借助AR技术辅助高中物理实验教学的研究

［摘 要］本研究探讨AR技术在高中物理实验教学中的应用及其意义。研究结果表明，借助AR技术辅助高中物理实验教学能够加深学生对物理概念和原理的理解，显著提高学生的物理学习效果。这一研究为高中物理教学的创新与发展提供了新的思路和方法。

［关键词］AR技术；高中物理；实验教学

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）23-0044-03

随着科技的不断发展，AR技术作为一种新兴的教学手段，逐渐走入了教育领域。在高中物理实验教学中，传统的实验方法虽然能够为学生提供一定的实践机会，但受限于实验条件、设备、时间等因素，往往难以直观展现物理现象和实现深度学习。而借助AR技术辅助高中物理教学，可为学生创造生动、直观且互动性强的学习环境，让学生在虚拟与现实的交融中更深入地探索物理世界的奥秘，提高学习效果和兴趣。

一、AR技术及特点简介

AR技术，即增强现实技术，是一种将虚拟信息叠加到现实世界中的技术。AR技术能够通过计算机生成的图像、声音、文本等多媒体信息，在用户的真实环境中呈现出虚拟的元素，与之进行交互，从而增强用户对现实世界的感知和体验。这种技术被广泛应用于教育、娱乐、医疗、游戏等多个领域，为用户带来了更加丰富和多样化的互动体验[1]。其特点如下：

（一）虚实结合

AR技术的首要特点是实现了虚拟信息与真实世界的完美融合。AR技术通过先进的图像识别、空间定位等功能，将计算机生成的虚拟物体或信息准确地叠加到用户所看到的真实世界中，使之与真实环境相互交融、相互作用。这种虚与实的无缝结合，为用户带来了超越现实的全新感知体验。

（二）实时交互

AR技术还具备实时交互的特点。利用AR技术，用户不仅可以通过视觉、听觉等感官来感知虚拟信息，还能通过手势、语音等方式与虚拟物体进行实时的、自然的交互。这种交互方式打破了传统的人机界限，使用户能够更加自然、直观地与计算机进行沟通和交流，从而极大地提升了用户的体验满意度。

（三）三维空间精确定位

AR技术的第三大特点是能在三维空间中进行精确定位。AR技术借助先进的空间定位功能，准确地识别用户在三维空间中的位置和状态，并根据相应信息实时调整虚拟物体的位置和状态，使之始终与用户的视线和动作保持同步。这种三维空间定位能力，使得AR技术能够在各种复杂的环境中为用户提供稳定、准确的增强现实体验。

二、借助AR技术辅助高中物理实验教学的途径

（一）借助AR技术设计交互式学习任务

借助AR技术设计交互式学习任务，是开展高中物理实验教学的创新途径。通过AR技术，教师可以创建虚拟的物理实验环境，并设计一系列富有交互性的学习任务。在完成这些学习任务的过程中，学生可以亲身参与虚拟实验，与虚拟物体进行互动，观察物理现象的变化，并通过调整实验参数来探索物理规律。这种交互式学习方式不仅提高了学生的参与度和学习兴趣，还能够帮助学生深刻理解物理原理，培养学生的科学思维和实验技能。可以说，借助AR技术设计交互式学习任务，为高中物理实验教学注入了新的活力，有效提升了教师的教学质量和学生的学习效果[2]。

下面以鲁科版高中物理必修第三册第3章第2节“电阻”为例进行说明。

1.任务背景

电阻是高中物理中的核心概念，学生对它的理解程度直接影响后续电学知识的学习。传统的电阻教学往往注重讲授抽象的公式和理论，缺乏直观性和互动性，导致学生难以深入理解。对此，教师可以借助AR技术，为学生设计一个关于电阻的交互式学习任务，促使学生更好地掌握电阻的概念、性质和应用。

2.任务设计

虚拟实验室搭建：利用AR技术搭建一个虚拟的电阻实验室。此虚拟实验室中包含各种电阻器、电源、导线、电流表、电压表等实验器材。学生可以通过佩戴AR眼镜或使用移动设备，随时随地进入虚拟实验室进行学习。

