋果和地球相比，那么蘋果中的一個原子的大小，就相當于地球上的一個蘋果。

（2）構成原子的原子核和電子都在永不停息地做無規則運動。雖然電子有它固定的軌道，但電子不會一定出現在某一個位置，那只不過是一種概率。

（3）當距離靠近，超過平衡點，兩個原子之間斥力超過引力：當距離變遠，超過平衡點，兩個原子之間引力超過斥力。

3.2案例5內燃機的沖程

四沖程內燃機的四個沖程是吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程。四沖程內燃機做功沖程中，發生能量轉化的沖程是壓縮沖程和做功沖程。壓縮沖程是把機械能轉化為內能，做功沖程是把內能轉化為機械能。

以往教學中用多媒體動畫模擬來展現這四沖程，學生可以理解其中的能量轉化過程。但存在一個極大的問題是，學生難以在三維空間想象內燃機的工作原理，所以仍然是跟現實脫節的。

利用AR技術，學生進入虛擬三維空間：面前一輛完整的汽車開始拆解，進入汽油機，然后觀察汽油機的構造，慢速播放四個沖程發生過程，并配有相應的互動環節，以檢測學生對相應知識的掌握情況，達到標準后，界面縮小退出，看到的是一輛飛馳的汽車。這樣的設計無疑可以增加學生的學習樂趣，以興趣為激發點，可能會有學生暗下決心，要做汽車設計師。

總結

在信息技術爆炸式發展的今天，如何讓“互聯網+教育”的跨界組合燃燒出真正價值，應用包括虛擬現實技術和增強現實技術在內的新技術服務于人的培養，是教育者的責任。

不應該忘記的是。人應該把握和主導技術應用的領域。現有條件能做的真實實驗，不需要耗費力量通過VR和AR技術來實現。把VR和AR技術應用于目前課堂中難以實現的學習條件的提供，VR和AR技術才有價值，比如：

（1）理想環境下才能實現的內容。

（2）不安全不適合親手操作但是意義重大的內容。

（3）過于微觀或過于宏觀的內容。

（4）現實中肉眼無法看見的內容。

希望更多教育工作者熱情擁抱虛擬現實技術和增強現實技術等新興技術，加速新興技術落地，促進學校教育多元發展，探索學校教育可能性，培養出面向現代化，面向世界，面向未來的人。