AR技术在初中物理实验中应用的思考与实践

张 璇 郜建辉

天津泰达实验学校(300450) 天津市红桥区教师发展中心(300131)

信息技术的不断发展,不仅为人类的生活生产提供了便捷,也有效推动了教育教学方式的变革。致力于信息技术与教育教学的有机融合,将人工智能、虚拟现实等技术逐渐融进物理教学中,可以弥补传统实验教学的诸多弊端。AR技术即增强现实技术,是对VR(虚拟现实)技术的扩展。它将虚拟信息融入真实世界,将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间,学习者能在现实的环境中看到虚拟生成的模型对象,并对其进行操作,从而达到超越现实的感官体验。

1 问题的提出

物理是一门实验的科学,建立在实验基础上,以数据和现象为认知手段。对初中生而言,很多物理知识要通过操作和观察实验而获得。借助AR技术可以有效地提升学生在实验中的沉浸感,提升物理模拟实验的交互性,增强学生的实验兴趣。AR技术支持下的物理学习,凭借比虚拟实验更加贴近自然的交互方式,为初中物理实验教学带来了更多可能。

2 AR技术应用于初中物理实验教学的理论依据

在物理实验教学中,通过引入AR虚拟仿真实验技术,以虚拟的形式给学生提供更多使用实验装备的机会,增强实验资源对课程与实验的支撑力[2]。同时,很多教育理论也为此提供了理论依据。

(1)多元智能理论。加德纳认为人的智能有个体差异性,传统的学习方式依赖于学生的逻辑和读写能力,因此很容易让这方面能力比较弱的学生产生物理学习上的挫败感。因此我们应为学生创造更多适合自身发展的条件,AR技术提供的教学情境给了学生发展的空间。有研究表明,AR技术在物理教学中的应用,可以在一定程度上提高学生的学习成绩、增强学生的学习兴趣,对缩小传统课堂中学生之间的差距也有一定的作用[3]。

(2)建构主义理论。学习是主动建构的过程,教师要以学生为中心,创设情境,引导学生主动探索知识、进行有意义的建构。建构主义认为学习是一种基于真实情境的体验,AR技术能突破传统教学无法建构和表现的物理现象,采用最贴近自然的交互方式给予学生进行主动建构的最大程度的支持,同时也符合皮亚杰“把实验室搬到课堂中去”的设想[4]。

3 AR技术应用于初中物理实验教学的实践

传统的初中物理实验教学经常会受到时间、场地、仪器、安全等因素的限制,教师基于各种考虑,往往无法满足教学中实验操作的要求。将AR等信息技术与初中物理实验教学进行有机融合,则可以借助技术手段对实验教学进行完善、丰富和创新[5]。

3.1 AR技术的使用与物理实验的安全性

在初中物理的教学中,有些实验存在诸多安全隐患,教师出于人身安全的角度考虑,往往放弃学生的实验操作或教师的实验演示。为此,学生也就失去了直观感受的机会。AR技术的使用很好地避免了这一隐患,可以在保证安全的前提下,提供近似真实的操作体验。

案例一:托里拆利实验

学生在学习大气压强时,托里拆利实验是一个非常重要的实验,但由于实验会用到大量的水银,而水银是一种有毒物质,极具危险性,通常实际教学中教师会放弃实验操作,采用视频的方式呈现给学生实验过程。

如果利用AR技术模拟托里拆利实验,就可以在保证师生安全的前提下进行实验,理解水银柱高度与气压的关系,让学生安全、高效地拥有更加真实的实验体验。或是在用水替代水银作为测压液体的情况下,不必寻找10 m以上的管子和更大的实验场地进行实验了。

案例二:了解家庭电路

学生在学习家庭电路时,对家庭电路的构造往往是通过图片、演示板等加以了解的,对于家庭电路短路、负载过大问题,以及安全用电、触电事故等问题也只是通过理论推导与生活经验相结合的方式进行学习。

通过AR技术,可以模拟出家庭电路,让学生沉浸其中了解家庭电路的结构,经历接入过多用电器造成总功率过大、电线绝缘皮老化或用电器进水使火线零线连通造成电路短路的情况,甚至体验电流过大引起火灾的后果;尝试遇到触电事故时,采取正确的解决问题的方法。这样获取知识,破解以往“纸上谈兵”式的理解知识方式,学生对知识的学习更加深入。

