借助AR技術開展初中物理實驗教學的探究

朱周華

［摘 要］文章首先分析了借助AR技術開展初中物理實驗教學的優勢，然后從AR技術的交互性、逼真場景模擬以及合作式學習功能出發，提出借助AR技術開展初中物理實驗教學的建議。

［關鍵詞］AR技術；初中物理；實驗教學

［中圖分類號］??? G633.7??????? ［文獻標識碼］??? A??????? ［文章編號］??? 1674-6058（2024）14-0050-03

隨著科技的不斷發展，AR技術作為一種前沿且充滿潛力的教學工具，正逐漸滲透到教育領域。初中物理實驗教學作為培養學生科學素養和實踐能力的重要環節，亟待創新教學方法以適應新時代的需求。本文旨在通過探究借助AR技術開展初中物理實驗教學的優勢，以及整合AR技術的交互性、逼真場景模擬以及合作式學習功能，為初中物理實驗教學注入新的活力，提高學生的學習效果和實踐能力，進而為培養創新型人才奠定基礎。

一、AR技術概述

AR技術，即增強現實技術，是一種將虛擬信息融合到真實世界中的技術。它通過計算機生成的元素，如文字、圖像、音頻和視頻等，與用戶的真實環境實時地結合并互動，從而形成一種超越現實的感知體驗。AR技術不僅能夠改變人們對現實世界的認知方式，還能夠為教育、娛樂、工業設計和醫療等領域提供全新的交互模式和解決方案。在現代教育領域，特別是在初中物理實驗教學中，AR技術的應用正逐漸成為一種創新的教學方法，它能夠幫助學生更直觀、生動地理解物理現象和原理，提高學習效果。

二、借助AR技術開展初中物理實驗教學的優勢

（一）增強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技術為這些問題提供了解決方案。通過AR技術，教師可以將這些抽象的概念和定律以三維模型、動態模擬等形式展現出來，讓學生能直觀地觀察到物理現象的發生過程。例如，在教學“光現象”時，教師可利用AR技術模擬光的折射和反射過程，讓學生通過觀察光線在不同介質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“力”時，教師可以通過AR技術模擬物體受力后的運動狀態變化，幫助學生更直觀地理解牛頓運動定律。這種直觀的教學方式，不僅降低了學生的理解難度，還提高了他們學習物理的興趣。

（二）提高實驗教學的安全性與可操作性

在初中物理實驗教學中利用AR技術構建虛擬實驗室，可以顯著提高實驗教學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，如果讓學生進行電路實驗有可能存在短路和觸電的風險。而通過AR技術，可為學生構建一個逼真的虛擬實驗室。在這個安全的虛擬環境中，學生可以自由地連接電路元件、觀察電流流向，無須擔心真實的電流帶來的危險。此外，虛擬實驗室還允許學生在無壓力的情況下反復練習電路連接，從而加深對電流流向的理解。這種教學方式，不僅降低了實驗風險，保障了學生的安全，還提高了學生的電路操作能力。

（三）激發與培養學生的創新思維與自主探究能力

在初中物理實驗教學中利用AR技術，能夠極大地激發學生的創新思維，培養學生的自主探究能力。例如，在引導學生探究光的折射現象時，傳統實驗往往局限于固定的實驗設置和參數，而AR技術為學生搭建了一個開放的探究平臺。通過AR技術，學生可以自由地改變光源的位置、角度和介質的屬性，觀察光在不同條件下的折射行為。這種互動式的教學方式，激發了學生的好奇心和探究欲望，促使他們主動提出問題、設計實驗方案，并通過自主探究來驗證自己的猜想和假設。在這個過程中，學生的創新思維得到了鍛煉，自主探究能力得到了提升。

三、借助AR技術開展初中物理實驗教學的建議

（一）設計交互式學習任務，增強學習體驗

在初中物理實驗教學中，借助AR技術設計交互式學習任務是一種有效的教學策略。通過利用AR技術的交互性，教師可以為學生創造富有吸引力的學習環境和設計交互式學習任務。在完成任務的過程中，學生親自動手，通過觸摸、拖動、旋轉等手勢與虛擬實驗器材進行直觀互動，從而深入挖掘物理現象背后的原理。通過完成交互式學習任務，學生能夠在輕松愉快的氛圍中加深對物理概念的理解，并加強自身的學習體驗。

例如，以人教版物理教材八年級上冊“光現象”中的“光的反射”為例。

1.背景與目標

在“光現象”一章中，“光的反射”是一個核心概念。在教學“光的反射”時，教師借助AR技術設計一個交互式學習任務，旨在通過沉浸式的互動體驗，加深學生對光的反射原理的理解。

2.任務描述

學生佩戴AR眼鏡，進入一個虛擬的實驗室環境。在這個環境中，學生將面對一個設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的交互式學習任務。

3.任務流程與細節

（1）實驗場景介紹

學生首先看到一個由AR技術生成的簡短動畫，該動畫主要介紹光的反射現象及其在實際生活中的應用。動畫結束后，實驗場景中出現一個可調節角度的光源、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

學生通過手勢識別系統，可以自由地移動、旋轉和調整光源及平面鏡的位置。系統提供實時反饋，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）實驗探索與數據記錄

