虚实结合的物理实验教学模式实践——以K12教育中“测量小灯泡的电阻”为例

张丹

（江西科技师范大学 教育学院，江西 南昌 330000）

0 引 言

在“双减”政策的驱动下，AR技术凭借其三个卓越优势（即真实与虚拟世界相融合，人机之间实时交互，虚拟与真实物体在空间中信息全面集成）而深受教育界的追捧。AR教学资源开发与应用无疑是一线教师实现教学目标、完成教学内容的得力助手。AR可将虚拟三维模型动画、视频、文字、图片等通过数字模型实时叠加到真实的场景中，学生可在自然空间中与虚拟空间实时交互，加强对理论知识的理解与运用，AR教学资源的开发与应用势必革新传统的教学方式，释放一线物理教师的心理压力，增加学生的学习兴趣与动机。

1 物理学习与AR技术

1.1 物理学科学习背景

中学物理学科是一门以实验为基础的学科，学习物理的两种有效方法是实验法和观察法。通过观察或动手实践学生可以更为直观地获得感性知识，学生从实践中获得的知识使其认知发生质变。传统的物理教学方式——讲授法没有被完全摒弃是因为它有不可替代的优势：（1）在课程开始之前，教师会花费大量的时间去备课，教师在深入了解课标要求，研究学生经验水平和身心发展特点，并对学生课堂表现做出预测的前提下，通过多样化的导入方式让学生循序渐进地掌握课堂重难点，实现三维学习目标。（2）教师是有感情的独立个体，教师在讲课的过程中会运用多种教学技能，比如用举例子、打比方等方式强调课堂重难点，用幽默的口头语言和丰富的肢体语言让学生在长时间保持注意力的情况下习得教材内容，同时也增进了师生之间的情感交流。（3）物理学习过程中有很多的公式需要学生推算证明，教师通过提炼教材内容，书写简单明了的板书，有助于学生更好地掌握理论知识。

但随着AI、VR、AR等技术的发展，传统物理授课方式的局限性日渐显露。首先，从教师角度来看，每个教师都有自己独特的教学个性，在班级授课制这种大环境下，教师的教学方式可能不适合个别学生。其次，从学生角度来看，每个学生的身心都存在个体差异性，教师很难实现一对一的教学，而且每个学生的学习方式、学习策略和学习进度都不同，很多学生接受新知识的能力较差，如果基础知识掌握不牢，势必会影响其后续知识的习得。再次，从学科本身来分析，物理学习并不像文科那样通过记忆、背诵等方法就可以掌握学习内容，物理教师在课堂上不仅要教给学生现实物理现象所蕴含的物理本质，更要培养学生的核心素养，提升学生的学习效果。最后，中国的某些地区仍然存在教学实验器材短缺的问题，加之某些实验存在一定的安全隐患而被老师束之高阁，这对于“双减”政策的落地非常不利。此外，在高考、中考学习时间紧张的驱使下，很多教师为了节约课堂时间就会自己演示一遍给学生看或者是直接告诉学生实验过程的重难点和实验结果，从而忽视了学生对知识的意义建构。

1.2 让AR技术成为传统教学实验的平替

AR技术是近年来教育技术学中的热点词之一，借助AR技术设计开发的物理教学资源具有以下优势：

首先，学生们不再照本宣科地对照着文字图片死记硬背。AR所呈现出的三维立体内容更加生动形象、直观具体，让学生的视觉、听觉和触觉都参与到教学过程当中，加深学生对知识的理解与记忆，AR教育所打造的“在真实情境中学习”，可以充分调动学生学习的主体性。

其次，基于U3D开发的物理实验，使用程序设定好对应的计算公式，学生操作过程中便可以方便快速地得到实时数据。

在AR教学自愿设计开发过程中，还可以线上召集有经验的老师参与讨论，通过整合诸多一线教师的教学经验与教学技能来克服因教师个体差异性所带来的物理教学信息不一等问题，使AR教学资源开发科学化、准确化，让教学过程更加生动有趣，也让教学克服人为因素的影响而达到教学效果的峰值。

再次，与VR教学资源相比，AR教学资源对硬件要求不高，一个平板和一部手机就可以实现，AR技术可以将现有课堂难以呈现的物理实验仪器呈现在学生眼前，学生通过与电脑的实时交互即可主动完成对知识的意义建构，可以更加直观明了地了解实验的每一个仪器、每一个步骤，对提高物理实验教学质量大有裨益。

