虛實(shí)結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)踐
——以K12教育中“測量小燈泡的電阻”為例

張丹

（江西科技師范大學(xué) 教育學(xué)院，江西 南昌 330000）

0 引 言

在“雙減”政策的驅(qū)動(dòng)下，AR技術(shù)憑借其三個(gè)卓越優(yōu)勢（即真實(shí)與虛擬世界相融合，人機(jī)之間實(shí)時(shí)交互，虛擬與真實(shí)物體在空間中信息全面集成）而深受教育界的追捧。AR教學(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用無疑是一線教師實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、完成教學(xué)內(nèi)容的得力助手。AR可將虛擬三維模型動(dòng)畫、視頻、文字、圖片等通過數(shù)字模型實(shí)時(shí)疊加到真實(shí)的場景中，學(xué)生可在自然空間中與虛擬空間實(shí)時(shí)交互，加強(qiáng)對理論知識(shí)的理解與運(yùn)用，AR教學(xué)資源的開發(fā)與應(yīng)用勢必革新傳統(tǒng)的教學(xué)方式，釋放一線物理教師的心理壓力，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)機(jī)。

1 物理學(xué)習(xí)與AR技術(shù)

1.1 物理學(xué)科學(xué)習(xí)背景

中學(xué)物理學(xué)科是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，學(xué)習(xí)物理的兩種有效方法是實(shí)驗(yàn)法和觀察法。通過觀察或動(dòng)手實(shí)踐學(xué)生可以更為直觀地獲得感性知識(shí)，學(xué)生從實(shí)踐中獲得的知識(shí)使其認(rèn)知發(fā)生質(zhì)變。傳統(tǒng)的物理教學(xué)方式——講授法沒有被完全摒棄是因?yàn)樗胁豢商娲膬?yōu)勢：（1）在課程開始之前，教師會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間去備課，教師在深入了解課標(biāo)要求，研究學(xué)生經(jīng)驗(yàn)水平和身心發(fā)展特點(diǎn)，并對學(xué)生課堂表現(xiàn)做出預(yù)測的前提下，通過多樣化的導(dǎo)入方式讓學(xué)生循序漸進(jìn)地掌握課堂重難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三維學(xué)習(xí)目標(biāo)。（2）教師是有感情的獨(dú)立個(gè)體，教師在講課的過程中會(huì)運(yùn)用多種教學(xué)技能，比如用舉例子、打比方等方式強(qiáng)調(diào)課堂重難點(diǎn)，用幽默的口頭語言和豐富的肢體語言讓學(xué)生在長時(shí)間保持注意力的情況下習(xí)得教材內(nèi)容，同時(shí)也增進(jìn)了師生之間的情感交流。（3）物理學(xué)習(xí)過程中有很多的公式需要學(xué)生推算證明，教師通過提煉教材內(nèi)容，書寫簡單明了的板書，有助于學(xué)生更好地掌握理論知識(shí)。

但隨著AI、VR、AR等技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)物理授課方式的局限性日漸顯露。首先，從教師角度來看，每個(gè)教師都有自己獨(dú)特的教學(xué)個(gè)性，在班級(jí)授課制這種大環(huán)境下，教師的教學(xué)方式可能不適合個(gè)別學(xué)生。其次，從學(xué)生角度來看，每個(gè)學(xué)生的身心都存在個(gè)體差異性，教師很難實(shí)現(xiàn)一對一的教學(xué)，而且每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)進(jìn)度都不同，很多學(xué)生接受新知識(shí)的能力較差，如果基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢，勢必會(huì)影響其后續(xù)知識(shí)的習(xí)得。再次，從學(xué)科本身來分析，物理學(xué)習(xí)并不像文科那樣通過記憶、背誦等方法就可以掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，物理教師在課堂上不僅要教給學(xué)生現(xiàn)實(shí)物理現(xiàn)象所蘊(yùn)含的物理本質(zhì)，更要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。最后，中國的某些地區(qū)仍然存在教學(xué)實(shí)驗(yàn)器材短缺的問題，加之某些實(shí)驗(yàn)存在一定的安全隱患而被老師束之高閣，這對于“雙減”政策的落地非常不利。此外，在高考、中考學(xué)習(xí)時(shí)間緊張的驅(qū)使下，很多教師為了節(jié)約課堂時(shí)間就會(huì)自己演示一遍給學(xué)生看或者是直接告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的重難點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而忽視了學(xué)生對知識(shí)的意義建構(gòu)。

