楊夢(mèng)琪　陳紅

摘要：基于美國(guó)教育心理學(xué)家加涅的學(xué)習(xí)條件理論，探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和概念教學(xué)中的應(yīng)用前景，將新技術(shù)融入物理課堂而促進(jìn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；初中物理教學(xué)；應(yīng)用前景

前言

筆者作為一名一線初中物理教師，深切地感受到學(xué)生對(duì)于新技術(shù)融入課堂的熱情和期待，但由于教師幾乎沒(méi)有直接參與技術(shù)開(kāi)發(fā)，致使新技術(shù)的開(kāi)發(fā)者不能準(zhǔn)確把握教學(xué)需求，導(dǎo)致新技術(shù)融入課堂的進(jìn)程十分緩慢，無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。如圖1體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)需求和成熟技術(shù)之間的相互需求。在本文中，筆者通過(guò)探討vR技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和AR技術(shù)在初中物理概念教學(xué)中的應(yīng)用前景，以呼吁更多的物理教師關(guān)注新技術(shù)，并且將新技術(shù)融人日常課堂以促進(jìn)教學(xué)。

1基本概念和理論

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual Reality）

利用信息技術(shù)手段構(gòu)造虛擬3D環(huán)境，形成與某一范圍的真實(shí)環(huán)境完全一致的數(shù)字化環(huán)境，外界的用戶(hù)則以某種手段進(jìn)入虛擬環(huán)境中，與虛擬空間中的事物進(jìn)行交互，彼此影響。

1.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality）

同樣是利用信息技術(shù)手段進(jìn)行虛擬環(huán)境或者事物的構(gòu)建，但與VR不同的是，AR是將虛擬環(huán)境或事物實(shí)時(shí)疊加到真實(shí)環(huán)境或事物上去，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合，允許用戶(hù)既感知虛擬的世界，也看到真實(shí)的世界。

如圖2所示，常與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)同時(shí)提到的還有增強(qiáng)虛擬（Augmented Virtuality）技術(shù)和混合實(shí)境（Mixed Reality）技術(shù)。

1.3學(xué)習(xí)的條件理論

根據(jù)加涅《學(xué)習(xí)的條件與教學(xué)論》中提出的觀點(diǎn)：教學(xué)事件是在學(xué)習(xí)的連續(xù)階段中作為呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者的刺激而加以計(jì)劃的。這些外部事件的目的就是要激活、支持和維持學(xué)習(xí)的內(nèi)部過(guò)程，如圖3所示。設(shè)計(jì)者在牢記學(xué)習(xí)情境的同時(shí)，還要對(duì)媒體做出選擇，使之完成傳輸教學(xué)內(nèi)容的功能。

該理論認(rèn)為：學(xué)校不是給予學(xué)生動(dòng)機(jī)，而是為研究和學(xué)習(xí)安排條件。問(wèn)題主要不是“獲得”新的動(dòng)機(jī)，而是如何以一種能顯示能力并體驗(yàn)效能感的方式來(lái)有條理地安排學(xué)習(xí)的情境。因此，可以預(yù)期，如果能夠應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)創(chuàng)造原本難以創(chuàng)造的學(xué)習(xí)條件，就可以實(shí)現(xiàn)原本難以廣泛實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)結(jié)果。對(duì)內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不強(qiáng)的學(xué)生，刺激效果尤其顯著。

2虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用前景

筆者根據(jù)初中物理教學(xué)規(guī)律，結(jié)合VR和AR的應(yīng)用技術(shù)，認(rèn)為VR技術(shù)更適合應(yīng)用于初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，AR技術(shù)更適合應(yīng)用于初中物理概念教學(xué)中。以《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）中所例舉的部分科學(xué)內(nèi)容為例，探討虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在針對(duì)課堂上難以呈現(xiàn)的，但對(duì)培養(yǎng)物理學(xué)科素養(yǎng)，發(fā)展物理學(xué)科思維至關(guān)重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用前景。

2.1案例1牛頓第一定律

牛頓第一定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，如圖4所示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的條件是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中，永遠(yuǎn)也無(wú)法將摩擦力完全消除掉。愛(ài)因斯坦認(rèn)為：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學(xué)推理方法是人類(lèi)思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開(kāi)端?！?/p>