最后，AR技术本身具有情境性、交互性、想象性等优势，使用者可以通过人机交互亲身体验无法用语言和媒介描述的物理实验现象，尤其适用于存在一定危险性的实验，AR技术无疑是解决物理实验教学困难的绝佳之策。

2 以AR技术为辅认识电场

2.1 教学背景分析

在新课改中，义务教育阶段的物理教学目的就是培养全体学生的科学素养及人文素养，以此为依据形成了物理课程改革的基本理念。初中物理中“伏安法测电阻”是电学中的一种基本测量，属于欧姆定律变换式的一种具体运用，对于加深学生对欧姆定律和电阻概念的理解有着十分重要的作用，但是有很多学校为了节约学生中考复习时间而忽略了学生对具体实验的操作，再加之某些学校的实验资源匮乏，老师只是教给学生实验过程的重难点和实验结果。在本文的研究中，设计开发AR物理教学实验资源的主要意图为：首先，节约学生中考复习时间，教师使用AR教学资源时，仅需借助一个平板或手机就可以实现，学生在自己动手实践的过程中，感受供给电流电压不同时灯泡的亮度变化，并思考灯泡的亮度与电阻之间是否存在某种关系。其次，该教学资源易于获取，操作便捷，可以有效解决教学资源短缺的问题。最后，AR教学资源的互动性可极大地提高教学效果。在本实验中，要了解两个知识点，如图1所示。

图1 “伏安法测电阻”基本知识点

此外，串并联电路中电流电压之间的关系，如表1所示。

表1 串并联电路中电流电压关系

综上，参考蔡苏老师、宋倩老师和唐瑶老师实现的一本增强现实概念演示书——未来之书，将“伏安法测电阻”这一实验所需的仪器（电源、开关、电流表、电压表、滑动变阻器、小灯泡、电线等）实物模型导入U3D平台后，再用烘焙渲染技术将这些仪器放置于同一个过程场景中，使用C#语言实现基本实验逻辑功能，借助UI优化界面添加对应操作按钮，使场景更加逼真。

学生可根据设定的标识符并在老师指导下完成电路图的连接，再对电流表图2（a）与电压表图2（b）的数字进行记录分析，最后根据欧姆定律得出小灯泡的电压值图2（c）。在开展此环节的实验时可以将学生分成四组，具体分法如表2所示，可对使用不同教学方式学习对象的行为进行观察，再结合访谈结果对AR教学资源初次使用的不理想之处加以改进。

图2 AR教学资源实验界面

表2 教学分组

2.2 AR实验平台设计

AR教学资源的开发是为了使教师在课堂上更方便、更高效地完成物理实验的教学，与此同时，AR教学资源也支持学生在平台上自主地完成实验操作，师生之间通过互动板交流，学生课后在平台上做实验时也可以向老师咨询遇到的问题，这样也实现了对某些学生的个性化辅导，老师有针对性的辅导会让学生对物理实验过程及实验结果的印象更加深刻。为解决老师与学生不能实时互动这一问题，AR教学资源应在设计之初将所有的突发情况加以语音解释，如实验仪器识别不到、实验操作的细节、重难点准备、评价反馈、监督环节等使用UI界面操控所加入的语音素材，基于以上需求与设想，AR教学资源线上平台功能模块组成如图3所示。

图3 AR教学资源线上平台功能模块

3 AR技术在教学过程中的分析及具体应用

3.1 AR教学资源的设计应以学生兴趣点为导入口

AR教学资源设计开发的目的就是为了激发学生的学习兴趣，提升教与学的实效，因此，在使用AR教学资源时应注意以下几点：

首先，在备课环节，教师应根据教学大纲设置课堂内容以及了解学生学情后选择合适的教学资源，且记AR教学资源的使用是为了提高教学效果，AR教学资源的使用有其不可替代的作用，也就是说不能只是为了使用AR教学资源而使用AR教学资源，教学资源的选择应该充分结合教学过程的需要。

