侯 丹，宋昊澤

2016年，新一輪的教育改革正式拉開了序幕，確立了新的教學(xué)改革方向，提出發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的新要求。［1］物理學(xué)科在新課程改革核心素養(yǎng)的框架下也凝練出了本學(xué)科的教學(xué)價(jià)值，提出了物理核心素養(yǎng)，即“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。［2］確立了基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)在教學(xué)設(shè)計(jì)中重視教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)，重視科學(xué)探究能力的培養(yǎng)和信息技術(shù)的應(yīng)用，通過問題解決發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為教育的改革和發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。通過3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)豐富的教學(xué)情境，加強(qiáng)信息技術(shù)在學(xué)生探究能力的培養(yǎng)與問題解決中的應(yīng)用，以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，突破制約我國(guó)教育改革的難點(diǎn)，促進(jìn)教育教學(xué)的創(chuàng)新和變革，加快教育大國(guó)向教育強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的進(jìn)程。

一、物理核心素養(yǎng)的發(fā)展

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是物理學(xué)科育人的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過物理學(xué)科的學(xué)習(xí)逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。物理核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面。［3］（P4-5）

（一）物理觀念

“物理觀念”包括運(yùn)動(dòng)觀念、物質(zhì)觀念、相互作用觀念和能量觀念，是從物理學(xué)視角形成的基本認(rèn)識(shí)，它們不是單純的物理概念和規(guī)律，是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華，是從物理學(xué)角度解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用這些觀念解決實(shí)際問題。

（二）科學(xué)思維

物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”是人腦對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建思想模型的抽象概括過程。［4］科學(xué)思維的核心部分是科學(xué)推理［5］，科學(xué)推理是在經(jīng)歷問題解決的過程中才能表現(xiàn)出來的。因此，科學(xué)思維的發(fā)展強(qiáng)調(diào)在問題解決的過程中進(jìn)行模型建構(gòu)，滲透科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

（三）科學(xué)探究

“科學(xué)探究”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，是指在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出物理問題，形成猜想，建立假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、制定解決方案，搜集和處理信息和數(shù)據(jù)，基于證據(jù)得出結(jié)論給予解釋，并對(duì)科學(xué)探究的過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估和反思的素養(yǎng)。整個(gè)科學(xué)探究的過程是在問題解決的過程中表現(xiàn)和發(fā)展的。

（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任”，是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，探索自然的內(nèi)在動(dòng)力，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)責(zé)任感。

學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展是在真實(shí)情境中解決問題時(shí)才能表現(xiàn)出來的。而3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠?yàn)榻虒W(xué)提供有效的教學(xué)情境，設(shè)置邏輯清晰的探究過程，幫助學(xué)生體驗(yàn)應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的過程，保證學(xué)生有效地經(jīng)歷科學(xué)探究和思維加工的過程，保證學(xué)生核心素養(yǎng)的內(nèi)化，擁有正確的科學(xué)思維，發(fā)展科學(xué)探究能力，形成正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。

二、3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育內(nèi)容

（一）教育內(nèi)涵

3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）相結(jié)合的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)發(fā)展的新產(chǎn)物。3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用是以可視化的3D立體模型為基礎(chǔ)，通過啟發(fā)式、項(xiàng)目體驗(yàn)式的教學(xué)方式，綜合應(yīng)用VR、AR技術(shù)，實(shí)現(xiàn)沉浸性、交互性、真實(shí)性強(qiáng)的學(xué)習(xí)情境，完善探究學(xué)習(xí)和認(rèn)知的過程，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力、跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)寫作能力等。

應(yīng)用3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，能夠?qū)⑵綍r(shí)難以講述的教學(xué)情境、現(xiàn)實(shí)生活中不易觀察到的自然現(xiàn)象或事物的變化過程，以及不可能直觀展現(xiàn)的場(chǎng)景通過3D虛擬技術(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)多維度觀察、多感官體驗(yàn)的情境化學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生感受到真實(shí)的情境。

（二）教學(xué)需求

3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以根據(jù)教學(xué)所需，創(chuàng)設(shè)出恰當(dāng)?shù)臅r(shí)空和場(chǎng)景輔助教學(xué)。將教學(xué)中應(yīng)用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的需求按照時(shí)間和空間的維度分為：時(shí)間尺度上的宏觀教育需求、時(shí)間尺度上的微觀教育需求、空間尺度上的宏觀教育需求和空間尺度上的微觀教育需求四個(gè)方面。［6］（P10-14）3D 虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為滿足物理教學(xué)所需，可以從以下幾方面解決教學(xué)難點(diǎn)。

