借助AR技术开展初中物理实验教学的探究

朱周华

［摘 要］文章首先分析了借助AR技术开展初中物理实验教学的优势，然后从AR技术的交互性、逼真场景模拟以及合作式学习功能出发，提出借助AR技术开展初中物理实验教学的建议。

［关键词］AR技术；初中物理；实验教学

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）14-0050-03

随着科技的不断发展，AR技术作为一种前沿且充满潜力的教学工具，正逐渐渗透到教育领域。初中物理实验教学作为培养学生科学素养和实践能力的重要环节，亟待创新教学方法以适应新时代的需求。本文旨在通过探究借助AR技术开展初中物理实验教学的优势，以及整合AR技术的交互性、逼真场景模拟以及合作式学习功能，为初中物理实验教学注入新的活力，提高学生的学习效果和实践能力，进而为培养创新型人才奠定基础。

一、AR技术概述

AR技术，即增强现实技术，是一种将虚拟信息融合到真实世界中的技术。它通过计算机生成的元素，如文字、图像、音频和视频等，与用户的真实环境实时地结合并互动，从而形成一种超越现实的感知体验。AR技术不仅能够改变人们对现实世界的认知方式，还能够为教育、娱乐、工业设计和医疗等领域提供全新的交互模式和解决方案。在现代教育领域，特别是在初中物理实验教学中，AR技术的应用正逐渐成为一种创新的教学方法，它能够帮助学生更直观、生动地理解物理现象和原理，提高学习效果。

二、借助AR技术开展初中物理实验教学的优势

（一）增强理论知识的可视化与直观理解

初中物理课程涵盖了许多抽象的概念和定律，如光的折射、反射和牛顿定律等。对初中生而言，这些抽象的概念和定律往往难以通过文字描述或平面图像来完全理解，AR技术为这些问题提供了解决方案。通过AR技术，教师可以将这些抽象的概念和定律以三维模型、动态模拟等形式展现出来，让学生能直观地观察到物理现象的发生过程。例如，在教学“光现象”时，教师可利用AR技术模拟光的折射和反射过程，让学生通过观察光线在不同介质中的传播路径的变化，深刻理解光的折射和反射的定义及条件。又如，在教学“力”时，教师可以通过AR技术模拟物体受力后的运动状态变化，帮助学生更直观地理解牛顿运动定律。这种直观的教学方式，不仅降低了学生的理解难度，还提高了他们学习物理的兴趣。

（二）提高实验教学的安全性与可操作性

在初中物理实验教学中利用AR技术构建虚拟实验室，可以显著提高实验教学的安全性与可操作性。例如，在讲授电路连接和电流流向的知识点时，如果让学生进行电路实验有可能存在短路和触电的风险。而通过AR技术，可为学生构建一个逼真的虚拟实验室。在这个安全的虚拟环境中，学生可以自由地连接电路元件、观察电流流向，无须担心真实的电流带来的危险。此外，虚拟实验室还允许学生在无压力的情况下反复练习电路连接，从而加深对电流流向的理解。这种教学方式，不仅降低了实验风险，保障了学生的安全，还提高了学生的电路操作能力。

（三）激发与培养学生的创新思维与自主探究能力

在初中物理实验教学中利用AR技术，能够极大地激发学生的创新思维，培养学生的自主探究能力。例如，在引导学生探究光的折射现象时，传统实验往往局限于固定的实验设置和参数，而AR技术为学生搭建了一个开放的探究平台。通过AR技术，学生可以自由地改变光源的位置、角度和介质的属性，观察光在不同条件下的折射行为。这种互动式的教学方式，激发了学生的好奇心和探究欲望，促使他们主动提出问题、设计实验方案，并通过自主探究来验证自己的猜想和假设。在这个过程中，学生的创新思维得到了锻炼，自主探究能力得到了提升。

三、借助AR技术开展初中物理实验教学的建议

（一）设计交互式学习任务，增强学习体验

在初中物理实验教学中，借助AR技术设计交互式学习任务是一种有效的教学策略。通过利用AR技术的交互性，教师可以为学生创造富有吸引力的学习环境和设计交互式学习任务。在完成任务的过程中，学生亲自动手，通过触摸、拖动、旋转等手势与虚拟实验器材进行直观互动，从而深入挖掘物理现象背后的原理。通过完成交互式学习任务，学生能够在轻松愉快的氛围中加深对物理概念的理解，并加强自身的学习体验。

