AR教育資源支持下的初中物理在線實驗教學研究

聶鑫 李甦

摘要：突發公共衛生事件狀況下，為確保教學活動正常進行，學校可利用互聯網平臺開展在線教學。物理是一門以實驗為基礎的學科，在線教學過程中，指導學生構建物理實驗情境，保證物理實驗課的教學質量，具有重要意義。依據義務教育物理課程標準，結合現有的AR教育資源和交互平臺，構建基于AR應用的在線實驗教學模式，促進初中物理在線實驗教學的有效進行。

關鍵詞：初中物理? AR教育? 在線實驗教學

引用格式：聶鑫，李甦.AR教育資源支持下的初中物理在線實驗教學研究[J].教學與管理，2022（06）：94-96.

在線實驗教學是指在網絡與硬件設備的支持下，師生利用第三方平臺，以直播講解、虛擬實驗操作等多樣化的形式開展的實踐性教學，是通過在線實驗、觀察、測定和分析，使學生獲得知識、發展能力的一種線上教學組織形式。當前，新冠疫情特殊時期尚未結束，對于國內少數的中高風險地區，中小學必須根據實際情況開展在線教學。實驗是初中物理課程中的重要組成部分，在線教育狀態下，若以單純的語言講授或多媒體展示代替實驗操作，其教學效果必然會受到影響。因此，開展在線實驗教學勢在必行。借助當前已有的AR教育資源，構建在線實驗教學模式，不僅豐富了AR技術應用于初中物理在線教學的理論研究，而且在當前形勢下具有其實際應用價值。

一、初中物理在線實驗教學的設計原則

任何物理實驗都具有科學性、對照性、單一變量、平行重復、可操作性、嚴整性等原則。因此，開展在線實驗教學時，教師同樣需遵循這些原則，以促進學生學科核心素養的發展[1]。傳統的物理實驗課中，為了得到可靠的結論，教師指導學生進行實物實驗的次數一般為3次;在線實驗的操作全過程均在虛擬平臺上實現，其中各類元件、器材的性質（參數）可以自由設定，只需手動輸入不同的數據，修改較為方便，因此可以視實際情況適當增加實驗次數。除了上述原則外，因其授課形式的不同，在線實驗教學過程中還需遵循以下原則。

1.整合性原則

所謂整合性，既是教師的主導作用和學生主體作用的整合，也是所選用的直播平臺、AR資源平臺以及互動交流平臺之間的整合。以演示實驗為主的實驗課容易讓教師走向“滿堂灌”的教學模式，而在線實驗過程無教師指導、參與的放縱型教學模式會使學生感到迷茫，不知道如何解決模擬實驗中存在的問題，因而在線實驗教學中，教師主導與學生主體的整合必不可少。本文中選用的三種類型平臺都有其自身的重要作用，通過教師講解演示、學生動手操作、師生交流反饋等環節形成了完整的在線實驗教學流程。現代化教學資源的使用增加了在線實驗課的趣味性和體驗性，但這并不意味著要將所有可選的資源全部放在一起使用。整合的內涵是將零散的事物彼此銜接以實現協同工作，形成有價值、有效率的整體;過度疊加不僅會增加學生在實驗過程中的負擔，還會浪費時間和資源。

2.交互性原則

在線實驗教學中的交互性是人人交互、人機交互和APP之間相交互的結合。人人交互包括師生、生生之間的多重交互，教學過程建立在師生信息交流和情感交流的基礎上，以提高學生的能力為目標;人機交互是指通過在線直播平臺開展實驗課的過程中師生的實時參與，既包括教師控制多媒體演示實驗的運行，也包括教師運用電腦、手機等設備傳輸電子任務單，學生完成實驗報告、完成模擬物理實驗以及向教師傳輸實驗結果的過程;APP之間的交互主要指在開發與完善過程中其本身具有的相互調用的功能，在線實驗課程中整合了多種形式的APP輔助教學，交互性顯而易見。例如，在登錄NOBOOK虛擬實驗室的PC端時，可以選擇“使用第三方登錄”——“微信”或“QQ”;在傳輸虛擬實驗的相關文件時，選擇應用內需要分享的內容，調用在線教學所選用的社交媒體軟件，即可實現師生之間文件的分享。

