侯 丹，宋昊澤

2016年，新一輪的教育改革正式拉開了序幕，確立了新的教學改革方向，提出發(fā)展學生核心素養(yǎng)的新要求。［1］物理學科在新課程改革核心素養(yǎng)的框架下也凝練出了本學科的教學價值，提出了物理核心素養(yǎng)，即“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”和“科學態(tài)度與責任”。［2］確立了基于物理學科核心素養(yǎng)的教學目標和內(nèi)容，強調(diào)在教學設計中重視教學情境的創(chuàng)設，重視科學探究能力的培養(yǎng)和信息技術的應用，通過問題解決發(fā)展學生物理學科核心素養(yǎng)。

當前，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展為教育的改革和發(fā)展提供了前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。通過3D虛擬增強現(xiàn)實技術可以創(chuàng)設豐富的教學情境，加強信息技術在學生探究能力的培養(yǎng)與問題解決中的應用，以教育信息化帶動教育現(xiàn)代化，突破制約我國教育改革的難點，促進教育教學的創(chuàng)新和變革，加快教育大國向教育強國邁進的進程。

一、物理核心素養(yǎng)的發(fā)展

物理學科核心素養(yǎng)是物理學科育人的集中體現(xiàn)，是學生通過物理學科的學習逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”和“科學態(tài)度與責任”四個方面。［3］（P4-5）

（一）物理觀念

“物理觀念”包括運動觀念、物質觀念、相互作用觀念和能量觀念，是從物理學視角形成的基本認識，它們不是單純的物理概念和規(guī)律，是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華，是從物理學角度解釋自然現(xiàn)象、解決實際問題的基礎，強調(diào)應用這些觀念解決實際問題。

（二）科學思維

物理學科核心素養(yǎng)中的“科學思維”是人腦對客觀事物的本質屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式，是基于經(jīng)驗事實構建思想模型的抽象概括過程。［4］科學思維的核心部分是科學推理［5］，科學推理是在經(jīng)歷問題解決的過程中才能表現(xiàn)出來的。因此，科學思維的發(fā)展強調(diào)在問題解決的過程中進行模型建構，滲透科學推理、科學論證和質疑創(chuàng)新等要素。

（三）科學探究

“科學探究”是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，是指在觀察和實驗的基礎上提出物理問題，形成猜想，建立假設，設計實驗、制定解決方案，搜集和處理信息和數(shù)據(jù)，基于證據(jù)得出結論給予解釋，并對科學探究的過程和結果進行交流、評估和反思的素養(yǎng)。整個科學探究的過程是在問題解決的過程中表現(xiàn)和發(fā)展的。

（四）科學態(tài)度與責任

“科學態(tài)度和責任”，是指在認識科學本質，理解科學·技術·社會·環(huán)境關系的基礎上，逐漸形成的嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，探索自然的內(nèi)在動力，推動可持續(xù)發(fā)展的社會責任感。

學生核心素養(yǎng)的發(fā)展是在真實情境中解決問題時才能表現(xiàn)出來的。而3D虛擬增強現(xiàn)實技術，能夠為教學提供有效的教學情境，設置邏輯清晰的探究過程，幫助學生體驗應用所學知識解決實際問題的過程，保證學生有效地經(jīng)歷科學探究和思維加工的過程，保證學生核心素養(yǎng)的內(nèi)化，擁有正確的科學思維，發(fā)展科學探究能力，形成正確的科學態(tài)度和責任。

二、3D虛擬增強現(xiàn)實技術的教育內(nèi)容

（一）教育內(nèi)涵

3D虛擬增強現(xiàn)實技術是虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality，簡稱VR)與增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，簡稱AR）相結合的產(chǎn)物，是計算機仿真系統(tǒng)發(fā)展的新產(chǎn)物。3D虛擬增強現(xiàn)實技術在教育中的應用是以可視化的3D立體模型為基礎，通過啟發(fā)式、項目體驗式的教學方式，綜合應用VR、AR技術，實現(xiàn)沉浸性、交互性、真實性強的學習情境，完善探究學習和認知的過程，培養(yǎng)學生綜合應用所學知識解決實際問題的能力、跨學科學習能力和團隊寫作能力等。

應用3D虛擬增強現(xiàn)實技術進行教學，能夠將平時難以講述的教學情境、現(xiàn)實生活中不易觀察到的自然現(xiàn)象或事物的變化過程，以及不可能直觀展現(xiàn)的場景通過3D虛擬技術進行呈現(xiàn)，為學生創(chuàng)設一個多維度觀察、多感官體驗的情境化學習環(huán)境，讓學生感受到真實的情境。