在課堂上如果能夠通過(guò)VR技術(shù)，讓學(xué)生進(jìn)入計(jì)算機(jī)的仿真模擬實(shí)驗(yàn)空間，那么學(xué)生對(duì)理想實(shí)驗(yàn)的精髓理解會(huì)更深刻。首先模擬斜面存在摩擦力的情況，讓學(xué)生體驗(yàn)到小球在有摩擦力存在時(shí)，小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即小球無(wú)法到達(dá)與原來(lái)釋放位置的同一高度：隨著軟件的設(shè)置，摩擦力逐漸減小，小球?qū)⒃絹?lái)越接近到達(dá)與原來(lái)釋放位置的同一高度：最后模擬摩擦力消失的情況，學(xué)生很自然的就能聯(lián)想到小球會(huì)到達(dá)與原來(lái)釋放位置的同一高度。這就是理想實(shí)驗(yàn)的精要：實(shí)驗(yàn)加推理。再在上述理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，逐漸減小斜面的傾斜程度，最終至水平，學(xué)生也很容易聯(lián)想到，在沒(méi)有摩擦的水平面上，小球?qū)⒆鰟蛩僦本€運(yùn)動(dòng)。眼前的仿真模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與學(xué)生的推理一致，則更能加深學(xué)生的認(rèn)知。

通過(guò)VR技術(shù)展現(xiàn)理想實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生認(rèn)識(shí)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，突破“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”這個(gè)讓人類(lèi)誤解了一千多年的基本規(guī)律，有重要幫助。

2.2案例2探究流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系

流體指氣體和液體。在流體中有一個(gè)基本規(guī)律：流速大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大。如圖5所示，飛機(jī)就是依靠這向上和向下的壓力差獲得升力的。我們可以借助風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，向?qū)W生展示飛機(jī)飛起來(lái)的樣子，但是因?yàn)轱L(fēng)是看不見(jiàn)的，仍然沒(méi)有辦法展現(xiàn)為什么飛機(jī)能夠飛起來(lái)。設(shè)想學(xué)生可以在VR場(chǎng)景下，體驗(yàn)不同的壓強(qiáng)差下造成的飛機(jī)起落，甚至比親自去坐飛機(jī)，更容易明白飛機(jī)為什么能飛起來(lái)的原理。

2.3案例3探究真空不能傳聲和聲音是以聲波的形式傳播

如圖6所示，探究真空不能傳聲是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）中的一個(gè)必做實(shí)驗(yàn)，但由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的抽氣設(shè)備不夠先進(jìn)，實(shí)驗(yàn)條件要求比較苛刻，很多老師在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)的現(xiàn)象都不太理想。如果能夠用到VR技術(shù)模擬真空不能傳聲的實(shí)驗(yàn)，要比課堂上的現(xiàn)象不明顯的實(shí)驗(yàn)更具有說(shuō)服力，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握。

聲音是以聲波的形式傳播的則是聲現(xiàn)象這一章節(jié)中的一個(gè)難點(diǎn)，難點(diǎn)在于聲波的抽象性。初二學(xué)生的思維方式正由形象思維逐漸向抽象思維過(guò)度，而看不見(jiàn)的聲波對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)挑戰(zhàn)。課堂上，物理老師往往會(huì)使用示波器將看不見(jiàn)的聲波顯示出來(lái)，但示波器是經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)化的，很多學(xué)生往往仍舊是一頭霧水。如果可以通過(guò)VR技術(shù)呈現(xiàn)聲波的形成過(guò)程，無(wú)疑是可以將抽象思維形象化，有利于學(xué)生對(duì)聲波的理解。通過(guò)VR技術(shù)仿真模擬物體振動(dòng)時(shí)會(huì)引起振動(dòng)體周?chē)目諝猓ń橘|(zhì)）形成疏密相間的分布，在VR場(chǎng)景中，可以實(shí)現(xiàn)空氣的可視化，這也突破了現(xiàn)實(shí)生活中空氣看不見(jiàn)的這一教學(xué)難點(diǎn)。隨著振動(dòng)體的持續(xù)振動(dòng)，振動(dòng)情況就會(huì)以疏密相間的形式由近及遠(yuǎn)地傳播開(kāi)，這就形成了聲波。

3增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在初中物理概念教學(xué)中的應(yīng)用前景

VR技術(shù)需要較高的資金和技術(shù)門(mén)檻，課程資源開(kāi)發(fā)的成本較高，而AR技術(shù)更適合目前學(xué)校教學(xué)實(shí)際條件，更有可能在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)由一線教師自己設(shè)計(jì)素材，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)課堂。下面同樣以《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）中所例舉的部分科學(xué)內(nèi)容為例，探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在初中物理概念教學(xué)內(nèi)容上的應(yīng)用前景。

