虛實結合的物理實驗教學模式實踐
——以K12教育中“測量小燈泡的電阻”為例

張丹

（江西科技師范大學 教育學院，江西 南昌 330000）

0 引 言

在“雙減”政策的驅動下，AR技術憑借其三個卓越優勢（即真實與虛擬世界相融合，人機之間實時交互，虛擬與真實物體在空間中信息全面集成）而深受教育界的追捧。AR教學資源開發與應用無疑是一線教師實現教學目標、完成教學內容的得力助手。AR可將虛擬三維模型動畫、視頻、文字、圖片等通過數字模型實時疊加到真實的場景中，學生可在自然空間中與虛擬空間實時交互，加強對理論知識的理解與運用，AR教學資源的開發與應用勢必革新傳統的教學方式，釋放一線物理教師的心理壓力，增加學生的學習興趣與動機。

1 物理學習與AR技術

1.1 物理學科學習背景

中學物理學科是一門以實驗為基礎的學科，學習物理的兩種有效方法是實驗法和觀察法。通過觀察或動手實踐學生可以更為直觀地獲得感性知識，學生從實踐中獲得的知識使其認知發生質變。傳統的物理教學方式——講授法沒有被完全摒棄是因為它有不可替代的優勢：（1）在課程開始之前，教師會花費大量的時間去備課，教師在深入了解課標要求，研究學生經驗水平和身心發展特點，并對學生課堂表現做出預測的前提下，通過多樣化的導入方式讓學生循序漸進地掌握課堂重難點，實現三維學習目標。（2）教師是有感情的獨立個體，教師在講課的過程中會運用多種教學技能，比如用舉例子、打比方等方式強調課堂重難點，用幽默的口頭語言和豐富的肢體語言讓學生在長時間保持注意力的情況下習得教材內容，同時也增進了師生之間的情感交流。（3）物理學習過程中有很多的公式需要學生推算證明，教師通過提煉教材內容，書寫簡單明了的板書，有助于學生更好地掌握理論知識。

但隨著AI、VR、AR等技術的發展，傳統物理授課方式的局限性日漸顯露。首先，從教師角度來看，每個教師都有自己獨特的教學個性，在班級授課制這種大環境下，教師的教學方式可能不適合個別學生。其次，從學生角度來看，每個學生的身心都存在個體差異性，教師很難實現一對一的教學，而且每個學生的學習方式、學習策略和學習進度都不同，很多學生接受新知識的能力較差，如果基礎知識掌握不牢，勢必會影響其后續知識的習得。再次，從學科本身來分析，物理學習并不像文科那樣通過記憶、背誦等方法就可以掌握學習內容，物理教師在課堂上不僅要教給學生現實物理現象所蘊含的物理本質，更要培養學生的核心素養，提升學生的學習效果。最后，中國的某些地區仍然存在教學實驗器材短缺的問題，加之某些實驗存在一定的安全隱患而被老師束之高閣，這對于“雙減”政策的落地非常不利。此外，在高考、中考學習時間緊張的驅使下，很多教師為了節約課堂時間就會自己演示一遍給學生看或者是直接告訴學生實驗過程的重難點和實驗結果，從而忽視了學生對知識的意義建構。

1.2 讓AR技術成為傳統教學實驗的平替

AR技術是近年來教育技術學中的熱點詞之一，借助AR技術設計開發的物理教學資源具有以下優勢：

首先，學生們不再照本宣科地對照著文字圖片死記硬背。AR所呈現出的三維立體內容更加生動形象、直觀具體，讓學生的視覺、聽覺和觸覺都參與到教學過程當中，加深學生對知識的理解與記憶，AR教育所打造的“在真實情境中學習”，可以充分調動學生學習的主體性。

其次，基于U3D開發的物理實驗，使用程序設定好對應的計算公式，學生操作過程中便可以方便快速地得到實時數據。

在AR教學自愿設計開發過程中，還可以線上召集有經驗的老師參與討論，通過整合諸多一線教師的教學經驗與教學技能來克服因教師個體差異性所帶來的物理教學信息不一等問題，使AR教學資源開發科學化、準確化，讓教學過程更加生動有趣，也讓教學克服人為因素的影響而達到教學效果的峰值。

再次，與VR教學資源相比，AR教學資源對硬件要求不高，一個平板和一部手機就可以實現，AR技術可以將現有課堂難以呈現的物理實驗儀器呈現在學生眼前，學生通過與電腦的實時交互即可主動完成對知識的意義建構，可以更加直觀明了地了解實驗的每一個儀器、每一個步驟，對提高物理實驗教學質量大有裨益。