（二）教學需求

3D虛擬增強現(xiàn)實技術可以根據(jù)教學所需，創(chuàng)設出恰當?shù)臅r空和場景輔助教學。將教學中應用3D虛擬現(xiàn)實技術的需求按照時間和空間的維度分為：時間尺度上的宏觀教育需求、時間尺度上的微觀教育需求、空間尺度上的宏觀教育需求和空間尺度上的微觀教育需求四個方面。［6］（P10-14）3D 虛擬增強現(xiàn)實技術為滿足物理教學所需，可以從以下幾方面解決教學難點。

時間尺度：既存在時間跨越大的宏觀的宇宙演化過程，也存在著時間短暫的不易觀察的原子核衰變、光電效應等過程。

空間尺度：既有恢宏的星云的形成過程，又有微觀的原子、分子結構等。

概念抽象：超出學生日常生活經(jīng)驗的范疇，很難通過想象和單一的邏輯思維推理過程去認識，只靠教師單純的講授學生理解困難。

情境設置：依靠傳統(tǒng)的教學手段，很難完成或有危險的教學情境設置，教學效率偏低。

（三）3D教育三要素

3D裝備、3D資源和3D教學是3D虛擬增強現(xiàn)實技術在教育中應用不可或缺的“三要素”。3D虛擬增強現(xiàn)實裝備是教育的基礎，為教育提供所需的技術保障；3D虛擬增強現(xiàn)實技術相關資源是教育的“精神食糧”，為教育提供所需的物資保障；3D虛擬增強現(xiàn)實技術的教學是3D虛擬增強現(xiàn)實技術實現(xiàn)的載體，教學水平的高低決定了3D虛擬增強現(xiàn)實技術應用于教育的水平。

3D虛擬增強現(xiàn)實技術的3D裝備技術支持為桌面級混合現(xiàn)實技術，它摒棄了傳統(tǒng)的頭盔式的“完全沉浸式虛擬現(xiàn)實”和“互動式增強現(xiàn)實”，避免了長時間戴頭盔給人體帶來的眩暈感（一般采用頭盔式進行15分鐘的3D體驗即會有眩暈感產(chǎn)生），以桌面級混合現(xiàn)實的形式呈現(xiàn)增強虛擬的效果，同時在整個班級內(nèi)完成情境設置和實驗互動過程。

3D資源包括3D教學影像資源、3D教學課件、3D教學軟件等。基于3D虛擬增強現(xiàn)實系統(tǒng)設置的資源具有沉浸性和直觀性的特點，可最真實地建構出貼近真實經(jīng)驗的學習環(huán)境，為學生提供立體、生動、可交互性強的學習資源，有效地減少學生的認知負荷。

3D虛擬增強現(xiàn)實技術只有融入到教學中，才能展現(xiàn)出其應用于教育的價值。應用3D虛擬增強現(xiàn)實技術進行的教學可以有效地促進學生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)，提高學生的空間想象能力，拓展學生的思維，增強學生的科學探究能力，使學生更有效地在問題解決的過程中，獨立地應用所學知識解決問題。

3D虛擬增強現(xiàn)實技術不但為教學手段的革新提供了有效的技術支持，還改變了傳統(tǒng)的教學模式，為學生提供交互式學習環(huán)境，同時也改變了學生學習方式，促進了課堂上師生間和生生間的互動，使教學氛圍更加活躍、自然和親切。

三、3D虛擬增強現(xiàn)實技術的應用研究

分析3D虛擬增強現(xiàn)實技術的教育需求，選擇適合中學物理教學的3D裝備，根據(jù)新課標中物理學科核心素養(yǎng)確定的教學內(nèi)容設計和制作3D資源，從而彌補原有教學的不足，從創(chuàng)設逼真的教學情境、提高學生互動性和參與度等角度設置3D教學。依據(jù)新課程改革的特點和教學理念，從教學情境設置、物理實驗設置等角度分析應用3D資源進行3D教學的優(yōu)勢。