時(shí)間尺度：既存在時(shí)間跨越大的宏觀的宇宙演化過程，也存在著時(shí)間短暫的不易觀察的原子核衰變、光電效應(yīng)等過程。

空間尺度：既有恢宏的星云的形成過程，又有微觀的原子、分子結(jié)構(gòu)等。

概念抽象：超出學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)的范疇，很難通過想象和單一的邏輯思維推理過程去認(rèn)識(shí)，只靠教師單純的講授學(xué)生理解困難。

情境設(shè)置：依靠傳統(tǒng)的教學(xué)手段，很難完成或有危險(xiǎn)的教學(xué)情境設(shè)置，教學(xué)效率偏低。

（三）3D教育三要素

3D裝備、3D資源和3D教學(xué)是3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中應(yīng)用不可或缺的“三要素”。3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝備是教育的基礎(chǔ)，為教育提供所需的技術(shù)保障；3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)資源是教育的“精神食糧”，為教育提供所需的物資保障；3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)是3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的載體，教學(xué)水平的高低決定了3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育的水平。

3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3D裝備技術(shù)支持為桌面級(jí)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它摒棄了傳統(tǒng)的頭盔式的“完全沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)”和“互動(dòng)式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”，避免了長(zhǎng)時(shí)間戴頭盔給人體帶來的眩暈感（一般采用頭盔式進(jìn)行15分鐘的3D體驗(yàn)即會(huì)有眩暈感產(chǎn)生），以桌面級(jí)混合現(xiàn)實(shí)的形式呈現(xiàn)增強(qiáng)虛擬的效果，同時(shí)在整個(gè)班級(jí)內(nèi)完成情境設(shè)置和實(shí)驗(yàn)互動(dòng)過程。

3D資源包括3D教學(xué)影像資源、3D教學(xué)課件、3D教學(xué)軟件等?；?D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)置的資源具有沉浸性和直觀性的特點(diǎn)，可最真實(shí)地建構(gòu)出貼近真實(shí)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生提供立體、生動(dòng)、可交互性強(qiáng)的學(xué)習(xí)資源，有效地減少學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。

3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)只有融入到教學(xué)中，才能展現(xiàn)出其應(yīng)用于教育的價(jià)值。應(yīng)用3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的教學(xué)可以有效地促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)，提高學(xué)生的空間想象能力，拓展學(xué)生的思維，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，使學(xué)生更有效地在問題解決的過程中，獨(dú)立地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決問題。

3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但為教學(xué)手段的革新提供了有效的技術(shù)支持，還改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，為學(xué)生提供交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，同時(shí)也改變了學(xué)生學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)了課堂上師生間和生生間的互動(dòng)，使教學(xué)氛圍更加活躍、自然和親切。

三、3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用研究

分析3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育需求，選擇適合中學(xué)物理教學(xué)的3D裝備，根據(jù)新課標(biāo)中物理學(xué)科核心素養(yǎng)確定的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和制作3D資源，從而彌補(bǔ)原有教學(xué)的不足，從創(chuàng)設(shè)逼真的教學(xué)情境、提高學(xué)生互動(dòng)性和參與度等角度設(shè)置3D教學(xué)。依據(jù)新課程改革的特點(diǎn)和教學(xué)理念，從教學(xué)情境設(shè)置、物理實(shí)驗(yàn)設(shè)置等角度分析應(yīng)用3D資源進(jìn)行3D教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。

（一）教學(xué)情境設(shè)置

1.為中學(xué)物理教學(xué)設(shè)置逼真的教學(xué)情境

新一輪的課程改革中，最大限度地靠近真實(shí)經(jīng)驗(yàn)的情境的設(shè)置，是教學(xué)改革的關(guān)鍵?，F(xiàn)有教學(xué)的情境設(shè)置大多通過圖片、視頻或講解的方式來創(chuàng)設(shè)，這種方式給學(xué)生提供的只是單純、表面的感官現(xiàn)象，不能夠帶領(lǐng)學(xué)生全面投入、深入地體會(huì)所處情境，且簡(jiǎn)單的語言描述和圖片展示并不能完全吸引學(xué)生的注意力，引發(fā)學(xué)生的興趣，全面理解所要研究的問題。而應(yīng)用3D增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可為教學(xué)提供真實(shí)的情境，尤其是在現(xiàn)實(shí)生活中不容易感受到的情境，讓學(xué)生參與其中，發(fā)現(xiàn)教師創(chuàng)設(shè)情境中所要研究的物理問題，完善課堂教學(xué)。例如在進(jìn)行失重的教學(xué)中，教師想讓學(xué)生感受在地球上很難真實(shí)體驗(yàn)到的零重力環(huán)境，就可以通過3D增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)失重環(huán)境實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行互動(dòng)，感受失重條件下物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，學(xué)會(huì)主動(dòng)探索事物的真諦，加深對(duì)知識(shí)的理解。

