借助AR技術(shù)開展初中物理實驗教學(xué)的探究

朱周華

［摘 要］文章首先分析了借助AR技術(shù)開展初中物理實驗教學(xué)的優(yōu)勢，然后從AR技術(shù)的交互性、逼真場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)開展初中物理實驗教學(xué)的建議。

［關(guān)鍵詞］AR技術(shù)；初中物理；實驗教學(xué)

［中圖分類號］??? G633.7??????? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］??? A??????? ［文章編號］??? 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。初中物理實驗教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實踐能力的重要環(huán)節(jié)，亟待創(chuàng)新教學(xué)方法以適應(yīng)新時代的需求。本文旨在通過探究借助AR技術(shù)開展初中物理實驗教學(xué)的優(yōu)勢，以及整合AR技術(shù)的交互性、逼真場景模擬以及合作式學(xué)習(xí)功能，為初中物理實驗教學(xué)注入新的活力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實踐能力，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)實技術(shù)，是一種將虛擬信息融合到真實世界中的技術(shù)。它通過計算機(jī)生成的元素，如文字、圖像、音頻和視頻等，與用戶的真實環(huán)境實時地結(jié)合并互動，從而形成一種超越現(xiàn)實的感知體驗。AR技術(shù)不僅能夠改變?nèi)藗儗ΜF(xiàn)實世界的認(rèn)知方式，還能夠為教育、娛樂、工業(yè)設(shè)計和醫(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驗教學(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)開展初中物理實驗教學(xué)的優(yōu)勢

（一）增強(qiáng)理論知識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。對初中生而言，這些抽象的概念和定律往往難以通過文字描述或平面圖像來完全理解，AR技術(shù)為這些問題提供了解決方案。通過AR技術(shù)，教師可以將這些抽象的概念和定律以三維模型、動態(tài)模擬等形式展現(xiàn)出來，讓學(xué)生能直觀地觀察到物理現(xiàn)象的發(fā)生過程。例如，在教學(xué)“光現(xiàn)象”時，教師可利用AR技術(shù)模擬光的折射和反射過程，讓學(xué)生通過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，教師可以通過AR技術(shù)模擬物體受力后的運動狀態(tài)變化，幫助學(xué)生更直觀地理解牛頓運動定律。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）提高實驗教學(xué)的安全性與可操作性

在初中物理實驗教學(xué)中利用AR技術(shù)構(gòu)建虛擬實驗室，可以顯著提高實驗教學(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點時，如果讓學(xué)生進(jìn)行電路實驗有可能存在短路和觸電的風(fēng)險。而通過AR技術(shù)，可為學(xué)生構(gòu)建一個逼真的虛擬實驗室。在這個安全的虛擬環(huán)境中，學(xué)生可以自由地連接電路元件、觀察電流流向，無須擔(dān)心真實的電流帶來的危險。此外，虛擬實驗室還允許學(xué)生在無壓力的情況下反復(fù)練習(xí)電路連接，從而加深對電流流向的理解。這種教學(xué)方式，不僅降低了實驗風(fēng)險，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

在初中物理實驗教學(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，傳統(tǒng)實驗往往局限于固定的實驗設(shè)置和參數(shù)，而AR技術(shù)為學(xué)生搭建了一個開放的探究平臺。通過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，促使他們主動提出問題、設(shè)計實驗方案，并通過自主探究來驗證自己的猜想和假設(shè)。在這個過程中，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)開展初中物理實驗教學(xué)的建議

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

在初中物理實驗教學(xué)中，借助AR技術(shù)設(shè)計交互式學(xué)習(xí)任務(wù)是一種有效的教學(xué)策略。通過利用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)計交互式學(xué)習(xí)任務(wù)。在完成任務(wù)的過程中，學(xué)生親自動手，通過觸摸、拖動、旋轉(zhuǎn)等手勢與虛擬實驗器材進(jìn)行直觀互動，從而深入挖掘物理現(xiàn)象背后的原理。通過完成交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生能夠在輕松愉快的氛圍中加深對物理概念的理解，并加強(qiáng)自身的學(xué)習(xí)體驗。