1.2 讓AR技術(shù)成為傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的平替

AR技術(shù)是近年來教育技術(shù)學(xué)中的熱點(diǎn)詞之一，借助AR技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)的物理教學(xué)資源具有以下優(yōu)勢：

首先，學(xué)生們不再照本宣科地對照著文字圖片死記硬背。AR所呈現(xiàn)出的三維立體內(nèi)容更加生動(dòng)形象、直觀具體，讓學(xué)生的視覺、聽覺和觸覺都參與到教學(xué)過程當(dāng)中，加深學(xué)生對知識(shí)的理解與記憶，AR教育所打造的“在真實(shí)情境中學(xué)習(xí)”，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性。

其次，基于U3D開發(fā)的物理實(shí)驗(yàn)，使用程序設(shè)定好對應(yīng)的計(jì)算公式，學(xué)生操作過程中便可以方便快速地得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

在AR教學(xué)自愿設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，還可以線上召集有經(jīng)驗(yàn)的老師參與討論，通過整合諸多一線教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與教學(xué)技能來克服因教師個(gè)體差異性所帶來的物理教學(xué)信息不一等問題，使AR教學(xué)資源開發(fā)科學(xué)化、準(zhǔn)確化，讓教學(xué)過程更加生動(dòng)有趣，也讓教學(xué)克服人為因素的影響而達(dá)到教學(xué)效果的峰值。

再次，與VR教學(xué)資源相比，AR教學(xué)資源對硬件要求不高，一個(gè)平板和一部手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)，AR技術(shù)可以將現(xiàn)有課堂難以呈現(xiàn)的物理實(shí)驗(yàn)儀器呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，學(xué)生通過與電腦的實(shí)時(shí)交互即可主動(dòng)完成對知識(shí)的意義建構(gòu)，可以更加直觀明了地了解實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)儀器、每一個(gè)步驟，對提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量大有裨益。

最后，AR技術(shù)本身具有情境性、交互性、想象性等優(yōu)勢，使用者可以通過人機(jī)交互親身體驗(yàn)無法用語言和媒介描述的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，尤其適用于存在一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)，AR技術(shù)無疑是解決物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)困難的絕佳之策。

2 以AR技術(shù)為輔認(rèn)識(shí)電場

2.1 教學(xué)背景分析

在新課改中，義務(wù)教育階段的物理教學(xué)目的就是培養(yǎng)全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及人文素養(yǎng)，以此為依據(jù)形成了物理課程改革的基本理念。初中物理中“伏安法測電阻”是電學(xué)中的一種基本測量，屬于歐姆定律變換式的一種具體運(yùn)用，對于加深學(xué)生對歐姆定律和電阻概念的理解有著十分重要的作用，但是有很多學(xué)校為了節(jié)約學(xué)生中考復(fù)習(xí)時(shí)間而忽略了學(xué)生對具體實(shí)驗(yàn)的操作，再加之某些學(xué)校的實(shí)驗(yàn)資源匱乏，老師只是教給學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的重難點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在本文的研究中，設(shè)計(jì)開發(fā)AR物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源的主要意圖為：首先，節(jié)約學(xué)生中考復(fù)習(xí)時(shí)間，教師使用AR教學(xué)資源時(shí)，僅需借助一個(gè)平板或手機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)，學(xué)生在自己動(dòng)手實(shí)踐的過程中，感受供給電流電壓不同時(shí)燈泡的亮度變化，并思考燈泡的亮度與電阻之間是否存在某種關(guān)系。其次，該教學(xué)資源易于獲取，操作便捷，可以有效解決教學(xué)資源短缺的問題。最后，AR教學(xué)資源的互動(dòng)性可極大地提高教學(xué)效果。在本實(shí)驗(yàn)中，要了解兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 “伏安法測電阻”基本知識(shí)點(diǎn)

此外，串并聯(lián)電路中電流電壓之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 串并聯(lián)電路中電流電壓關(guān)系

綜上，參考蔡蘇老師、宋倩老師和唐瑤老師實(shí)現(xiàn)的一本增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念演示書——未來之書，將“伏安法測電阻”這一實(shí)驗(yàn)所需的儀器（電源、開關(guān)、電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器、小燈泡、電線等）實(shí)物模型導(dǎo)入U(xiǎn)3D平臺(tái)后，再用烘焙渲染技術(shù)將這些儀器放置于同一個(gè)過程場景中，使用C#語言實(shí)現(xiàn)基本實(shí)驗(yàn)邏輯功能，借助UI優(yōu)化界面添加對應(yīng)操作按鈕，使場景更加逼真。