3.真實性原則

真實性是指在線實驗過程中，選用的演示實驗真實可靠，模擬實驗中的器材等應與實物的基本特征相一致，教學要與真實生活相關聯。本文中的在線實驗基于AR技術的物理實驗教育資源開展，其中運用了三維建模、智能交互等多種技術手段，通過3D技術在真實物體上疊加虛擬對象、模擬仿真操作實現虛擬現實之間的無縫交互[2]。因而，軟件中各種虛擬器材從模式、外觀到性質均完美復現了實物細節（如圖1），增加了在線實驗操作過程的真實感，對于學生正確認識各種實驗器件的特點、使用方式及注意事項等方面具有一定的促進作用。

事實上，在AR教育資源的支持下，無論線上還是線下，物理實驗的可操作范圍變得更加廣泛。例如，電學板塊關于短路及超負荷的內容，由于實物操作會導致元器件損壞，教師通常只為學生講解理論知識，即使播放多媒體演示實驗，其中也都是以動畫的形式描述實驗過程。但在虛擬操作平臺中，可以在無實物損壞和無現實危害的前提下觀察到電路連接錯誤或元件規格選用不當造成的后果，強化相關操作的規范，體現了真實性。

二、初中物理在線實驗教學模式構建

《義務教育物理課程標準（2011年版）》中提出了關于初中物理學科教學過程與方法目標的要求：“通過參與科學探究活動，學習擬訂簡單的科學探究計劃和實驗方案，有控制實驗條件的意識，能通過實驗收集數據，會利用多種渠道收集信息，有初步的信息收集能力。”[3]當前，在線物理實驗課大多僅以多媒體演示實驗的形式呈現，教學過程更側重理論分析，學生僅通過觀察，難以提升科學探究能力和動手實踐能力，這與課程標準的要求是相悖的，因而本文中提及的在線物理實驗還包括以學生為主體的設計實驗[4]，讓學生能夠親自動手進行實驗操作。初中物理教材中包括聲、光、熱、電、力五大板塊，主要實驗見表1。

在線實驗教學中，課前準備至關重要，它關系到教學能否順利進行;正式開展在線實驗課的過程中，通過線上的互動，使學生在順利完成實驗教學的同時，教師及時進行評價、反饋與總結（如圖2）。

課前準備包括資源的選用和使用指導，教師依據學生的實際情況開展調查研究，同時應構建適用于這一教學模式的評價體系。在線實驗課同樣包括課程的導入、提出問題、實驗探究、數據的記錄與分析、得出結論、提交實驗結果、評價反饋交流七個環節，在已有設備和應用的支持下，將多種教育資源進行有機結合，使學生能夠自主設計實驗過程，選擇虛擬實驗器材，完成在線物理規律的探索過程。為了保證操作的規范性，且不與實物操作相脫離，教師可以自行錄制微課或選用網上的優質慕課進行在線播放，以輔助學生開展模擬實驗。前者用于彌補由于物質條件受限導致的學生無法進行實物實驗操作，后者用于彌補由于空間限制導致的教師不能進行實物演示實驗。教師通過在線直播平臺，為學生講解相關的實驗原理、虛擬仿真平臺的使用方法和實驗中的注意事項，引導學生主動探究，將課本知識、科學方法、操作能力、思維運用相結合，在順利完成模擬實驗的基礎上，以科學的邏輯思維方式分析實驗數據，得到正確的結論，培養學生的實驗探究能力、發現問題和解決問題的能力以及勇于創新的意識，促進學生所學知識的有效遷移。學生自主設計實驗，選用實驗器材，在虛擬操作平臺上完成實驗過程，將得到的實驗現象在軟件自帶的保存功能或設備的錄屏功能進行記錄，與電子實驗報告一同提交到教師指定的平臺。最后，教師應及時評價，列出在線實驗中存在的問題，組織學生集體討論，做好反饋和總結。