例如，以人教版物理教材八年級上冊“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”是一個核心概念。在教學(xué)“光的反射”時，教師借助AR技術(shù)設(shè)計一個交互式學(xué)習(xí)任務(wù)，旨在通過沉浸式的互動體驗，加深學(xué)生對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)入一個虛擬的實驗室環(huán)境。在這個環(huán)境中，學(xué)生將面對一個設(shè)置好的光的反射實驗場景，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）實驗場景介紹

學(xué)生首先看到一個由AR技術(shù)生成的簡短動畫，該動畫主要介紹光的反射現(xiàn)象及其在實際生活中的應(yīng)用。動畫結(jié)束后，實驗場景中出現(xiàn)一個可調(diào)節(jié)角度的光源、一個平面鏡和一個屏幕，用于顯示反射光線。

（2）交互式操作引導(dǎo)

學(xué)生通過手勢識別系統(tǒng)，可以自由地移動、旋轉(zhuǎn)和調(diào)整光源及平面鏡的位置。系統(tǒng)提供實時反饋，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）實驗探索與數(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)確地測量角度。

（4）原理驗證與討論

學(xué)生根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，驗證光的反射定律（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)性問題，例如“如果光源移動到平面鏡的一側(cè)，反射光線會發(fā)生什么變化？”以此鼓勵學(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)行實驗，觀察并解釋不同的反射現(xiàn)象。

4.學(xué)習(xí)體驗增強(qiáng)點

AR技術(shù)的實時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)生對光的反射原理的理解。交互式操作允許學(xué)生親自動手進(jìn)行實驗探索和數(shù)據(jù)記錄，增強(qiáng)了他們的參與感，提高了他們的實踐能力。任務(wù)中的挑戰(zhàn)性問題，拓展活動促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行批判性思考和解決問題，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，還能夠培養(yǎng)科學(xué)探究能力和實驗操作能力。

（二）實施增強(qiáng)現(xiàn)實模擬，輔助真實實驗操作

借助AR技術(shù)實施增強(qiáng)現(xiàn)實模擬，輔助真實實驗操作，是一種創(chuàng)新且實用的教學(xué)方法。通過AR技術(shù)，教師可以將虛擬信息與真實實驗環(huán)境相結(jié)合，為學(xué)生呈現(xiàn)出一個生動、具體的實驗場景。在這種模擬環(huán)境中，學(xué)生可以在真實實驗器材的輔助下進(jìn)行模擬實驗操作，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)生體驗實驗過程和理解物理原理，還能幫助他們準(zhǔn)確地掌握實驗技巧和注意事項。

例如，以人教版物理教材九年級的核心知識點“電流和電路”為例。在傳統(tǒng)的初中物理實驗教學(xué)中，通常要求學(xué)生親自動手，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。這樣的實驗設(shè)計旨在幫助學(xué)生通過實踐操作來直觀感知和理解電流在電路中的流動方式和規(guī)律。然而，對初中生來說，他們對電路的基本概念和連接方式只是初步了解，因此在實際操作過程中很容易遇到各種問題，如電路連接錯誤導(dǎo)致電路短路、元件損壞等。這些問題不僅會影響實驗效果，還會對學(xué)生的安全構(gòu)成威脅，使學(xué)生對電路學(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)造一個安全、高效、直觀的實驗環(huán)境。具體來說，教師可以利用AR技術(shù)在學(xué)生的真實實驗環(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，AR系統(tǒng)會根據(jù)他們的操作實時生成虛擬的電流流動路徑，并以直觀的方式呈現(xiàn)出來。這樣一來，學(xué)生就可以清晰地看到電流的走向和流動情況，從而深入理解電路的工作原理。AR系統(tǒng)還具備實時監(jiān)測和錯誤提示功能。在學(xué)生連接電路的過程中，AR系統(tǒng)會不斷監(jiān)測他們的操作，一旦發(fā)現(xiàn)連接錯誤或存在安全隱患，就會立即給出提示和糾正建議。這不僅可以幫助學(xué)生及時糾正錯誤、避免損壞器材，還能有效保障他們的安全。