最后，AR技術本身具有情境性、交互性、想象性等優勢，使用者可以通過人機交互親身體驗無法用語言和媒介描述的物理實驗現象，尤其適用于存在一定危險性的實驗，AR技術無疑是解決物理實驗教學困難的絕佳之策。

2 以AR技術為輔認識電場

2.1 教學背景分析

在新課改中，義務教育階段的物理教學目的就是培養全體學生的科學素養及人文素養，以此為依據形成了物理課程改革的基本理念。初中物理中“伏安法測電阻”是電學中的一種基本測量，屬于歐姆定律變換式的一種具體運用，對于加深學生對歐姆定律和電阻概念的理解有著十分重要的作用，但是有很多學校為了節約學生中考復習時間而忽略了學生對具體實驗的操作，再加之某些學校的實驗資源匱乏，老師只是教給學生實驗過程的重難點和實驗結果。在本文的研究中，設計開發AR物理教學實驗資源的主要意圖為：首先，節約學生中考復習時間，教師使用AR教學資源時，僅需借助一個平板或手機就可以實現，學生在自己動手實踐的過程中，感受供給電流電壓不同時燈泡的亮度變化，并思考燈泡的亮度與電阻之間是否存在某種關系。其次，該教學資源易于獲取，操作便捷，可以有效解決教學資源短缺的問題。最后，AR教學資源的互動性可極大地提高教學效果。在本實驗中，要了解兩個知識點，如圖1所示。

圖1 “伏安法測電阻”基本知識點

此外，串并聯電路中電流電壓之間的關系，如表1所示。

表1 串并聯電路中電流電壓關系

綜上，參考蔡蘇老師、宋倩老師和唐瑤老師實現的一本增強現實概念演示書——未來之書，將“伏安法測電阻”這一實驗所需的儀器（電源、開關、電流表、電壓表、滑動變阻器、小燈泡、電線等）實物模型導入U3D平臺后，再用烘焙渲染技術將這些儀器放置于同一個過程場景中，使用C#語言實現基本實驗邏輯功能，借助UI優化界面添加對應操作按鈕，使場景更加逼真。

學生可根據設定的標識符并在老師指導下完成電路圖的連接，再對電流表圖2（a）與電壓表圖2（b）的數字進行記錄分析，最后根據歐姆定律得出小燈泡的電壓值圖2（c）。在開展此環節的實驗時可以將學生分成四組，具體分法如表2所示，可對使用不同教學方式學習對象的行為進行觀察，再結合訪談結果對AR教學資源初次使用的不理想之處加以改進。

圖2 AR教學資源實驗界面

表2 教學分組

2.2 AR實驗平臺設計

AR教學資源的開發是為了使教師在課堂上更方便、更高效地完成物理實驗的教學，與此同時，AR教學資源也支持學生在平臺上自主地完成實驗操作，師生之間通過互動板交流，學生課后在平臺上做實驗時也可以向老師咨詢遇到的問題，這樣也實現了對某些學生的個性化輔導，老師有針對性的輔導會讓學生對物理實驗過程及實驗結果的印象更加深刻。為解決老師與學生不能實時互動這一問題，AR教學資源應在設計之初將所有的突發情況加以語音解釋，如實驗儀器識別不到、實驗操作的細節、重難點準備、評價反饋、監督環節等使用UI界面操控所加入的語音素材，基于以上需求與設想，AR教學資源線上平臺功能模塊組成如圖3所示。

圖3 AR教學資源線上平臺功能模塊

3 AR技術在教學過程中的分析及具體應用

3.1 AR教學資源的設計應以學生興趣點為導入口

AR教學資源設計開發的目的就是為了激發學生的學習興趣，提升教與學的實效，因此，在使用AR教學資源時應注意以下幾點：

首先，在備課環節，教師應根據教學大綱設置課堂內容以及了解學生學情后選擇合適的教學資源，且記AR教學資源的使用是為了提高教學效果，AR教學資源的使用有其不可替代的作用，也就是說不能只是為了使用AR教學資源而使用AR教學資源，教學資源的選擇應該充分結合教學過程的需要。

其次，在課堂導入環節部分注重給學生創設問題情境，快速地將學生拉入到課堂中，如圖4所示，學生可以在虛擬環境中根據界面提示完成學習任務，通過向學生提問，讓學生意識到物理課堂的重難點，帶著問題去聽課不僅使學生做到注意力全程保持高度集中，也能讓學生在老師講解的過程中循序漸進地理解知識點之間的關系。