三、初中物理在線實驗教學的注意事項

1.在線實驗的平臺選擇

當前在線教學所需要的工具包括以互聯網為基礎的計算機、智能手機、平板等設備，師生實現教與學常用的直播平臺有騰訊空中課堂、騰訊會議、超星學習通等，同時還包括微信、QQ、釘釘等社交媒體軟件。此外，本研究選用的基于AR技術的物理教學輔助軟件——“物理實驗室”和“NOBOOK虛擬實驗室”，二者均為無需器材即能進行高精度中小學物理實驗的開放型應用，其中專業引擎能夠精準計算模擬結果，且操作簡便。不同的是，“物理實驗室”這款軟件僅可在移動端使用，支持iOS和Android兩大系統，其中包括“電學實驗”“電與磁實驗”和“天體物理實驗”三大主要模塊，若想通過該軟件完成諸如凸透鏡成像、杠桿原理等經典實驗，則需考慮對軟件內容的進一步開發。“NOBOOK虛擬實驗室”同時支持PC端和移動端使用，其中包括聲學、光學、力學、電學等八大模塊，內容更豐富，設備適配性更高，但其中某些功能需要開通VIP才能解鎖，為使廣大師生能夠應用到所需資源，則需加強校企合作。

2.在線實驗的評價反饋

在線實驗教學過程中，受空間條件限制，教師無法當場對學生的實驗情況作出評價，因而需要指導學生提交錄制的虛擬實驗操作過程，并從知識認知、操作過程、學習情感等方面合理構建評價體系。在線實驗評價要考慮學生對于實驗的認知程度、虛擬實驗操作的熟練程度以及線上討論的積極程度。反饋既要包括教師對學生實驗操作過程的及時總結與指導，還應包括學生對在線物理實驗課程的感受與建議。對于在校師生來說，可以通過在線交流討論、編制與填寫電子問卷并進行數據統計分析等形式開展反饋過程，這種方法比較簡單，但通常會帶有一定的個人主觀性。對于AR教育資源的開發者而言，應致力于開發初中物理虛擬實驗在線教學反饋系統，使教師能以學生在虛擬實驗中點擊APP內的操作過程作為觸發事件，收集相應數據，這種方法具有較強的技術性，目前仍處于研究階段。

疫情期間在線教育的迅速發展促進了傳統教學的變革，近年來AR教育資源的興起為在線實驗教學的順利開展提供了可能。開展在線實驗課程前，教師需充分考慮到學生可能遇到的問題和困難，站在學生的角度看問題，引導學生在順利完成模擬實驗的同時將反思評價嵌入到實驗探究中，使學生能夠正確評價自己的實踐過程，關注其理性精神的形成[6]。另一方面，教師應更加關注后進生的在線實驗課程學習情況，整個在線教學過程中，師生之間正確的溝通方式、合理的溝通頻率與及時的反饋總結必不可少。

參考文獻

[1] 石堯，田成良，翟磊，等.物理過程教學的內容與設計原則[J].教學與管理，2019（04）：60-62.

[2] 張四方，江家發.科學教育視域下增強現實技術教學應用的研究與展望[J].電化教育研究，2018，39（07）：64-69+90.

[3] 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012：6.

[4] 劉高福，王平瑞，丁曲.物理實驗教學中學生創新能力的培養[J].教學與管理，2020（06）：101-103.

[5] 彭前程.義務教育教科書物理（八年級九年級）[M].北京：人民教育出版社，2013：32-48.

[6] 肖永琴.以設計思維引領的初中物理深度學習策略探討[J].物理教師，2019，40（08）：43-45.

[作者：聶鑫（1993-），女，黑龍江雙鴨山人，云南大學職業與繼續教育學院，碩士生;李甦（1963-），男，云南昆明人，云南大學職業與繼續教育學院，教授，碩士生導師。]

該文為2020年度云南大學職業與繼續教育學院第六屆研究生科研創新項目“基于AR教學資源的初中物理電學實驗在線教學設計研究”的研究成果