基于互聯網+，AR/VR的中學物理實驗教學的研究

孫伯旺

（甘肅省武威第二十三中學，甘肅武威 733000）

引 言

中學物理實驗具有實驗時間少、探究性實踐少、費用高、無法表達、實驗效果差、不良風險多等特點。而應用互聯網+、增強現實與虛擬現實技術，可以優化中學物理實驗課程，提高物理實驗教學效果。因此，對基于“互聯網+”、增強現實與虛擬現實技術在中學物理實驗教學中的應用進行適當分析具有非常重要的意義。

一、互聯網+，AR/VR等新技術在中學物理實驗教學中 的特點

互聯網+、增強現實與虛擬現實等新技術是21 世紀以來科學技術進步的主要成果，它們將計算機圖形學、人體工程學、人機交互理論、傳感技術等多領域先沿成果進行了有機整合[1]。互聯網+、增強現實與虛擬現實等新技術均以計算機技術為基礎，通過計算機等基礎設備應用，組建一個虛擬的三維場景，從而幫助中學生獲得真實體驗。

互聯網+、增強現實與虛擬現實技術具有沉浸性、想象性、交互性等特征。其中沉浸性主要是通過模擬真實情感世界，幫助中學生全身心投入虛擬空間；想象性主要是通過虛擬現實及增強現實應用系統的合理設置，以生動形象的模式，反映中學物理實驗思想，提高中學生在物理實驗教學中的主導地位；交互性主要是依據增強現實與虛擬現實技術的開放性，在中學物理實驗課堂中構建一個信息輸入、輸出一一對應的場景，為中學生提供實時信息反饋。

二、基于互聯網+，AR/VR等新技術的中學物理實驗教 學模式構建

（一）基于互聯網+，AR/VR 等新技術的中學物理實驗教學理論研究

基于互聯網+、增強現實與虛擬現實等新技術的中學物理虛擬實驗主要理論依據為認知主義學習理論、自主學習理論及探究性學習理論。其中認知主義學習理論主要是通過主客體信息交互，將知識經驗與實踐活動有機整合。在虛擬實驗中，基于認知理論的中學物理實驗主要包括觀察性動畫演示、虛擬實驗設備使用及操作等內容。

自主學習理論主要是從中學生自主學習意愿入手，鼓勵中學生根據自身狀況進行學習目標的制訂及學習方法的選擇。在增強現實與虛擬現實等新技術創建的物理實驗環境中，中學生的學習自主性可被充分發揮出來。

探究性學習理論主要是在中學物理實驗開展的過程中，借鑒科研人員科學探究方式進行知識建構。通過探究過程模擬，可提高中學生理論聯系實踐的能力。基于探究性學習的中學物理實驗教學主要包括提出問題、收集數據、形成解釋、評價結果、檢驗結果幾個模塊。

（二）基于互聯網+，AR/VR 等新技術的中學物理實驗教學模式設計

首先，為了保證基于互聯網+、增強現實與虛擬現實等新技術的中學物理實驗的教學效力，教師要對中學物理虛擬實驗需求進行分析。以往以傳統實驗室為實驗平臺，以分組實驗指導的實踐方式，嚴重制約了中學生自主性實驗意識及能力的發展。依據《義務教育物理課程標準（2017年版）》的相關要求，為提高全體中學生的科學素養，教師可依據物理實驗教學的學科特點及實驗內容，分析物理虛擬實驗的教學目標、教學內容，并制訂中學物理虛擬實驗的邏輯模型。

其次，中學物理虛擬實驗主要以中學物理實驗開展時間為依據進行虛擬實驗庫的設置。中學物理虛擬實驗總庫主要包括各年級實驗分庫，而各年級實驗分庫又包含各課題實驗案例及實驗方式。在總體物理邏輯模型一定的情況下，設定以中學生為核心的新型實驗功能體系，其主要包括實驗開始、實驗輔助、實驗闡述、實驗演示、實驗儀器應用及處理等幾個模塊。其中實驗開始主要是中學生依據實驗輔助、實驗闡述的相關內容及自身理解進行實驗假說設置，并通過具體實驗驗證前期實驗假說的正確性；實驗輔助主要以實驗基本操作方式為依據，如實驗物體選擇、實驗物體位置改變、相機速度設置等；而實驗闡述主要是對實驗內容的進一步詮釋，如實驗有關歷史資料等；實驗演示主要通過規范實驗操作的視頻播放，組織中學生根據自身實驗開展情況進行正確實驗方法探究；實驗儀器應用及處理主要是通過虛擬物理儀器工具箱的開口的設置，為中學生開始實驗及總結分析提供幫助[2]。

（三）基于互聯網+，AR/VR 等新技術的中學物理實驗教學模式開發

首先，組織結構設計。基于增強現實與虛擬現實等新技術的中學物理實驗室組織界面包括實驗界面、實驗輔助、實驗闡述、實驗演示、實驗設備應用及處理、實驗退出等模塊。

其次，控制界面設計。控制界面設計主要包括色彩設計、布局設計兩個模塊。依據物理學科的嚴謹性，其可選擇藍色為主色調，淡紫色為副色調；而在布局設計模塊，可以上下、左中右為主要排列方式。

最后，初中物理虛擬實驗開發制作。在虛擬實驗開發模塊，其主要采用ZBrush、Maya 技術創建三維模型，并將三維實驗儀器零件組合為三維實驗場景。

以“比例運算放大電路裝配及調試”實驗項目設計為例，在實驗課程開展前期，中學實驗教師可以在互聯網+平臺中發布實驗任務，供班級學生線上學習、問題分析及實驗探究。同時，中學物理實驗教師還可以將關于放大電路類型的知識實時推送給學生，促使班級學生明確項目設計問題關鍵點及具體實驗流程。隨后，教師可利用Flash 小游戲的形式，進行放大電路器裝配及實驗模擬、安裝、調試，并鼓勵班級學生反饋操作難點。

在具體實驗操作環節，中學物理實驗教師可根據班級學生在Flash 小游戲中的表現及提問信息進行詳細講解，并利用移動智能設備，將典型問題教授給學生，以保證整體物理實驗活動的順利開展。

在物理實驗課程結束之后，中學物理實驗教師可以利用ZBrush、Maya 技術創建三維模型，將關于實驗的相關知識進行立體整合，為后續課程復習及知識鞏固提供依據。

（四）基于互聯網+，AR/VR 等新技術的中學物理實驗教學模式應用

基于互聯網+、AR/VR 等新技術的中學物理實驗教學模式應用是新時代下教育改革與創新的必然要求，在互聯網+、AR/VR 等數字資源建設過程中，中學物理教師可以將全部知識點融入具體教學課程中，以中學生為主體，從理論學習、實驗實踐兩個方面，構建“線上+線下”混合式教育模式。而中學生可以直接利用移動智能設備進行知識學習及實驗仿真，這不僅可以提高中學生的實驗參與積極性，而且可以為實驗教學活動的順利開展提供依據。

結 語

綜上所述，基于互聯網+、增強現實與虛擬現實等新技術的中學物理實驗教學模式，可脫離以往中學物理實驗實驗效果差、實驗條件不足的困境，通過真實中學物理教學實驗環境的構建，提高中學生物理自主實驗意識及能力。因此，物理教學人員應合理利用互聯網+、增強現實與虛擬現實等新技術，搭建中學物理實驗教學平臺，為中學物理實驗教學質量的提升奠定基礎。