3.1案例4原子結(jié)構(gòu)模型

假如由于某種大災(zāi)難，所有的科學(xué)知識(shí)都丟失了，只有一句話可以傳給下一代，那么怎樣才能用最少的詞匯來(lái)傳達(dá)最多的信息呢？理查德，費(fèi)曼認(rèn)為：一切都由原子構(gòu)成，這就是關(guān)鍵性的假設(shè)。

對(duì)于初二的學(xué)生，微觀世界的原子結(jié)構(gòu)無(wú)疑是難以理解的，學(xué)生可以通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察到微觀的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，但卻無(wú)法觀察到原子的結(jié)構(gòu)，學(xué)校更是沒(méi)有條件也沒(méi)有必要提供電子隧道掃描儀來(lái)實(shí)現(xiàn)觀察原子，所以通過(guò)AR技術(shù)建立起來(lái)的原子結(jié)構(gòu)三維立體仿真模型就顯得尤為重要了。通過(guò)這個(gè)三維仿真模型，學(xué)生可以清楚的認(rèn)識(shí)到原子的以下特征：

（1）原子大小。如果把一個(gè)蘋(píng)果和地球相比，那么蘋(píng)果中的一個(gè)原子的大小，就相當(dāng)于地球上的一個(gè)蘋(píng)果。

（2）構(gòu)成原子的原子核和電子都在永不停息地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。雖然電子有它固定的軌道，但電子不會(huì)一定出現(xiàn)在某一個(gè)位置，那只不過(guò)是一種概率。

（3）當(dāng)距離靠近，超過(guò)平衡點(diǎn)，兩個(gè)原子之間斥力超過(guò)引力：當(dāng)距離變遠(yuǎn)，超過(guò)平衡點(diǎn)，兩個(gè)原子之間引力超過(guò)斥力。

3.2案例5內(nèi)燃機(jī)的沖程

四沖程內(nèi)燃機(jī)的四個(gè)沖程是吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程。四沖程內(nèi)燃機(jī)做功沖程中，發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的沖程是壓縮沖程和做功沖程。壓縮沖程是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，做功沖程是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

以往教學(xué)中用多媒體動(dòng)畫(huà)模擬來(lái)展現(xiàn)這四沖程，學(xué)生可以理解其中的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程。但存在一個(gè)極大的問(wèn)題是，學(xué)生難以在三維空間想象內(nèi)燃機(jī)的工作原理，所以仍然是跟現(xiàn)實(shí)脫節(jié)的。

利用AR技術(shù)，學(xué)生進(jìn)入虛擬三維空間：面前一輛完整的汽車(chē)開(kāi)始拆解，進(jìn)入汽油機(jī)，然后觀察汽油機(jī)的構(gòu)造，慢速播放四個(gè)沖程發(fā)生過(guò)程，并配有相應(yīng)的互動(dòng)環(huán)節(jié)，以檢測(cè)學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)的掌握情況，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，界面縮小退出，看到的是一輛飛馳的汽車(chē)。這樣的設(shè)計(jì)無(wú)疑可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣，以興趣為激發(fā)點(diǎn)，可能會(huì)有學(xué)生暗下決心，要做汽車(chē)設(shè)計(jì)師。

總結(jié)

在信息技術(shù)爆炸式發(fā)展的今天，如何讓“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的跨界組合燃燒出真正價(jià)值，應(yīng)用包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在內(nèi)的新技術(shù)服務(wù)于人的培養(yǎng)，是教育者的責(zé)任。

不應(yīng)該忘記的是。人應(yīng)該把握和主導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域?，F(xiàn)有條件能做的真實(shí)實(shí)驗(yàn)，不需要耗費(fèi)力量通過(guò)VR和AR技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。把VR和AR技術(shù)應(yīng)用于目前課堂中難以實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)條件的提供，VR和AR技術(shù)才有價(jià)值，比如：

（1）理想環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容。

（2）不安全不適合親手操作但是意義重大的內(nèi)容。

（3）過(guò)于微觀或過(guò)于宏觀的內(nèi)容。

（4）現(xiàn)實(shí)中肉眼無(wú)法看見(jiàn)的內(nèi)容。

希望更多教育工作者熱情擁抱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新興技術(shù)，加速新興技術(shù)落地，促進(jìn)學(xué)校教育多元發(fā)展，探索學(xué)校教育可能性，培養(yǎng)出面向現(xiàn)代化，面向世界，面向未來(lái)的人。