張 璇 郜建輝

天津泰達(dá)實(shí)驗(yàn)學(xué)校(300450) 天津市紅橋區(qū)教師發(fā)展中心(300131)

信息技術(shù)的不斷發(fā)展,不僅為人類的生活生產(chǎn)提供了便捷,也有效推動(dòng)了教育教學(xué)方式的變革。致力于信息技術(shù)與教育教學(xué)的有機(jī)融合,將人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)逐漸融進(jìn)物理教學(xué)中,可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的諸多弊端。AR技術(shù)即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),是對(duì)VR(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)的擴(kuò)展。它將虛擬信息融入真實(shí)世界,將真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫(huà)面或空間,學(xué)習(xí)者能在現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中看到虛擬生成的模型對(duì)象,并對(duì)其進(jìn)行操作,從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

1 問(wèn)題的提出

物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)的科學(xué),建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,以數(shù)據(jù)和現(xiàn)象為認(rèn)知手段。對(duì)初中生而言,很多物理知識(shí)要通過(guò)操作和觀察實(shí)驗(yàn)而獲得。借助AR技術(shù)可以有效地提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的沉浸感,提升物理模擬實(shí)驗(yàn)的交互性,增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。AR技術(shù)支持下的物理學(xué)習(xí),憑借比虛擬實(shí)驗(yàn)更加貼近自然的交互方式,為初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了更多可能。

2 AR技術(shù)應(yīng)用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論依據(jù)

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過(guò)引入AR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù),以虛擬的形式給學(xué)生提供更多使用實(shí)驗(yàn)裝備的機(jī)會(huì),增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)資源對(duì)課程與實(shí)驗(yàn)的支撐力[2]。同時(shí),很多教育理論也為此提供了理論依據(jù)。

(1)多元智能理論。加德納認(rèn)為人的智能有個(gè)體差異性,傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式依賴于學(xué)生的邏輯和讀寫(xiě)能力,因此很容易讓這方面能力比較弱的學(xué)生產(chǎn)生物理學(xué)習(xí)上的挫敗感。因此我們應(yīng)為學(xué)生創(chuàng)造更多適合自身發(fā)展的條件,AR技術(shù)提供的教學(xué)情境給了學(xué)生發(fā)展的空間。有研究表明,AR技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用,可以在一定程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,對(duì)縮小傳統(tǒng)課堂中學(xué)生之間的差距也有一定的作用[3]。

(2)建構(gòu)主義理論。學(xué)習(xí)是主動(dòng)建構(gòu)的過(guò)程,教師要以學(xué)生為中心,創(chuàng)設(shè)情境,引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索知識(shí)、進(jìn)行有意義的建構(gòu)。建構(gòu)主義認(rèn)為學(xué)習(xí)是一種基于真實(shí)情境的體驗(yàn),AR技術(shù)能突破傳統(tǒng)教學(xué)無(wú)法建構(gòu)和表現(xiàn)的物理現(xiàn)象,采用最貼近自然的交互方式給予學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)建構(gòu)的最大程度的支持,同時(shí)也符合皮亞杰“把實(shí)驗(yàn)室搬到課堂中去”的設(shè)想[4]。

3 AR技術(shù)應(yīng)用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

傳統(tǒng)的初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)常會(huì)受到時(shí)間、場(chǎng)地、儀器、安全等因素的限制,教師基于各種考慮,往往無(wú)法滿足教學(xué)中實(shí)驗(yàn)操作的要求。將AR等信息技術(shù)與初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行有機(jī)融合,則可以借助技術(shù)手段對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行完善、豐富和創(chuàng)新[5]。

3.1 AR技術(shù)的使用與物理實(shí)驗(yàn)的安全性

在初中物理的教學(xué)中,有些實(shí)驗(yàn)存在諸多安全隱患,教師出于人身安全的角度考慮,往往放棄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作或教師的實(shí)驗(yàn)演示。為此,學(xué)生也就失去了直觀感受的機(jī)會(huì)。AR技術(shù)的使用很好地避免了這一隱患,可以在保證安全的前提下,提供近似真實(shí)的操作體驗(yàn)。

案例一:托里拆利實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在學(xué)習(xí)大氣壓強(qiáng)時(shí),托里拆利實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn),但由于實(shí)驗(yàn)會(huì)用到大量的水銀,而水銀是一種有毒物質(zhì),極具危險(xiǎn)性,通常實(shí)際教學(xué)中教師會(huì)放棄實(shí)驗(yàn)操作,采用視頻的方式呈現(xiàn)給學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

