基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

孫伯旺

（甘肅省武威第二十三中學(xué)，甘肅武威 733000）

引 言

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)時(shí)間少、探究性實(shí)踐少、費(fèi)用高、無(wú)法表達(dá)、實(shí)驗(yàn)效果差、不良風(fēng)險(xiǎn)多等特點(diǎn)。而應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)+、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以?xún)?yōu)化中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。因此，對(duì)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行適當(dāng)分析具有非常重要的意義。

一、互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR等新技術(shù)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中 的特點(diǎn)

互聯(lián)網(wǎng)+、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)是21 世紀(jì)以來(lái)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的主要成果，它們將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人體工程學(xué)、人機(jī)交互理論、傳感技術(shù)等多領(lǐng)域先沿成果進(jìn)行了有機(jī)整合[1]。互聯(lián)網(wǎng)+、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)均以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)設(shè)備應(yīng)用，組建一個(gè)虛擬的三維場(chǎng)景，從而幫助中學(xué)生獲得真實(shí)體驗(yàn)。

互聯(lián)網(wǎng)+、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、想象性、交互性等特征。其中沉浸性主要是通過(guò)模擬真實(shí)情感世界，幫助中學(xué)生全身心投入虛擬空間；想象性主要是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的合理設(shè)置，以生動(dòng)形象的模式，反映中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)思想，提高中學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主導(dǎo)地位；交互性主要是依據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開(kāi)放性，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂中構(gòu)建一個(gè)信息輸入、輸出一一對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景，為中學(xué)生提供實(shí)時(shí)信息反饋。

二、基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教 學(xué)模式構(gòu)建

（一）基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR 等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)理論研究

基于互聯(lián)網(wǎng)+、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)主要理論依據(jù)為認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論、自主學(xué)習(xí)理論及探究性學(xué)習(xí)理論。其中認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論主要是通過(guò)主客體信息交互，將知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐活動(dòng)有機(jī)整合。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，基于認(rèn)知理論的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)主要包括觀察性動(dòng)畫(huà)演示、虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用及操作等內(nèi)容。

自主學(xué)習(xí)理論主要是從中學(xué)生自主學(xué)習(xí)意愿入手，鼓勵(lì)中學(xué)生根據(jù)自身狀況進(jìn)行學(xué)習(xí)目標(biāo)的制訂及學(xué)習(xí)方法的選擇。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)創(chuàng)建的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，中學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性可被充分發(fā)揮出來(lái)。

探究性學(xué)習(xí)理論主要是在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的過(guò)程中，借鑒科研人員科學(xué)探究方式進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)。通過(guò)探究過(guò)程模擬，可提高中學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力?；谔骄啃詫W(xué)習(xí)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括提出問(wèn)題、收集數(shù)據(jù)、形成解釋、評(píng)價(jià)結(jié)果、檢驗(yàn)結(jié)果幾個(gè)模塊。

（二）基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR 等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

首先，為了保證基于互聯(lián)網(wǎng)+、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效力，教師要對(duì)中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行分析。以往以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以分組實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)的實(shí)踐方式，嚴(yán)重制約了中學(xué)生自主性實(shí)驗(yàn)意識(shí)及能力的發(fā)展。依據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的相關(guān)要求，為提高全體中學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，教師可依據(jù)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分析物理虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容，并制訂中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)的邏輯模型。

其次，中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)主要以中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)展時(shí)間為依據(jù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)庫(kù)的設(shè)置。中學(xué)物理虛擬實(shí)驗(yàn)總庫(kù)主要包括各年級(jí)實(shí)驗(yàn)分庫(kù)，而各年級(jí)實(shí)驗(yàn)分庫(kù)又包含各課題實(shí)驗(yàn)案例及實(shí)驗(yàn)方式。在總體物理邏輯模型一定的情況下，設(shè)定以中學(xué)生為核心的新型實(shí)驗(yàn)功能體系，其主要包括實(shí)驗(yàn)開(kāi)始、實(shí)驗(yàn)輔助、實(shí)驗(yàn)闡述、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)用及處理等幾個(gè)模塊。其中實(shí)驗(yàn)開(kāi)始主要是中學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)輔助、實(shí)驗(yàn)闡述的相關(guān)內(nèi)容及自身理解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)假說(shuō)設(shè)置，并通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證前期實(shí)驗(yàn)假說(shuō)的正確性；實(shí)驗(yàn)輔助主要以實(shí)驗(yàn)基本操作方式為依據(jù)，如實(shí)驗(yàn)物體選擇、實(shí)驗(yàn)物體位置改變、相機(jī)速度設(shè)置等；而實(shí)驗(yàn)闡述主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的進(jìn)一步詮釋?zhuān)鐚?shí)驗(yàn)有關(guān)歷史資料等；實(shí)驗(yàn)演示主要通過(guò)規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作的視頻播放，組織中學(xué)生根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)開(kāi)展情況進(jìn)行正確實(shí)驗(yàn)方法探究；實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)用及處理主要是通過(guò)虛擬物理儀器工具箱的開(kāi)口的設(shè)置，為中學(xué)生開(kāi)始實(shí)驗(yàn)及總結(jié)分析提供幫助[2]。