案例三:电路设计问题

电路的连接和设计是学生学习电学知识的关键,但在实际教学过程中,很多情况下教师出于器材安全的考虑,用虚拟实验的方式完成教学,这样缺乏真实性的实验无法给学生带来真正的学习体验。AR技术的应用,则可以在虚拟环境中模拟真实电路的动态变化,并反馈实验的结果。

学生在刚刚接触电学知识、学习电流和电路时,被要求不能把电源的正、负极用导线直接连到一起;在学习电流表的使用时,也被要求不允许把电流表直接接到电源的两极上。究其原因,学生只能通过理论知识分析了解其对电路和器材的损害,远不及实验效果带来的视觉冲击给学生留下的印象深刻。甚至在实验操作中,有个别学生出于好奇,会进行这种违规操作的尝试,造成了一定的安全隐患,利用AR技术则可规避掉这些问题。教学中,可以利用AR技术模拟出各种电路的元件。学生在刚接触电路连接的知识时,教师先不强调规范要求,完全放手让学生随意操作,等学生找到怎样连接电路能让用电器工作的方法、发现电源短路会造成的后果,学生的印象会更加深刻且避免了安全隐患[6]。需要指出的是,这并不意味着我们要在此抛弃传统的实验教学,具有安全意识也是通过物理实验过程培养学生的重要能力之一。AR仿真实验不存在安全隐患,但是不要过于依赖仿真实验,做到“虚、实”结合,在完成实验教学任务的同时,提高真实实验的效率。

3.2 AR技术能突破限制,创造理想的实验条件

众所周知,物理的部分实验需要通过一些理想条件的设定,才能产生相应的物理效果,但是由于教学条件以及现实环境等客观原因,很难达到某些“理想条件”的设定,造成很多实验在现实教学中很难实现[7]。通过AR技术就能够突破这一限制,创造理想的实验条件,将物理实验的变化过程展示给学生,使学生获得视觉和听觉的体验,取得实验观察的效果,实现实验教学的目的。

案例一:声音的产生与传播

在学习声音的产生与传播时,教材上有一个真空罩闹钟的实验需要教师演示,但实际上这个实验的演示效果并不理想。虽然逐渐抽出玻璃罩内的空气会发现闹钟声音变小,逐渐让空气进入玻璃罩会发现闹钟声音逐渐变大,却很难实际验证玻璃罩内闹钟处于真空状态听不到声音的情况。利用AR技术可以模拟将玻璃罩内的空气逐渐抽出直至达到真空状态,使学生直接得到真空不能传声的结论,获得学习体验。

案例二:牛顿第一定律

在学习牛顿第一定律时,探究阻力对物体运动的影响,让小车从斜面上同一高度由静止滑下,保证小车到达水平面的速度相同,改变水平面的粗糙程度,发现接触面越光滑,小车滑行距离越远,从而推理得到假设小车运动时不受阻力就不会停下来。利用AR技术完全可以模拟出光滑的平面,验证这一假设。同样,伽利略斜面实验也并非实际操作得到结论,而是在忽略摩擦力影响的假设下进行的理想实验。通过AR技术模拟出绝对光滑无摩擦的斜面及环境,小球从斜面的某一高度滚下必会达到另一斜面的同一高度,让学生更加直观地看到理想状态下的情况。在现实中无法实现的理想实验在AR技术的加持下得到了实现,这对降低学生的认知负荷、简化认知难度有积极作用。

3.3 AR技术能将抽象的物理知识进行可视化表达

物理实验“可视化”是学生开展科学探究学习的重要方式,能够吸引他们参与到观察与体验、猜想与假设、分析与交流、实践与创造等实验过程中,让学生获得更形象、更直观、更真实的认知体验[8]。AR技术的使用,能让抽象的物理知识具体化、形象化、图示化,可以很好地促进学生科学思维的发展。

案例一:汽油机的构造

对于物体的内部构造,如汽油机,教师一般不可能真的拆解出一台汽油机带到课堂上供学生研究,该教学过程在教学中往往以动画形式展现,学生理解起来并不容易。我们可以利用AR技术,使学生置身汽车内部,逐渐将其拆解,看到内部的构造及汽油机四个冲程的发生过程,辅以运动及能量转化过程的分析讲解,让学生更有学习兴趣,并印象深刻。对于电动机、发电机的学习也可以采取类似的手段。