其次，在课堂导入环节部分注重给学生创设问题情境，快速地将学生拉入到课堂中，如图4所示，学生可以在虚拟环境中根据界面提示完成学习任务，通过向学生提问，让学生意识到物理课堂的重难点，带着问题去听课不仅使学生做到注意力全程保持高度集中，也能让学生在老师讲解的过程中循序渐进地理解知识点之间的关系。

图4 虚拟学习平台界面

最后，在物理实验部分一定要让学生自己动手操作，AR教学资源不会有危险性，学生可以在老师的指导下独立完成操作并记录数据，同时，学生在演示的过程中不仅会增强对所学知识的自信心，也会在脑海中与自己所学过的物理知识实现意义建构，提取物理学习过程中的重难点，提高课堂效率。

3.2 AR教学资源开发应以提高教学效果为目的

在物理实验中使用AR教学资源并不仅仅是为了学生可以顺利地完成物理实验，教师在实验过程中科学恰当地使用AR技术，要注重培养学生对实验结果的预测能力。老师在课堂上要加强与学生的互动，通过提问、举例子等方式时刻保持学生大脑思维的活跃，在日常生活经验的基础上，借助AR技术教学资源并结合物理知识对实验现象和实验结果做大胆的预测，让学生摆脱以教师为中心的束缚。

学生在每一次的实践过程中，还应该注意提升实验过程中的合作探究能力与发散思维能力，如图5所示，将AR技术引入物理实验教学非常有利于培养学生的动手能力。学生会主动自觉地结合原有的经验提出有针对性的猜测，让自己深入思考实验现象并用所学物理知识解释出现此实验现象的原因，这不仅能提高学生的思考能力，还能让学生在整堂课中保持高度的注意力，保证学生在物理学习中的主体地位，从而提高教学效果。

图5 学生使用AR教学资源互动学习

教师合理运用AR技术结束教学后，要鼓励学生对物理实验结果的灵活运用，在提高学生物理实验基本素养的同时，使学生善于将所学的知识应用于实践当中，理论性知识只有通过实践的检验才能得到质变。

3.3 AR教学资源高效化应以提高教师信息素养为桥梁

在物理实验教学过程中，并不是使用了AR技术老师就可以将课堂完全交给学生，如图6所示，在设计AR教学资源之初就应该充分考虑实验中学生可能会遇到的各种问题，如图6（a）所示，尽量使得AR教学系统更加完整化，以每个实验为单位模块，分门别类地设计AR实验，这样学生也更容易将自主获取的知识结构化、系统化，如图6（b）所示。此外，在使用AR教学资源授课时，老师要格外注意对学生信息素养的培养，这就要求教师团队首先提升自身的信息素养，同时，老师要意识到对学生实验总结能力的培养是一个漫长的过程，需要在每一次物理实验结束后大力鼓励学生对实验结果做以总结和表达。最后，学生在对实验做总结的过程中需要有清晰的逻辑，教师要注重提高学生对实验过程的梳理能力，鼓励学生使用思维导图等软件梳理实验过程与重难点知识，所以AR技术教学资源也是让学生在自己思考之余最大限度接受新知识的得力助手，从而在较短的时间内实现教学目标。

图6 AR教学资源系统设计

教师在指导学生完成物理实验之后，可以让学生针对自己的结论思考实验过程，想象调节不同的变量会产生哪些变化，思索自己的预测和实验结果存在偏差的原因所在，多问问自己的猜测是否存在漏洞，并能对自己的实验进行反思与改进，提高课堂学习效率。

4 结 论

AR技术作为一种新型的“认知工具”，使学生的主体性得到充分的发挥，学生参与到了物理实验的整个环节（即“提出问题—提出猜想—设计实验—进行验证—得出结论—总结与反思”这几个步骤），学生在物理学习过程中相互合作交流，极大地提高了学生发现问题、解决问题、反思问题的能力。AR技术支持下的教学资源具有交互性、沉浸性等优点，对于一些投资欠佳的学校来说也容易实现，学生在物理实验操作中注意力高度集中，这种教学模式相较于传统教学模式效果显著。教育者在物理实验教学过程中要大胆创新，营造一个轻松活跃的课堂氛围更有益于学生发散思维的训练；教师也要不断提升自己的信息素养，加强与技术人员的交流，这样才能促进技术与教育的深度融合，解决传统物理实验教学中学生对抽象概念理解困难的弊端，也可避免学校因设备成本过高而引进困难，物理实验占用过多时间等问题。