學(xué)生可根據(jù)設(shè)定的標(biāo)識(shí)符并在老師指導(dǎo)下完成電路圖的連接，再對電流表圖2（a）與電壓表圖2（b）的數(shù)字進(jìn)行記錄分析，最后根據(jù)歐姆定律得出小燈泡的電壓值圖2（c）。在開展此環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將學(xué)生分成四組，具體分法如表2所示，可對使用不同教學(xué)方式學(xué)習(xí)對象的行為進(jìn)行觀察，再結(jié)合訪談結(jié)果對AR教學(xué)資源初次使用的不理想之處加以改進(jìn)。

圖2 AR教學(xué)資源實(shí)驗(yàn)界面

表2 教學(xué)分組

2.2 AR實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

AR教學(xué)資源的開發(fā)是為了使教師在課堂上更方便、更高效地完成物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，與此同時(shí)，AR教學(xué)資源也支持學(xué)生在平臺(tái)上自主地完成實(shí)驗(yàn)操作，師生之間通過互動(dòng)板交流，學(xué)生課后在平臺(tái)上做實(shí)驗(yàn)時(shí)也可以向老師咨詢遇到的問題，這樣也實(shí)現(xiàn)了對某些學(xué)生的個(gè)性化輔導(dǎo)，老師有針對性的輔導(dǎo)會(huì)讓學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的印象更加深刻。為解決老師與學(xué)生不能實(shí)時(shí)互動(dòng)這一問題，AR教學(xué)資源應(yīng)在設(shè)計(jì)之初將所有的突發(fā)情況加以語音解釋，如實(shí)驗(yàn)儀器識(shí)別不到、實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)、重難點(diǎn)準(zhǔn)備、評價(jià)反饋、監(jiān)督環(huán)節(jié)等使用UI界面操控所加入的語音素材，基于以上需求與設(shè)想，AR教學(xué)資源線上平臺(tái)功能模塊組成如圖3所示。

圖3 AR教學(xué)資源線上平臺(tái)功能模塊

3 AR技術(shù)在教學(xué)過程中的分析及具體應(yīng)用

3.1 AR教學(xué)資源的設(shè)計(jì)應(yīng)以學(xué)生興趣點(diǎn)為導(dǎo)入口

AR教學(xué)資源設(shè)計(jì)開發(fā)的目的就是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教與學(xué)的實(shí)效，因此，在使用AR教學(xué)資源時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

首先，在備課環(huán)節(jié)，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)大綱設(shè)置課堂內(nèi)容以及了解學(xué)生學(xué)情后選擇合適的教學(xué)資源，且記AR教學(xué)資源的使用是為了提高教學(xué)效果，AR教學(xué)資源的使用有其不可替代的作用，也就是說不能只是為了使用AR教學(xué)資源而使用AR教學(xué)資源，教學(xué)資源的選擇應(yīng)該充分結(jié)合教學(xué)過程的需要。

其次，在課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)部分注重給學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題情境，快速地將學(xué)生拉入到課堂中，如圖4所示，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中根據(jù)界面提示完成學(xué)習(xí)任務(wù)，通過向?qū)W生提問，讓學(xué)生意識(shí)到物理課堂的重難點(diǎn)，帶著問題去聽課不僅使學(xué)生做到注意力全程保持高度集中，也能讓學(xué)生在老師講解的過程中循序漸進(jìn)地理解知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系。

圖4 虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)界面

最后，在物理實(shí)驗(yàn)部分一定要讓學(xué)生自己動(dòng)手操作，AR教學(xué)資源不會(huì)有危險(xiǎn)性，學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成操作并記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)，學(xué)生在演示的過程中不僅會(huì)增強(qiáng)對所學(xué)知識(shí)的自信心，也會(huì)在腦海中與自己所學(xué)過的物理知識(shí)實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)，提取物理學(xué)習(xí)過程中的重難點(diǎn)，提高課堂效率。

3.2 AR教學(xué)資源開發(fā)應(yīng)以提高教學(xué)效果為目的

在物理實(shí)驗(yàn)中使用AR教學(xué)資源并不僅僅是為了學(xué)生可以順利地完成物理實(shí)驗(yàn)，教師在實(shí)驗(yàn)過程中科學(xué)恰當(dāng)?shù)厥褂肁R技術(shù)，要注重培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測能力。老師在課堂上要加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，通過提問、舉例子等方式時(shí)刻保持學(xué)生大腦思維的活躍，在日常生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助AR技術(shù)教學(xué)資源并結(jié)合物理知識(shí)對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果做大膽的預(yù)測，讓學(xué)生擺脫以教師為中心的束縛。