（一）教學情境設置

1.為中學物理教學設置逼真的教學情境

新一輪的課程改革中，最大限度地靠近真實經(jīng)驗的情境的設置，是教學改革的關鍵。現(xiàn)有教學的情境設置大多通過圖片、視頻或講解的方式來創(chuàng)設，這種方式給學生提供的只是單純、表面的感官現(xiàn)象，不能夠帶領學生全面投入、深入地體會所處情境，且簡單的語言描述和圖片展示并不能完全吸引學生的注意力，引發(fā)學生的興趣，全面理解所要研究的問題。而應用3D增強虛擬現(xiàn)實技術可為教學提供真實的情境，尤其是在現(xiàn)實生活中不容易感受到的情境，讓學生參與其中，發(fā)現(xiàn)教師創(chuàng)設情境中所要研究的物理問題，完善課堂教學。例如在進行失重的教學中，教師想讓學生感受在地球上很難真實體驗到的零重力環(huán)境，就可以通過3D增強虛擬現(xiàn)實技術創(chuàng)設失重環(huán)境實驗平臺，學生可以與實驗平臺進行互動，感受失重條件下物體的運動規(guī)律，從而增強學習興趣，學會主動探索事物的真諦，加深對知識的理解。

2.為中學物理教學提供沉浸性強的教學環(huán)境

3D虛擬增強現(xiàn)實技術最顯著的特點之一就是可以將虛擬世界與真實世界相結合，為體驗者提供沉浸性強的環(huán)境。例如，在進行電機原理的講解中，可以讓學生通過3D虛擬增強現(xiàn)實技術清楚地觀察到電機的整體結構、電流的運行等（如圖1所示），同時可以通過增強現(xiàn)實技術將其投影在真實空間中（如圖2所示），達到虛擬和現(xiàn)實相結合的目的，使情境更具真實性，提高了學生的學習興趣。通過3D虛擬增強現(xiàn)實技術使原本不易見到或抽象難懂的知識內(nèi)容展現(xiàn)在學生面前，如磁場的分布，電子的運動等，有效地促進了課堂教學效果，提高了學生的學習效率。

圖1.機的結構和電流的運行

圖2.機模型增強現(xiàn)實授課效果圖

3.提高課堂的交互性

3D虛擬增強現(xiàn)實系統(tǒng)還可以為學生提供交互性強的學習情境。在教學的過程中，學生可以通過電腦屏幕與虛擬世界進行交互，與傳統(tǒng)的情境設置的方法相比，能夠更有效地吸引學生的注意力，引發(fā)學生的學習興趣，從而進行體驗式的教學，如學生在觀察電機的同時，可以自行對電機進行拆解（如圖3所示），通過真實的交互式體驗，加強對電機原理及電機運行機制的理解。芝加哥大學的研究團隊研究得出，通過互動體驗式的學習方式，學生在接觸課堂上體驗過的概念時，會激發(fā)大腦的感觀和運作，學生可獲得更深層次的理解同時提高30%的記憶力。

圖3.1 直流電動機及直流電動機結構分解效果圖

圖3.2 直流電動機及直流電動機結構分解效果圖

（二）為實驗教學提供有效補充

物理學是一門以實驗為基礎的學科，物理學中的定理定律都是通過實驗的方法得到驗證，同樣在物理教學中為體現(xiàn)科學性、培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，物理實驗是必不可少的教學內(nèi)容之一。但由于課堂教學的局限性，很多實驗場景和實驗項目是無法完成或是無法讓學生詳細觀察到的。而采用3D虛擬增強現(xiàn)實技術則可以彌補傳統(tǒng)實驗條件的不足。

1.實現(xiàn)自然條件下無法實現(xiàn)的實驗場景

在物理演示實驗教學中，有些實驗場景是無法真實實現(xiàn)的，如無重力場景、物體在不同重力場景中的運動，這些實驗過程只能通過動畫或教師的講解學生在頭腦中想象的形式完成，還有一類如無摩擦力的運動環(huán)境、無空氣阻力的運動環(huán)境等是通過建立理想模型的方式進行探究，從而忽略實驗中的影響因素的。而通過3D虛擬增強現(xiàn)實技術則可以完成以上實驗場景的搭建，引領學生真實地體驗完全理想化的實驗環(huán)境，增加實驗的可信性及測量的準確性。例如在進行伽利略斜面實驗的講解過程中，需要建立理想的實驗環(huán)境，即沒有摩擦力和空氣阻力的環(huán)境，傳統(tǒng)的教學中，單純地采用思想實驗的方式讓學生體會牛頓第一定律的驗證過程，而加入3D虛擬增強現(xiàn)實技術建立的理想環(huán)境，則可以加深學生對牛頓第一定律真諦的理解，提高學生的科學素養(yǎng)。