例如，以人教版物理教材八年级上册“光现象”中的“光的反射”为例。

1.背景与目标

在“光现象”一章中，“光的反射”是一个核心概念。在教学“光的反射”时，教师借助AR技术设计一个交互式学习任务，旨在通过沉浸式的互动体验，加深学生对光的反射原理的理解。

2.任务描述

学生佩戴AR眼镜，进入一个虚拟的实验室环境。在这个环境中，学生将面对一个设置好的光的反射实验场景，并需要完成一系列与光的反射相关的交互式学习任务。

3.任务流程与细节

（1）实验场景介绍

学生首先看到一个由AR技术生成的简短动画，该动画主要介绍光的反射现象及其在实际生活中的应用。动画结束后，实验场景中出现一个可调节角度的光源、一个平面镜和一个屏幕，用于显示反射光线。

（2）交互式操作引导

学生通过手势识别系统，可以自由地移动、旋转和调整光源及平面镜的位置。系统提供实时反馈，显示入射光线和反射光线的路径，以及入射角和反射角的大小。

（3）实验探索与数据记录

要求学生改变光的入射角度，并观察光的反射角度如何变化。学生需要使用虚拟工具记录不同入射角下的反射角数据，并探索反射角与入射角之间的关系。系统提供辅助线和量角器，帮助学生更准确地测量角度。

（4）原理验证与讨论

学生根据记录的数据，验证光的反射定律（即反射角等于入射角）。学生可以与虚拟导师或同学进行讨论，分享他们的发现和理解。

（5）挑战与拓展

教师可以设置一些挑战性问题，例如“如果光源移动到平面镜的一侧，反射光线会发生什么变化？”以此鼓励学生进一步探索和思考。学生还可以尝试使用不同类型的镜子（如凹面镜、凸面镜）进行实验，观察并解释不同的反射现象。

4.学习体验增强点

AR技术的实时反馈功能和可视化效果使学生能够直观地看到光线在不同条件下的反射情况，以此加深学生对光的反射原理的理解。交互式操作允许学生亲自动手进行实验探索和数据记录，增强了他们的参与感，提高了他们的实践能力。任务中的挑战性问题，拓展活动促进学生进行批判性思考和解决问题，激发了他们的学习兴趣，提升了他们的思维能力。

通过完成这样的交互式学习任务，学生不仅能够在轻松愉快的氛围中学习光的反射知识，还能够培养科学探究能力和实验操作能力。

（二）实施增强现实模拟，辅助真实实验操作

借助AR技术实施增强现实模拟，辅助真实实验操作，是一种创新且实用的教学方法。通过AR技术，教师可以将虚拟信息与真实实验环境相结合，为学生呈现出一个生动、具体的实验场景。在这种模拟环境中，学生可以在真实实验器材的辅助下进行模拟实验操作，并能获得额外的信息提示和完成数据分析。这种教学方式，不仅能帮助学生体验实验过程和理解物理原理，还能帮助他们准确地掌握实验技巧和注意事项。

例如，以人教版物理教材九年级的核心知识点“电流和电路”为例。在传统的初中物理实验教学中，通常要求学生亲自动手，使用导线、电源、开关、灯泡等基础电路元件进行电路连接。这样的实验设计旨在帮助学生通过实践操作来直观感知和理解电流在电路中的流动方式和规律。然而，对初中生来说，他们对电路的基本概念和连接方式只是初步了解，因此在实际操作过程中很容易遇到各种问题，如电路连接错误导致电路短路、元件损坏等。这些问题不仅会影响实验效果，还会对学生的安全构成威胁，使学生对电路学习产生畏惧。

而借助AR技术，教师可以为学生创造一个安全、高效、直观的实验环境。具体来说，教师可以利用AR技术在学生的真实实验环境中叠加一层虚拟的电路连接提示。当学生连接电路时，AR系统会根据他们的操作实时生成虚拟的电流流动路径，并以直观的方式呈现出来。这样一来，学生就可以清晰地看到电流的走向和流动情况，从而深入理解电路的工作原理。AR系统还具备实时监测和错误提示功能。在学生连接电路的过程中，AR系统会不断监测他们的操作，一旦发现连接错误或存在安全隐患，就会立即给出提示和纠正建议。这不仅可以帮助学生及时纠正错误、避免损坏器材，还能有效保障他们的安全。