圖4 虛擬學習平臺界面

最后，在物理實驗部分一定要讓學生自己動手操作，AR教學資源不會有危險性，學生可以在老師的指導下獨立完成操作并記錄數據，同時，學生在演示的過程中不僅會增強對所學知識的自信心，也會在腦海中與自己所學過的物理知識實現意義建構，提取物理學習過程中的重難點，提高課堂效率。

3.2 AR教學資源開發應以提高教學效果為目的

在物理實驗中使用AR教學資源并不僅僅是為了學生可以順利地完成物理實驗，教師在實驗過程中科學恰當地使用AR技術，要注重培養學生對實驗結果的預測能力。老師在課堂上要加強與學生的互動，通過提問、舉例子等方式時刻保持學生大腦思維的活躍，在日常生活經驗的基礎上，借助AR技術教學資源并結合物理知識對實驗現象和實驗結果做大膽的預測，讓學生擺脫以教師為中心的束縛。

學生在每一次的實踐過程中，還應該注意提升實驗過程中的合作探究能力與發散思維能力，如圖5所示，將AR技術引入物理實驗教學非常有利于培養學生的動手能力。學生會主動自覺地結合原有的經驗提出有針對性的猜測，讓自己深入思考實驗現象并用所學物理知識解釋出現此實驗現象的原因，這不僅能提高學生的思考能力，還能讓學生在整堂課中保持高度的注意力，保證學生在物理學習中的主體地位，從而提高教學效果。

圖5 學生使用AR教學資源互動學習

教師合理運用AR技術結束教學后，要鼓勵學生對物理實驗結果的靈活運用，在提高學生物理實驗基本素養的同時，使學生善于將所學的知識應用于實踐當中，理論性知識只有通過實踐的檢驗才能得到質變。

3.3 AR教學資源高效化應以提高教師信息素養為橋梁

在物理實驗教學過程中，并不是使用了AR技術老師就可以將課堂完全交給學生，如圖6所示，在設計AR教學資源之初就應該充分考慮實驗中學生可能會遇到的各種問題，如圖6（a）所示，盡量使得AR教學系統更加完整化，以每個實驗為單位模塊，分門別類地設計AR實驗，這樣學生也更容易將自主獲取的知識結構化、系統化，如圖6（b）所示。此外，在使用AR教學資源授課時，老師要格外注意對學生信息素養的培養，這就要求教師團隊首先提升自身的信息素養，同時，老師要意識到對學生實驗總結能力的培養是一個漫長的過程，需要在每一次物理實驗結束后大力鼓勵學生對實驗結果做以總結和表達。最后，學生在對實驗做總結的過程中需要有清晰的邏輯，教師要注重提高學生對實驗過程的梳理能力，鼓勵學生使用思維導圖等軟件梳理實驗過程與重難點知識，所以AR技術教學資源也是讓學生在自己思考之余最大限度接受新知識的得力助手，從而在較短的時間內實現教學目標。

圖6 AR教學資源系統設計

教師在指導學生完成物理實驗之后，可以讓學生針對自己的結論思考實驗過程，想象調節不同的變量會產生哪些變化，思索自己的預測和實驗結果存在偏差的原因所在，多問問自己的猜測是否存在漏洞，并能對自己的實驗進行反思與改進，提高課堂學習效率。

4 結 論

AR技術作為一種新型的“認知工具”，使學生的主體性得到充分的發揮，學生參與到了物理實驗的整個環節（即“提出問題—提出猜想—設計實驗—進行驗證—得出結論—總結與反思”這幾個步驟），學生在物理學習過程中相互合作交流，極大地提高了學生發現問題、解決問題、反思問題的能力。AR技術支持下的教學資源具有交互性、沉浸性等優點，對于一些投資欠佳的學校來說也容易實現，學生在物理實驗操作中注意力高度集中，這種教學模式相較于傳統教學模式效果顯著。教育者在物理實驗教學過程中要大膽創新，營造一個輕松活躍的課堂氛圍更有益于學生發散思維的訓練；教師也要不斷提升自己的信息素養，加強與技術人員的交流，這樣才能促進技術與教育的深度融合，解決傳統物理實驗教學中學生對抽象概念理解困難的弊端，也可避免學校因設備成本過高而引進困難，物理實驗占用過多時間等問題。