如果利用AR技術(shù)模擬托里拆利實(shí)驗(yàn),就可以在保證師生安全的前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),理解水銀柱高度與氣壓的關(guān)系,讓學(xué)生安全、高效地?fù)碛懈诱鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)?；蚴窃谟盟娲y作為測(cè)壓液體的情況下,不必尋找10 m以上的管子和更大的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了。

案例二:了解家庭電路

學(xué)生在學(xué)習(xí)家庭電路時(shí),對(duì)家庭電路的構(gòu)造往往是通過(guò)圖片、演示板等加以了解的,對(duì)于家庭電路短路、負(fù)載過(guò)大問(wèn)題,以及安全用電、觸電事故等問(wèn)題也只是通過(guò)理論推導(dǎo)與生活經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。

通過(guò)AR技術(shù),可以模擬出家庭電路,讓學(xué)生沉浸其中了解家庭電路的結(jié)構(gòu),經(jīng)歷接入過(guò)多用電器造成總功率過(guò)大、電線絕緣皮老化或用電器進(jìn)水使火線零線連通造成電路短路的情況,甚至體驗(yàn)電流過(guò)大引起火災(zāi)的后果;嘗試遇到觸電事故時(shí),采取正確的解決問(wèn)題的方法。這樣獲取知識(shí),破解以往“紙上談兵”式的理解知識(shí)方式,學(xué)生對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)更加深入。

案例三:電路設(shè)計(jì)問(wèn)題

電路的連接和設(shè)計(jì)是學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)知識(shí)的關(guān)鍵,但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中,很多情況下教師出于器材安全的考慮,用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式完成教學(xué),這樣缺乏真實(shí)性的實(shí)驗(yàn)無(wú)法給學(xué)生帶來(lái)真正的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。AR技術(shù)的應(yīng)用,則可以在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)電路的動(dòng)態(tài)變化,并反饋實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

學(xué)生在剛剛接觸電學(xué)知識(shí)、學(xué)習(xí)電流和電路時(shí),被要求不能把電源的正、負(fù)極用導(dǎo)線直接連到一起;在學(xué)習(xí)電流表的使用時(shí),也被要求不允許把電流表直接接到電源的兩極上。究其原因,學(xué)生只能通過(guò)理論知識(shí)分析了解其對(duì)電路和器材的損害,遠(yuǎn)不及實(shí)驗(yàn)效果帶來(lái)的視覺(jué)沖擊給學(xué)生留下的印象深刻。甚至在實(shí)驗(yàn)操作中,有個(gè)別學(xué)生出于好奇,會(huì)進(jìn)行這種違規(guī)操作的嘗試,造成了一定的安全隱患,利用AR技術(shù)則可規(guī)避掉這些問(wèn)題。教學(xué)中,可以利用AR技術(shù)模擬出各種電路的元件。學(xué)生在剛接觸電路連接的知識(shí)時(shí),教師先不強(qiáng)調(diào)規(guī)范要求,完全放手讓學(xué)生隨意操作,等學(xué)生找到怎樣連接電路能讓用電器工作的方法、發(fā)現(xiàn)電源短路會(huì)造成的后果,學(xué)生的印象會(huì)更加深刻且避免了安全隱患[6]。需要指出的是,這并不意味著我們要在此拋棄傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),具有安全意識(shí)也是通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程培養(yǎng)學(xué)生的重要能力之一。AR仿真實(shí)驗(yàn)不存在安全隱患,但是不要過(guò)于依賴仿真實(shí)驗(yàn),做到“虛、實(shí)”結(jié)合,在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的同時(shí),提高真實(shí)實(shí)驗(yàn)的效率。

3.2 AR技術(shù)能突破限制,創(chuàng)造理想的實(shí)驗(yàn)條件

眾所周知,物理的部分實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)一些理想條件的設(shè)定,才能產(chǎn)生相應(yīng)的物理效果,但是由于教學(xué)條件以及現(xiàn)實(shí)環(huán)境等客觀原因,很難達(dá)到某些“理想條件”的設(shè)定,造成很多實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中很難實(shí)現(xiàn)[7]。通過(guò)AR技術(shù)就能夠突破這一限制,創(chuàng)造理想的實(shí)驗(yàn)條件,將物理實(shí)驗(yàn)的變化過(guò)程展示給學(xué)生,使學(xué)生獲得視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的體驗(yàn),取得實(shí)驗(yàn)觀察的效果,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