（三）基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR 等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式開(kāi)發(fā)

首先，組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室組織界面包括實(shí)驗(yàn)界面、實(shí)驗(yàn)輔助、實(shí)驗(yàn)闡述、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用及處理、實(shí)驗(yàn)退出等模塊。

其次，控制界面設(shè)計(jì)。控制界面設(shè)計(jì)主要包括色彩設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)兩個(gè)模塊。依據(jù)物理學(xué)科的嚴(yán)謹(jǐn)性，其可選擇藍(lán)色為主色調(diào)，淡紫色為副色調(diào)；而在布局設(shè)計(jì)模塊，可以上下、左中右為主要排列方式。

最后，初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)制作。在虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)模塊，其主要采用ZBrush、Maya 技術(shù)創(chuàng)建三維模型，并將三維實(shí)驗(yàn)儀器零件組合為三維實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

以“比例運(yùn)算放大電路裝配及調(diào)試”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，在實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展前期，中學(xué)實(shí)驗(yàn)教師可以在互聯(lián)網(wǎng)+平臺(tái)中發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，供班級(jí)學(xué)生線上學(xué)習(xí)、問(wèn)題分析及實(shí)驗(yàn)探究。同時(shí)，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師還可以將關(guān)于放大電路類(lèi)型的知識(shí)實(shí)時(shí)推送給學(xué)生，促使班級(jí)學(xué)生明確項(xiàng)目設(shè)計(jì)問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)及具體實(shí)驗(yàn)流程。隨后，教師可利用Flash 小游戲的形式，進(jìn)行放大電路器裝配及實(shí)驗(yàn)?zāi)M、安裝、調(diào)試，并鼓勵(lì)班級(jí)學(xué)生反饋操作難點(diǎn)。

在具體實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師可根據(jù)班級(jí)學(xué)生在Flash 小游戲中的表現(xiàn)及提問(wèn)信息進(jìn)行詳細(xì)講解，并利用移動(dòng)智能設(shè)備，將典型問(wèn)題教授給學(xué)生，以保證整體物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的順利開(kāi)展。

在物理實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束之后，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師可以利用ZBrush、Maya 技術(shù)創(chuàng)建三維模型，將關(guān)于實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行立體整合，為后續(xù)課程復(fù)習(xí)及知識(shí)鞏固提供依據(jù)。

（四）基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR 等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)用

基于互聯(lián)網(wǎng)+、AR/VR 等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)用是新時(shí)代下教育改革與創(chuàng)新的必然要求，在互聯(lián)網(wǎng)+、AR/VR 等數(shù)字資源建設(shè)過(guò)程中，中學(xué)物理教師可以將全部知識(shí)點(diǎn)融入具體教學(xué)課程中，以中學(xué)生為主體，從理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐兩個(gè)方面，構(gòu)建“線上+線下”混合式教育模式。而中學(xué)生可以直接利用移動(dòng)智能設(shè)備進(jìn)行知識(shí)學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)仿真，這不僅可以提高中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與積極性，而且可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的順利開(kāi)展提供依據(jù)。

結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，基于互聯(lián)網(wǎng)+、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可脫離以往中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)效果差、實(shí)驗(yàn)條件不足的困境，通過(guò)真實(shí)中學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建，提高中學(xué)生物理自主實(shí)驗(yàn)意識(shí)及能力。因此，物理教學(xué)人員應(yīng)合理利用互聯(lián)網(wǎng)+、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)，搭建中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提升奠定基礎(chǔ)。