通過AR技術(shù)輔助真實的電路連接實驗，不僅可以有效解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的問題，還可以為學(xué)生創(chuàng)造一個更加安全、高效、直觀的實驗環(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)知識應(yīng)用遷移

在初中物理實驗教學(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。通過利用AR技術(shù)的逼真場景模擬功能，教師可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實生活緊密相關(guān)的實驗情境。在這些情境中，學(xué)生可以將所學(xué)的物理知識應(yīng)用于實際問題的解決，促進(jìn)知識的遷移應(yīng)用。

以人教版物理教材八年級上冊“光的折射”和八年級下冊“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)生模擬一個水族館場景，其中包含各種形狀和大小的魚缸以及游動的魚。在這個情境中，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)生探究透鏡對光線的會聚和發(fā)散作用。通過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@些知識應(yīng)用于現(xiàn)實生活中，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)生模擬一個無摩擦的理想坡道場景，其中包含不同角度的斜坡和一個靜止的物體（如小球）。在這個情境中，學(xué)生將探究牛頓第一定律，即慣性對物體運動的影響。開始時，學(xué)生讓物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，觀察物體在沒有任何外力作用時的情況。隨后，他們嘗試給物體施加一個外力，并觀察物體在不同角度斜坡上的運動情況。由于這是一個無摩擦的理想環(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動狀態(tài)，直到受到外力的作用。AR技術(shù)能夠?qū)崟r模擬物體的運動軌跡，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物體運動的影響。通過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質(zhì)，并將這一力學(xué)原理應(yīng)用于現(xiàn)實生活中。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、理解運動員在起跑時的慣性作用等。這樣的教學(xué)方式將抽象的物理定律與生動的虛擬實驗相結(jié)合，有助于學(xué)生理解和應(yīng)用力學(xué)知識。

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)的物理知識應(yīng)用于實際問題的解決。通過利用AR技術(shù)的逼真場景模擬功能，教師可以為學(xué)生創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實生活緊密相關(guān)的實驗情境，促進(jìn)學(xué)生對知識的遷移應(yīng)用。

綜上所述，借助AR技術(shù)開展初中物理實驗教學(xué)具有顯著的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。整合AR技術(shù)的交互性、逼真場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、輔助真實實驗操作、促進(jìn)知識的遷移應(yīng)用。借助AR技術(shù)開展初中物理實驗教學(xué)，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動力，提高學(xué)生的實驗操作能力和問題解決能力，還能夠為培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神和實踐能力的科學(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)在初中物理實驗教學(xué)中發(fā)揮最大的效用。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻(xiàn)?? ］

［1］? 張璇，郜建輝.AR技術(shù)在初中物理實驗中應(yīng)用的思考與實踐［J］.中小學(xué)實驗與裝備，2023（1）：57-60.

［2］? 孫伯旺.基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR的中學(xué)物理實驗教學(xué)的研究［J］.名師在線，2019（27）：6-7.

［3］? 阿巖松，高志軍.VR在初中物理實驗中的設(shè)計與應(yīng)用研究：以初中物理凸透鏡的成像原理為例［J］.信息技術(shù)與信息化，2018（8）：126-129 .

［4］? 陳向東，喬辰.增強(qiáng)現(xiàn)實學(xué)具的開發(fā)與應(yīng)用：以“AR電路學(xué)具”為例［J］.中國電化教育，2014（9）：105-110.

［5］? 張四方，江家發(fā).科學(xué)教育視域下增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)應(yīng)用的研究與展望［J］.電化教育研究，2018（7）：64-69，90.

（責(zé)任編輯 黃春香）