案例一:聲音的產(chǎn)生與傳播

在學(xué)習(xí)聲音的產(chǎn)生與傳播時(shí),教材上有一個(gè)真空罩鬧鐘的實(shí)驗(yàn)需要教師演示,但實(shí)際上這個(gè)實(shí)驗(yàn)的演示效果并不理想。雖然逐漸抽出玻璃罩內(nèi)的空氣會(huì)發(fā)現(xiàn)鬧鐘聲音變小,逐漸讓空氣進(jìn)入玻璃罩會(huì)發(fā)現(xiàn)鬧鐘聲音逐漸變大,卻很難實(shí)際驗(yàn)證玻璃罩內(nèi)鬧鐘處于真空狀態(tài)聽(tīng)不到聲音的情況。利用AR技術(shù)可以模擬將玻璃罩內(nèi)的空氣逐漸抽出直至達(dá)到真空狀態(tài),使學(xué)生直接得到真空不能傳聲的結(jié)論,獲得學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

案例二:牛頓第一定律

在學(xué)習(xí)牛頓第一定律時(shí),探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響,讓小車從斜面上同一高度由靜止滑下,保證小車到達(dá)水平面的速度相同,改變水平面的粗糙程度,發(fā)現(xiàn)接觸面越光滑,小車滑行距離越遠(yuǎn),從而推理得到假設(shè)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)不受阻力就不會(huì)停下來(lái)。利用AR技術(shù)完全可以模擬出光滑的平面,驗(yàn)證這一假設(shè)。同樣,伽利略斜面實(shí)驗(yàn)也并非實(shí)際操作得到結(jié)論,而是在忽略摩擦力影響的假設(shè)下進(jìn)行的理想實(shí)驗(yàn)。通過(guò)AR技術(shù)模擬出絕對(duì)光滑無(wú)摩擦的斜面及環(huán)境,小球從斜面的某一高度滾下必會(huì)達(dá)到另一斜面的同一高度,讓學(xué)生更加直觀地看到理想狀態(tài)下的情況。在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的理想實(shí)驗(yàn)在AR技術(shù)的加持下得到了實(shí)現(xiàn),這對(duì)降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷、簡(jiǎn)化認(rèn)知難度有積極作用。

3.3 AR技術(shù)能將抽象的物理知識(shí)進(jìn)行可視化表達(dá)

物理實(shí)驗(yàn)“可視化”是學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究學(xué)習(xí)的重要方式,能夠吸引他們參與到觀察與體驗(yàn)、猜想與假設(shè)、分析與交流、實(shí)踐與創(chuàng)造等實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,讓學(xué)生獲得更形象、更直觀、更真實(shí)的認(rèn)知體驗(yàn)[8]。AR技術(shù)的使用,能讓抽象的物理知識(shí)具體化、形象化、圖示化,可以很好地促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。

案例一:汽油機(jī)的構(gòu)造

對(duì)于物體的內(nèi)部構(gòu)造,如汽油機(jī),教師一般不可能真的拆解出一臺(tái)汽油機(jī)帶到課堂上供學(xué)生研究,該教學(xué)過(guò)程在教學(xué)中往往以動(dòng)畫(huà)形式展現(xiàn),學(xué)生理解起來(lái)并不容易。我們可以利用AR技術(shù),使學(xué)生置身汽車內(nèi)部,逐漸將其拆解,看到內(nèi)部的構(gòu)造及汽油機(jī)四個(gè)沖程的發(fā)生過(guò)程,輔以運(yùn)動(dòng)及能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的分析講解,讓學(xué)生更有學(xué)習(xí)興趣,并印象深刻。對(duì)于電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的學(xué)習(xí)也可以采取類似的手段。

案例二:流體壓強(qiáng)

對(duì)于現(xiàn)實(shí)中肉眼無(wú)法看到的內(nèi)容,我們用AR技術(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),能更加清晰直觀地進(jìn)行表達(dá)。如對(duì)于看不見(jiàn)的氣流帶來(lái)的飛機(jī)機(jī)翼上下表面的壓強(qiáng)差,學(xué)生可以在AR模擬場(chǎng)景下,體驗(yàn)不同壓強(qiáng)差下的飛機(jī)起落,理解飛機(jī)升力產(chǎn)生的原因。如學(xué)習(xí)聲音是以波的形式傳播時(shí),該知識(shí)點(diǎn)較為抽象,可以將看不見(jiàn)的聲波利用AR技術(shù)進(jìn)行模擬,讓學(xué)生看到隨著發(fā)聲體的振動(dòng),空氣以疏密相間的形式由近及遠(yuǎn)地傳播,從而理解聲波。再如磁場(chǎng)的學(xué)習(xí),我們知道磁場(chǎng)是看不見(jiàn)摸不著但又客觀存在的,通過(guò)AR技術(shù)模擬出磁體周圍的磁感線,使得學(xué)生的學(xué)習(xí)不再僅僅停留在理論的推演與平面的繪畫(huà),而是真切地看到立體的磁感線,通過(guò)手勢(shì)等與虛擬的磁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,從而感受空間中磁場(chǎng)的真實(shí)存在[9]。