交互式实验操作：在虚拟实验室中，学生可以自由选择和操作实验器材，进行电阻的相关实验。例如，改变电阻器的阻值，观察电流表和电压表的示数变化；连接不同的电路，探究电阻在电路中的作用。AR技术可以实时反馈学生的实验操作结果，提供准确的数值和实现可视化，帮助学生直观理解电阻对电流和电压的影响。

数据记录与分析：在实验过程中，学生需要记录实验数据，包括电阻值、电流值和电压值等。虚拟实验室提供便捷的数据记录和分析工具，可帮助学生整理和分析实验数据，发现电阻、电流和电压之间的关系。

原理探究与验证：通过实验操作和数据分析，学生可以探究电阻的原理和性质。例如，可以验证欧姆定律，即电压与电流成正比，而电阻为常数。在这个过程中，学生可以自主发现问题、提出假设并进行验证，很好地培养了科学探究能力和实验操作能力。

挑战与拓展：教师设置一些挑战性或拓展性任务。例如，让学生探究温度对电阻的影响、比较不同材料的电阻特性等。这些挑战性或拓展性任务可以帮助学生进一步巩固所学知识，并拓宽他们的视野。

3.学习体验增强点

直观性：AR技术呈现的虚拟实验室和实验操作过程具有极强的直观性，学生可以清晰地看到电流在电路中的流动情况、电阻对电流的影响以及电压的变化等物理现象。这种直观性有助于学生更好地理解和掌握电阻的概念和性质。

互动性：在虚拟实验室中，学生可以自由选择和操作实验器材进行实验探究。这种互动不仅激发了学生的学习兴趣和动力，还提高了他们的参与度和实践能力。同时，学生还可以与虚拟导师或同学进行交流和讨论，分享彼此的发现和理解。

个性化学习：对于交互式学习任务，可借助AR技术根据学生的学习需求和兴趣进行个性化设置，以实现学生的个性化学习。例如，教师可以根据学生的知识掌握情况调整实验的难度和挑战性任务的内容；学生可以根据自己的兴趣选择感兴趣的拓展性学习任务并完成。这种个性化学习，有助于满足不同学生的学习需求，提高他们的学习效果，增强他们的自信心。

（二）借助AR技术创设物理实验的理想条件

借助AR技术创设物理实验的理想条件，是推进高中物理实验教学创新的有效手段。通过AR技术，教师能够为学生构建具备完善实验条件和精准参数设置的虚拟实验室。在这样的虚拟环境中，学生可以打破真实实验中设备损坏、材料不足等限制，自由地开展各种复杂和精细的实验操作。AR技术不仅能够创设高度仿真的实验场景，还能够精确模拟各种物理现象和反应过程，使学生能够更加深入地理解物理原理和实验本质。因此，借助AR技术打造物理实验的理想条件，可有效促进高中物理实验教学的质量提升和创新发展[3]。

下面以鲁科版高中物理必修第三册第5章第2节“电磁感应现象及其应用”中的电磁感应实验为例进行说明。

1.完善实验条件

在现实世界中进行电磁感应实验，可能会受到设备损坏、材料不足、环境干扰等多种因素的限制。然而，在借助AR技术构建的虚拟实验室中，这些限制将不复存在。教师可以根据教学需求，为学生提供充足的实验器材和完美的实验环境。无论是线圈、磁铁还是电流表、电压表，都可以随时获取并进行精确的操作。

2.精准设置参数

AR技术允许教师对实验参数进行精准的设置和调整。在电磁感应实验中，通过利用AR技术调整磁场强度、线圈匝数、线圈移动速度等关键参数，学生可以观察到不同条件下电磁感应现象的变化，从而更深入地理解法拉第电磁感应定律和楞次定律等核心定律。

3.创设高度仿真的实验场景

AR技术能够创设高度仿真的实验场景，使学生仿佛置身于真实的实验室中。例如在电磁感应实验中，借助AR技术学生可以清晰地看到磁场线的分布和变化，感受到线圈中电流的产生和变化。这种沉浸式的学习体验，有助于激发学生的学习兴趣和动力，提高他们的学习效果。

4.深入理解物理原理

通过AR技术打造的虚拟实验室，学生可以自由地开展各种复杂和精细的实验操作，而不用担心设备损坏或材料消耗，这使得他们有更多的机会去探索物理现象的本质和规律。例如在电磁感应实验中借助AR技术，学生可以通过改变参数和观察现象，逐渐理解电磁感应的原理和应用，为后续的物理学习奠定坚实的基础。