學(xué)生在每一次的實(shí)踐過程中，還應(yīng)該注意提升實(shí)驗(yàn)過程中的合作探究能力與發(fā)散思維能力，如圖5所示，將AR技術(shù)引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。學(xué)生會(huì)主動(dòng)自覺地結(jié)合原有的經(jīng)驗(yàn)提出有針對性的猜測，讓自己深入思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并用所學(xué)物理知識(shí)解釋出現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因，這不僅能提高學(xué)生的思考能力，還能讓學(xué)生在整堂課中保持高度的注意力，保證學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中的主體地位，從而提高教學(xué)效果。

圖5 學(xué)生使用AR教學(xué)資源互動(dòng)學(xué)習(xí)

教師合理運(yùn)用AR技術(shù)結(jié)束教學(xué)后，要鼓勵(lì)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的靈活運(yùn)用，在提高學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)基本素養(yǎng)的同時(shí)，使學(xué)生善于將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，理論性知識(shí)只有通過實(shí)踐的檢驗(yàn)才能得到質(zhì)變。

3.3 AR教學(xué)資源高效化應(yīng)以提高教師信息素養(yǎng)為橋梁

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，并不是使用了AR技術(shù)老師就可以將課堂完全交給學(xué)生，如圖6所示，在設(shè)計(jì)AR教學(xué)資源之初就應(yīng)該充分考慮實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可能會(huì)遇到的各種問題，如圖6（a）所示，盡量使得AR教學(xué)系統(tǒng)更加完整化，以每個(gè)實(shí)驗(yàn)為單位模塊，分門別類地設(shè)計(jì)AR實(shí)驗(yàn)，這樣學(xué)生也更容易將自主獲取的知識(shí)結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化，如圖6（b）所示。此外，在使用AR教學(xué)資源授課時(shí)，老師要格外注意對學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，這就要求教師團(tuán)隊(duì)首先提升自身的信息素養(yǎng)，同時(shí)，老師要意識(shí)到對學(xué)生實(shí)驗(yàn)總結(jié)能力的培養(yǎng)是一個(gè)漫長的過程，需要在每一次物理實(shí)驗(yàn)結(jié)束后大力鼓勵(lì)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果做以總結(jié)和表達(dá)。最后，學(xué)生在對實(shí)驗(yàn)做總結(jié)的過程中需要有清晰的邏輯，教師要注重提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的梳理能力，鼓勵(lì)學(xué)生使用思維導(dǎo)圖等軟件梳理實(shí)驗(yàn)過程與重難點(diǎn)知識(shí)，所以AR技術(shù)教學(xué)資源也是讓學(xué)生在自己思考之余最大限度接受新知識(shí)的得力助手，從而在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

圖6 AR教學(xué)資源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

教師在指導(dǎo)學(xué)生完成物理實(shí)驗(yàn)之后，可以讓學(xué)生針對自己的結(jié)論思考實(shí)驗(yàn)過程，想象調(diào)節(jié)不同的變量會(huì)產(chǎn)生哪些變化，思索自己的預(yù)測和實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差的原因所在，多問問自己的猜測是否存在漏洞，并能對自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反思與改進(jìn)，提高課堂學(xué)習(xí)效率。

4 結(jié) 論

AR技術(shù)作為一種新型的“認(rèn)知工具”，使學(xué)生的主體性得到充分的發(fā)揮，學(xué)生參與到了物理實(shí)驗(yàn)的整個(gè)環(huán)節(jié)（即“提出問題—提出猜想—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—進(jìn)行驗(yàn)證—得出結(jié)論—總結(jié)與反思”這幾個(gè)步驟），學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中相互合作交流，極大地提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、反思問題的能力。AR技術(shù)支持下的教學(xué)資源具有交互性、沉浸性等優(yōu)點(diǎn)，對于一些投資欠佳的學(xué)校來說也容易實(shí)現(xiàn)，學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)操作中注意力高度集中，這種教學(xué)模式相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式效果顯著。教育者在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中要大膽創(chuàng)新，營造一個(gè)輕松活躍的課堂氛圍更有益于學(xué)生發(fā)散思維的訓(xùn)練；教師也要不斷提升自己的信息素養(yǎng)，加強(qiáng)與技術(shù)人員的交流，這樣才能促進(jìn)技術(shù)與教育的深度融合，解決傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生對抽象概念理解困難的弊端，也可避免學(xué)校因設(shè)備成本過高而引進(jìn)困難，物理實(shí)驗(yàn)占用過多時(shí)間等問題。