通过AR技术辅助真实的电路连接实验，不仅可以有效解决传统实验教学存在的问题，还可以为学生创造一个更加安全、高效、直观的实验环境。这种创新的教学方式，有助于培养学生的实践操作能力和科学探究精神。

（三）创设情境模拟教学，促进知识应用迁移

在初中物理实验教学中，借助AR技术创设情境模拟教学，是一种极具前景的教学策略。通过利用AR技术的逼真场景模拟功能，教师可以为学生创设与现实生活紧密相关的实验情境。在这些情境中，学生可以将所学的物理知识应用于实际问题的解决，促进知识的迁移应用。

以人教版物理教材八年级上册“光的折射”和八年级下册“牛顿第一定律”为例。

【示例一】光的折射与透镜

教师利用AR技术为学生模拟一个水族馆场景，其中包含各种形状和大小的鱼缸以及游动的鱼。在这个情境中，学生需要探究光在不同介质中的折射现象。学生可以通过观察光线从空气射入水中或从水射入空气中的路径变化来理解光的折射定律和折射角的变化规律。教师引入透镜的概念，让学生探究透镜对光线的会聚和发散作用。通过这样的情境模拟教学，学生不仅能够直观理解光的折射现象和透镜的工作原理，还能够将这些知识应用于现实生活中，如解释近视眼镜、望远镜等光学仪器的工作原理，以及分析水下的视觉变化等。

【示例二】牛顿第一定律

教师利用AR技术为学生模拟一个无摩擦的理想坡道场景，其中包含不同角度的斜坡和一个静止的物体（如小球）。在这个情境中，学生将探究牛顿第一定律，即惯性对物体运动的影响。开始时，学生让物体处于静止状态，观察物体在没有任何外力作用时的情况。随后，他们尝试给物体施加一个外力，并观察物体在不同角度斜坡上的运动情况。由于这是一个无摩擦的理想环境，因此学生能够清晰地观察到牛顿第一定律所描述的现象：物体保持静止或匀速直线运动状态，直到受到外力的作用。AR技术能够实时模拟物体的运动轨迹，展示速度和加速度的变化，并允许学生收集和分析数据，从而更深入地理解惯性对物体运动的影响。通过这样的情境模拟教学，学生能够掌握牛顿第一定律的实质，并将这一力学原理应用于现实生活中。例如，用牛顿第一定律分析车辆在不同路况下的行驶稳定性、理解运动员在起跑时的惯性作用等。这样的教学方式将抽象的物理定律与生动的虚拟实验相结合，有助于学生理解和应用力学知识。

借助AR技术创设情境模拟教学是一种有效的教学策略，能够帮助学生将所学的物理知识应用于实际问题的解决。通过利用AR技术的逼真场景模拟功能，教师可以为学生创设与现实生活紧密相关的实验情境，促进学生对知识的迁移应用。

综上所述，借助AR技术开展初中物理实验教学具有显著的优势和广阔的应用前景。整合AR技术的交互性、逼真场景模拟以及合作式学习功能，能够增强学生的学习体验、辅助真实实验操作、促进知识的迁移应用。借助AR技术开展初中物理实验教学，不仅能够激发学生的学习兴趣和学习动力，提高学生的实验操作能力和问题解决能力，还能够为培养具备创新精神和实践能力的科学人才提供有力支持。因此，教师应积极推广和应用AR技术，使AR技术在初中物理实验教学中发挥最大的效用。

［   参   考   文   献   ］

［1］  张璇，郜建辉.AR技术在初中物理实验中应用的思考与实践［J］.中小学实验与装备，2023（1）：57-60.

［2］  孙伯旺.基于互联网+，AR/VR的中学物理实验教学的研究［J］.名师在线，2019（27）：6-7.

［3］  阿岩松，高志军.VR在初中物理实验中的设计与应用研究：以初中物理凸透镜的成像原理为例［J］.信息技术与信息化，2018（8）：126-129 .

［4］  陈向东，乔辰.增强现实学具的开发与应用：以“AR电路学具”为例［J］.中国电化教育，2014（9）：105-110.

［5］  张四方，江家发.科学教育视域下增强现实技术教学应用的研究与展望［J］.电化教育研究，2018（7）：64-69，90.

（责任编辑 黄春香）