借助AR技术创设物理实验的理想条件，可极大地促进高中物理实验教学的质量提升和创新发展，并为高中物理实验教学带来无限的可能。

（三）借助AR技术实现物理知识的可视化

借助AR技术实现物理知识的可视化，是实现高中物理实验教学创新的又一重要途径。AR技术能够将抽象的物理概念、原理和实验过程以直观、形象的方式给学生呈现，使他们能够更加深刻地理解物理知识。AR技术通过三维立体图像、动态模拟和交互式操作，使物理实验中的微观现象和难以观测的过程变得可见可感，极大地提高了学生的学习兴趣，增强了实验效果。借助AR技术实现物理知识的可视化，不仅有助于突破传统实验教学的局限，还能深化学生对知识的理解[4]。

下面以鲁科版高中物理必修第三册第5章“初识电磁场与电磁波”中的“电磁波”与选择性必修第一册第3章“机械波”为例进行说明。

【示例一】电磁波的多维度可视化

电磁波的传播、极化、干涉和衍射等现象是高中物理的核心内容，由于其抽象性和不可见性，学生往往难以形成直观的认识。借助AR技术，教师可以建构一个多维度的电磁波可视化模型，将电磁波的各种特性以三维立体图像的形式展现出来。

在这个模型中，电磁波的传播路径、电场和磁场的交替变化、波的振幅和频率等关键信息都可以清晰地呈现在学生眼前。通过动态模拟，学生可以观察到电磁波在不同介质中的传播行为，以及遇到障碍物时的反射、折射等现象。此外，利用AR技术的交互式操作功能，学生还可以自主调整电磁波的参数（如频率、振幅和极化方向等），实时观察这些变化对电磁波传播的影响。这种多维度的可视化展示，不仅有助于学生深入理解电磁波的本质和规律，还能培养他们的空间想象力和实验操作能力。

【示例二】机械波的复杂现象解析

机械波的传播过程涉及质点的振动、波的传播方向、波的叠加和干涉等，这些复杂的现象往往难以用传统的实验手段进行展示和分析，而利用AR技术则可以为这些复杂现象提供全新的解析方式。

通过AR技术构建的虚拟实验室，教师可以模拟出各种复杂的机械波传播场景，如多源波的叠加、波的干涉和衍射等。在这些场景中，学生可以清晰地看到不同波源产生的波如何相遇并叠加在一起，形成新的波形；也可以观察到波在遇到障碍物或穿过小孔时发生的衍射现象。此外，利用AR技术的交互式操作功能，学生还可以对波源的位置、频率和振幅等参数进行调整，实时观察这些变化对波的传播和叠加的影响。这种复杂现象的解析方式，不仅有助于学生更深入地理解机械波的传播规律和特性，还能激发他们对物理世界的探索欲望和培养他们的创新精神。

借助AR技术实现物理知识的可视化具有巨大的潜力和价值。通过利用AR技术构建多维度的可视化模型和解析复杂的物理现象，能够使学生更加深刻地理解物理知识，提高他们的学习兴趣和增强实验效果。

总之，借助AR技术辅助高中物理实验教学，无疑为高中物理教学注入了新的活力。通过AR技术将抽象的物理概念、原理和实验过程以直观、形象的方式呈现，不仅可以激发学生的学习兴趣和提高学生的参与度，还可以突破传统实验教学的局限，深化学生对物理知识的理解。随着信息技术的不断发展和完善，我们有理由相信，AR技术将在高中物理实验教学中发挥更加重要的作用，为学生的科学素养和创新能力的培养提供更强有力的支持。

［   参   考   文   献   ］

[1]  张丹.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[J].现代信息科技， 2022，6（9）：186-190.

[2]  蔡苏，牛晓杰，徐雪迎，等.交互式AR单缝衍射实验：增强现实（AR）在K-12教育的实证案例之九[J].中小学信息技术教育，2018（9）：68-70.

[3]  陆文利，王淳，赵春芝.增强现实（AR）技术在高校基础实验教学中的应用[J].实验室科学，2018，21（2）：164-166.

[4]  段春亮.应用现代信息技术开展高中物理实验教学的策略[J].中学课程辅导，2023（2）：69-71.

（责任编辑 黄春香）