2.替代過于昂貴、不易建設的教學器具

有些實驗場景搭建起來比較復雜，需要準備很多的實驗器材進行搭建，課前準備和課堂內(nèi)建設的時間均比較長，這樣的實驗，我們可以通過3D虛擬增強現(xiàn)實技術來進行實現(xiàn)。如，在講解能量守恒的過程中，為了貼近學生的生活，請同學們通過3D虛擬增強現(xiàn)實技術可以在虛擬的世界里快速地按照自己的想象搭建出過山車（如圖4所示），搭建出的過山車可以有物體在上面真實地運行，通過不斷地調(diào)試過山車的角度，運動物體的速度來理解能量守恒定律的本質。通過3D增強虛擬現(xiàn)實技術，可以縮短前期準備實驗材料的時間，節(jié)約準備實驗材料的成本，學生在學習的過程中可以自主地完成實驗內(nèi)容的探究，增強了學生學習自主性和應用所學知識解決實際問題的能力。

圖4.山車搭建實驗平臺

3.回放歷史實驗場景，便于反復分析探究

在物理演示實驗教學中，有一些場景是不能夠返回去重新觀察的，如運動中速度的變化情況、力的大小、方向的變化情況、運動軌跡的顯現(xiàn)等均不能夠重新回去查看。通過3D虛擬增強現(xiàn)實技術完成的實驗，可以無限次的重復歷史場景，進行回查和探究，可以更有效地幫助學生完成自主探究和體驗式學習。如圖5所示為物體的運動軌跡圖，可以實時地顯示物體的速度、加速度、位移等大小信息，便于學生分析探究。

圖5.體速度、加速度、位移大小實時顯示圖

4.演示危險實驗，保障教學安全

教師在進行物理演示實驗教學的過程中，最注重的問題之一就是實驗操作要安全，不能有危險，這就使有些實驗現(xiàn)象只能通過教師描述的方式讓學生在頭腦中想象。如電路電流過大，發(fā)生短路，造成燈泡燒毀的實驗想象（如圖6所示）；又如故障排查類實驗、四軸飛行器故障排查實驗、修好損壞的發(fā)動機。通過3D虛擬增強現(xiàn)實技術搭建的實驗平臺，可以沒有任何危險性地為學生顯示在教學中不能為學生體驗的實驗現(xiàn)象，同時不必消耗任何實驗耗材成本。

圖6.流過大，燈泡燒毀圖

5.展現(xiàn)特殊場景，增強學生體驗效果

在真實的生活中，大到天體運轉、小到物體的微觀運動，都蘊含著物理知識，需要學生去探索發(fā)現(xiàn)其中的奧秘。在進行相應知識的授課過程中，要想讓學生觀察到真實的天體運行或物體的微觀運動是教學中的難點之一。在傳統(tǒng)的教學模式下，學生通過教師的講解，在頭腦中想象這些場景，完成對知識的學習和理解。但通過3D虛擬現(xiàn)實技術可以為學生真實地展現(xiàn)天體的運行和物體的微觀運動，增強學生的感官體驗。如：日食、月食的形成實驗展示；電子的運動、分子熱運動的展示等。

此外，通過3D虛擬增強現(xiàn)實技術進行的物理實驗還具有可重復性強、實驗效果明顯、便于學生觀察、學生參與度高、自主性強等特點，有效地彌補了現(xiàn)有物理實驗教學的不足，讓學生能夠在真實的問題解決情境中發(fā)展物理學科核心素養(yǎng)。

綜上所述，應用3D虛擬增強現(xiàn)實技術進行的中學物理教學，能夠逼真地設置教學和實驗情境，通過沉浸性和交互式的方式讓學生積極主動地參與到問題解決的探究過程中，從而改變教師的教學手段、教學方式和學生的學習方式，從而在問題解決的過程中發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)。

四、《平拋運動》課堂實例展示

《平拋運動》是人教版《物理》必修二第五章第二節(jié)的內(nèi)容，這一節(jié)的教學重點為理解平拋運動的定義，探究平拋運動的特點和運動規(guī)律。教學難點為學會用兩個簡單的直線運動來等效替代處理物理問題的方法，即可以分解為豎直方向的自由落體運動和水平方向的勻速直線運動的思想。