4 AR技術(shù)應(yīng)用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和不足

利用AR技術(shù)開(kāi)展教學(xué)的優(yōu)勢(shì)在于它能夠跨越空間的限制,真實(shí)地模擬出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,具有交互功能,不僅能讓學(xué)生獲取知識(shí),并且可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(1)隨著AR技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛,仿真實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性也越來(lái)越強(qiáng)。針對(duì)中學(xué)物理的仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做得越來(lái)越精細(xì),涉及到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié),不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、操作等方面的學(xué)習(xí),還能進(jìn)行實(shí)際化、應(yīng)用化的模擬,直接呈現(xiàn)生活、生產(chǎn)中的實(shí)例,讓學(xué)生更加直觀地將物理與生活相關(guān)聯(lián)。

(2)AR技術(shù)具有可重復(fù)性,利用AR軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠不斷嘗試、無(wú)限重復(fù)地操作,根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)操作等模擬出科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(3)AR技術(shù)具有可逆性,真實(shí)的實(shí)驗(yàn)必須嚴(yán)格按照規(guī)范的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作,由于實(shí)驗(yàn)條件或者儀器使用的限制,實(shí)驗(yàn)不可逆。但是使用仿真實(shí)驗(yàn)可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)教學(xué)需要任意修改實(shí)驗(yàn)操作,實(shí)現(xiàn)可逆。

(4)AR仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果具有瞬時(shí)性,不同于現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作中需耗費(fèi)時(shí)間等待結(jié)果,設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)或者條件能夠瞬時(shí)得到對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,適用于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)或者演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

AR技術(shù)的使用可以為教學(xué)帶來(lái)便捷,但也有它的局限性。①AR仿真實(shí)驗(yàn)成本較高,由于需要通過(guò)AR技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬物理仿真實(shí)驗(yàn),就必須匹配相應(yīng)的硬件設(shè)備,成本不菲。同時(shí)對(duì)于模型的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的要求較高,需要專業(yè)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練以及大量的時(shí)間來(lái)構(gòu)建新的場(chǎng)景和元素,對(duì)于需要定制內(nèi)容的老師來(lái)說(shuō),所需要的學(xué)習(xí)成本也很高,因此現(xiàn)階段全面普及尚有很大的難度;②無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)手能力的培養(yǎng),由于物理學(xué)科的特殊性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)驗(yàn)分析能力、合作探究能力等,AR仿真實(shí)驗(yàn)不能實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手操作,不能夠代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)這一能力的培養(yǎng);③仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程、現(xiàn)象和結(jié)果是理想狀態(tài)下的,而實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中的誤差是真實(shí)存在且不可避免的,科學(xué)合理地分析實(shí)驗(yàn)誤差是必要環(huán)節(jié),也是通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的重要能力之一,而AR仿真實(shí)驗(yàn)無(wú)法模擬誤差的存在。如果長(zhǎng)期依賴仿真實(shí)驗(yàn),會(huì)使學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為實(shí)驗(yàn)是完美的、易成功的,不利于探究精神的培養(yǎng)?！澳M真理”代替不了“檢驗(yàn)真理”,實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn),AR仿真實(shí)驗(yàn)是建立在真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上的,是對(duì)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,不能夠代替實(shí)驗(yàn)操作。

基于以上分析,我們認(rèn)為,AR技術(shù)應(yīng)該是在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候服務(wù)教學(xué),而非濫用。

5 結(jié)束語(yǔ)

AR技術(shù)應(yīng)用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)科技和課程內(nèi)容的融合。教師要科學(xué)、合理地使用AR技術(shù)。物理知識(shí)的學(xué)習(xí)仍應(yīng)該建立在真實(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,AR技術(shù)的使用應(yīng)適度適量、不過(guò)分依賴,才能真正發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。AR仿真實(shí)驗(yàn)與物理教學(xué)的科學(xué)融合符合信息化2.0對(duì)初中物理教學(xué)的要求,隨著不斷的嘗試與發(fā)展,其使用系統(tǒng)將更加完善,將更好地應(yīng)用于初中物理日常實(shí)驗(yàn)教學(xué),調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。