案例二:流体压强

对于现实中肉眼无法看到的内容,我们用AR技术进行模拟实验,能更加清晰直观地进行表达。如对于看不见的气流带来的飞机机翼上下表面的压强差,学生可以在AR模拟场景下,体验不同压强差下的飞机起落,理解飞机升力产生的原因。如学习声音是以波的形式传播时,该知识点较为抽象,可以将看不见的声波利用AR技术进行模拟,让学生看到随着发声体的振动,空气以疏密相间的形式由近及远地传播,从而理解声波。再如磁场的学习,我们知道磁场是看不见摸不着但又客观存在的,通过AR技术模拟出磁体周围的磁感线,使得学生的学习不再仅仅停留在理论的推演与平面的绘画,而是真切地看到立体的磁感线,通过手势等与虚拟的磁场进行实时交互,从而感受空间中磁场的真实存在[9]。

4 AR技术应用于初中物理实验教学的优势和不足

利用AR技术开展教学的优势在于它能够跨越空间的限制,真实地模拟出实验现象,具有交互功能,不仅能让学生获取知识,并且可以激发学生的学习兴趣。

(1)随着AR技术在各个领域的应用越发广泛,仿真实验的针对性也越来越强。针对中学物理的仿真实验已经做得越来越精细,涉及到实验教学的各个环节,不仅能够实现实验目的、原理、操作等方面的学习,还能进行实际化、应用化的模拟,直接呈现生活、生产中的实例,让学生更加直观地将物理与生活相关联。

(2)AR技术具有可重复性,利用AR软件进行仿真实验,学生能够不断尝试、无限重复地操作,根据不同的实验条件、实验操作等模拟出科学的实验结果。

(3)AR技术具有可逆性,真实的实验必须严格按照规范的实验步骤进行操作,由于实验条件或者仪器使用的限制,实验不可逆。但是使用仿真实验可以在实验过程中根据教学需要任意修改实验操作,实现可逆。

(4)AR仿真实验的实验现象和结果具有瞬时性,不同于现实实验操作中需耗费时间等待结果,设置相应的参数或者条件能够瞬时得到对应的实验现象,适用于验证实验或者演示实验的教学。

AR技术的使用可以为教学带来便捷,但也有它的局限性。①AR仿真实验成本较高,由于需要通过AR技术来实现虚拟物理仿真实验,就必须匹配相应的硬件设备,成本不菲。同时对于模型的设计、实现的要求较高,需要专业学习和训练以及大量的时间来构建新的场景和元素,对于需要定制内容的老师来说,所需要的学习成本也很高,因此现阶段全面普及尚有很大的难度;②无法实现动手能力的培养,由于物理学科的特殊性,通过实验能够培养学生的动手能力、实验分析能力、合作探究能力等,AR仿真实验不能实现真实实验的动手操作,不能够代替真实实验对这一能力的培养;③仿真实验的实验过程、现象和结果是理想状态下的,而实际实验操作中的误差是真实存在且不可避免的,科学合理地分析实验误差是必要环节,也是通过实验培养学生的重要能力之一,而AR仿真实验无法模拟误差的存在。如果长期依赖仿真实验,会使学生错误地认为实验是完美的、易成功的,不利于探究精神的培养。“模拟真理”代替不了“检验真理”,实践是检验真理的唯一标准,AR仿真实验是建立在真实实验操作的基础上的,是对实验的验证,不能够代替实验操作。

基于以上分析,我们认为,AR技术应该是在恰当的时候服务教学,而非滥用。

5 结束语

AR技术应用于初中物理实验教学,实现了网络科技和课程内容的融合。教师要科学、合理地使用AR技术。物理知识的学习仍应该建立在真实实验基础上,AR技术的使用应适度适量、不过分依赖,才能真正发挥其优势。AR仿真实验与物理教学的科学融合符合信息化2.0对初中物理教学的要求,随着不断的尝试与发展,其使用系统将更加完善,将更好地应用于初中物理日常实验教学,调动学生的学习兴趣、促进学生发展。