要求學生改變光的入射角度，并觀察光的反射角度如何變化。學生需要使用虛擬工具記錄不同入射角下的反射角數據，并探索反射角與入射角之間的關系。系統提供輔助線和量角器，幫助學生更準確地測量角度。

（4）原理驗證與討論

學生根據記錄的數據，驗證光的反射定律（即反射角等于入射角）。學生可以與虛擬導師或同學進行討論，分享他們的發現和理解。

（5）挑戰與拓展

教師可以設置一些挑戰性問題，例如“如果光源移動到平面鏡的一側，反射光線會發生什么變化？”以此鼓勵學生進一步探索和思考。學生還可以嘗試使用不同類型的鏡子（如凹面鏡、凸面鏡）進行實驗，觀察并解釋不同的反射現象。

4.學習體驗增強點

AR技術的實時反饋功能和可視化效果使學生能夠直觀地看到光線在不同條件下的反射情況，以此加深學生對光的反射原理的理解。交互式操作允許學生親自動手進行實驗探索和數據記錄，增強了他們的參與感，提高了他們的實踐能力。任務中的挑戰性問題，拓展活動促進學生進行批判性思考和解決問題，激發了他們的學習興趣，提升了他們的思維能力。

通過完成這樣的交互式學習任務，學生不僅能夠在輕松愉快的氛圍中學習光的反射知識，還能夠培養科學探究能力和實驗操作能力。

（二）實施增強現實模擬，輔助真實實驗操作

借助AR技術實施增強現實模擬，輔助真實實驗操作，是一種創新且實用的教學方法。通過AR技術，教師可以將虛擬信息與真實實驗環境相結合，為學生呈現出一個生動、具體的實驗場景。在這種模擬環境中，學生可以在真實實驗器材的輔助下進行模擬實驗操作，并能獲得額外的信息提示和完成數據分析。這種教學方式，不僅能幫助學生體驗實驗過程和理解物理原理，還能幫助他們準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。在傳統的初中物理實驗教學中，通常要求學生親自動手，使用導線、電源、開關、燈泡等基礎電路元件進行電路連接。這樣的實驗設計旨在幫助學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，還會對學生的安全構成威脅，使學生對電路學習產生畏懼。

而借助AR技術，教師可以為學生創造一個安全、高效、直觀的實驗環境。具體來說，教師可以利用AR技術在學生的真實實驗環境中疊加一層虛擬的電路連接提示。當學生連接電路時，AR系統會根據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出來。這樣一來，學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系統還具備實時監測和錯誤提示功能。在學生連接電路的過程中，AR系統會不斷監測他們的操作，一旦發現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技術輔助真實的電路連接實驗，不僅可以有效解決傳統實驗教學存在的問題，還可以為學生創造一個更加安全、高效、直觀的實驗環境。這種創新的教學方式，有助于培養學生的實踐操作能力和科學探究精神。

（三）創設情境模擬教學，促進知識應用遷移

在初中物理實驗教學中，借助AR技術創設情境模擬教學，是一種極具前景的教學策略。通過利用AR技術的逼真場景模擬功能，教師可以為學生創設與現實生活緊密相關的實驗情境。在這些情境中，學生可以將所學的物理知識應用于實際問題的解決，促進知識的遷移應用。

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技術為學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，學生需要探究光在不同介質中的折射現象。學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律。教師引入透鏡的概念，讓學生探究透鏡對光線的會聚和發散作用。通過這樣的情境模擬教學，學生不僅能夠直觀理解光的折射現象和透鏡的工作原理，還能夠將這些知識應用于現實生活中，如解釋近視眼鏡、望遠鏡等光學儀器的工作原理，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技術為學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，學生讓物體處于靜止狀態，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境，因此學生能夠清晰地觀察到牛頓第一定律所描述的現象：物體保持靜止或勻速直線運動狀態，直到受到外力的作用。AR技術能夠實時模擬物體的運動軌跡，展示速度和加速度的變化，并允許學生收集和分析數據，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，學生能夠掌握牛頓第一定律的實質，并將這一力學原理應用于現實生活中。例如，用牛頓第一定律分析車輛在不同路況下的行駛穩定性、理解運動員在起跑時的慣性作用等。這樣的教學方式將抽象的物理定律與生動的虛擬實驗相結合，有助于學生理解和應用力學知識。

借助AR技術創設情境模擬教學是一種有效的教學策略，能夠幫助學生將所學的物理知識應用于實際問題的解決。通過利用AR技術的逼真場景模擬功能，教師可以為學生創設與現實生活緊密相關的實驗情境，促進學生對知識的遷移應用。

綜上所述，借助AR技術開展初中物理實驗教學具有顯著的優勢和廣闊的應用前景。整合AR技術的交互性、逼真場景模擬以及合作式學習功能，能夠增強學生的學習體驗、輔助真實實驗操作、促進知識的遷移應用。借助AR技術開展初中物理實驗教學，不僅能夠激發學生的學習興趣和學習動力，提高學生的實驗操作能力和問題解決能力，還能夠為培養具備創新精神和實踐能力的科學人才提供有力支持。因此，教師應積極推廣和應用AR技術，使AR技術在初中物理實驗教學中發揮最大的效用。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻?? ］

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［4］? 陳向東，喬辰.增強現實學具的開發與應用：以“AR電路學具”為例［J］.中國電化教育，2014（9）：105-110.

［5］? 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（7）：64-69，90.

（責任編輯 黃春香）