現(xiàn)有的教學過程中，教師采用演示實驗與理論推理相結合的方法引領學生確立平拋運動的運動規(guī)律，但傳統(tǒng)的平拋運動演示儀，小球運動速度較快，學生很難清晰地觀測到小球的運動狀態(tài)，只能通過邏輯推演結合所觀察的實驗現(xiàn)象在頭腦中虛擬出平拋運動的運動軌跡及運動特征。而高一階段的學生，雖然已經(jīng)具備了較強的抽象邏輯思維，但思維理論性還處于發(fā)展階段，通過細節(jié)展現(xiàn)不明顯的實驗現(xiàn)象，無法在頭腦中建構全面的平拋運動模型，不利于學生對事物本質現(xiàn)象的探究。為彌補現(xiàn)有教學的不足，采用3D虛擬增強現(xiàn)實技術為《平拋運動》教學設計設置了理想的平拋運動實驗環(huán)境，即空間沒有空氣阻力，水平地面沒有摩擦力的理想環(huán)境，實驗場景的設置包括水平平拋運動儀、水平運動儀、自由落體運動儀和3個相同質量等大小的小球（如圖7所示），水平運動儀和平拋運動儀在水平方向提供相同大小的力作用在小球上，水平地面沒有摩擦力、空間沒有空氣阻力的作用。同時釋放三個小球，讓它們分別作平拋運動，水平方向的勻速直線運動、豎直方向的自由落體運動。觀察三個小球的運動情況，發(fā)現(xiàn)三個小球在同一點相碰。再通過回放，如圖7所示，觀察小球的運動軌跡，分析小球的速度及受力的變化情況。

圖7.拋運動回放圖

通過這樣的3D虛擬現(xiàn)實技術進行的實驗，可以使學生全面細致地觀察到小球的運動過程，同時在虛擬的理想實驗環(huán)境中，避免了摩擦力和空氣阻力對小球運動過程帶來的影響，使實驗結果更加符合物理學規(guī)律，避免了實驗系統(tǒng)誤差對實驗結果帶來的影響，便于學生抽象出物理模型進行學習。再通過實驗回查，對物體運動軌跡和速度及受力變化情況進行實時的觀察和分析，完成對平拋運動可以分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動的探究。解決了學生在學習過程中的認知困難問題，掌握了等效替代處理物體問題的方法，并通過自主互動式的學習過程，建構了平拋運動的知識體系。

為進一步加深學生理解平拋運動的本質，設置了傳統(tǒng)實驗環(huán)境無法建構的沒有氣體阻力和不同重力場景的實驗環(huán)境（地球、月球、土星），帶領學生探究物體在初速度不同和重力加速度不同的情況下，運動的變化情況通過實驗對比，學生發(fā)現(xiàn)不但改變初速度可以改變物體做平拋運動的運動軌跡，改變重力加速度同樣可以改變他們的運動軌跡，并驗證了頭腦中的理論推導，完善知識結構的建構，培養(yǎng)了應用所學知識解決真實世界中問題的能力。

五、小結

3D虛擬增強現(xiàn)實技術為物理教學提供了新的教學手段，通過逼真性、沉浸式、交互式強的學習環(huán)境的設置，引領學生在真實的場景中進行學習和探究，經(jīng)過一系列實踐研究及跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的教師愿意采用虛擬現(xiàn)實的方式進行教學，學生通過虛擬現(xiàn)實的場景更愿意思考，同時增加了學生的空間推理能力，在研究的過程中還顯示，學生更喜歡“做中學”，能夠激活頭腦中已經(jīng)取得的知識，思考問題時也能提出更高層次的互動性問題，建構更加全面豐富的知識結構體系。總之，3D虛擬增強現(xiàn)實技術的使用，為發(fā)展學生的科學素養(yǎng)，培養(yǎng)學生具有終身學習和適應社會發(fā)展所需的關鍵能力和品質，為完成新課改的目標提供了新的行之有效的手段。但是，在教學過程中，不能完全依賴于3D虛擬增強現(xiàn)實技術，要強調(diào)真實和虛擬的結合，在現(xiàn)有實驗條件、實物展示和真實場景下可以有效完成的教學，不需要應用3D虛擬增強現(xiàn)實技術來完善教學效果，在教學過程中要處理好虛擬和真實的結合尺度。

注：本文所采用的3D虛擬增強現(xiàn)實技術為美國zSpace公司提供的zSpace3D虛擬現(xiàn)實交互式一體機實驗系統(tǒng)，特此感謝。

［1］核心素養(yǎng)研究課題組.中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)［J］.中國教育學刊,2016(10).

［2］郭玉英.從三維課程目標到物理核心素養(yǎng)［J］.物理教學，2017（11）.

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