2.為中學(xué)物理教學(xué)提供沉浸性強(qiáng)的教學(xué)環(huán)境

3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)最顯著的特點(diǎn)之一就是可以將虛擬世界與真實(shí)世界相結(jié)合，為體驗(yàn)者提供沉浸性強(qiáng)的環(huán)境。例如，在進(jìn)行電機(jī)原理的講解中，可以讓學(xué)生通過3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)清楚地觀察到電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、電流的運(yùn)行等（如圖1所示），同時(shí)可以通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將其投影在真實(shí)空間中（如圖2所示），達(dá)到虛擬和現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的目的，使情境更具真實(shí)性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使原本不易見到或抽象難懂的知識(shí)內(nèi)容展現(xiàn)在學(xué)生面前，如磁場(chǎng)的分布，電子的運(yùn)動(dòng)等，有效地促進(jìn)了課堂教學(xué)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

圖1.機(jī)的結(jié)構(gòu)和電流的運(yùn)行

圖2.機(jī)模型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)授課效果圖

3.提高課堂的交互性

3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還可以為學(xué)生提供交互性強(qiáng)的學(xué)習(xí)情境。在教學(xué)的過程中，學(xué)生可以通過電腦屏幕與虛擬世界進(jìn)行交互，與傳統(tǒng)的情境設(shè)置的方法相比，能夠更有效地吸引學(xué)生的注意力，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而進(jìn)行體驗(yàn)式的教學(xué)，如學(xué)生在觀察電機(jī)的同時(shí)，可以自行對(duì)電機(jī)進(jìn)行拆解（如圖3所示），通過真實(shí)的交互式體驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)電機(jī)原理及電機(jī)運(yùn)行機(jī)制的理解。芝加哥大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研究得出，通過互動(dòng)體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生在接觸課堂上體驗(yàn)過的概念時(shí)，會(huì)激發(fā)大腦的感觀和運(yùn)作，學(xué)生可獲得更深層次的理解同時(shí)提高30%的記憶力。

圖3.1 直流電動(dòng)機(jī)及直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分解效果圖

圖3.2 直流電動(dòng)機(jī)及直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分解效果圖

（二）為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有效補(bǔ)充

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)中的定理定律都是通過實(shí)驗(yàn)的方法得到驗(yàn)證，同樣在物理教學(xué)中為體現(xiàn)科學(xué)性、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，物理實(shí)驗(yàn)是必不可少的教學(xué)內(nèi)容之一。但由于課堂教學(xué)的局限性，很多實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是無法完成或是無法讓學(xué)生詳細(xì)觀察到的。而采用3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件的不足。

1.實(shí)現(xiàn)自然條件下無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

在物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有些實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景是無法真實(shí)實(shí)現(xiàn)的，如無重力場(chǎng)景、物體在不同重力場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)，這些實(shí)驗(yàn)過程只能通過動(dòng)畫或教師的講解學(xué)生在頭腦中想象的形式完成，還有一類如無摩擦力的運(yùn)動(dòng)環(huán)境、無空氣阻力的運(yùn)動(dòng)環(huán)境等是通過建立理想模型的方式進(jìn)行探究，從而忽略實(shí)驗(yàn)中的影響因素的。而通過3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以完成以上實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的搭建，引領(lǐng)學(xué)生真實(shí)地體驗(yàn)完全理想化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，增加實(shí)驗(yàn)的可信性及測(cè)量的準(zhǔn)確性。例如在進(jìn)行伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的講解過程中，需要建立理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，即沒有摩擦力和空氣阻力的環(huán)境，傳統(tǒng)的教學(xué)中，單純地采用思想實(shí)驗(yàn)的方式讓學(xué)生體會(huì)牛頓第一定律的驗(yàn)證過程，而加入3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的理想環(huán)境，則可以加深學(xué)生對(duì)牛頓第一定律真諦的理解，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

2.替代過于昂貴、不易建設(shè)的教學(xué)器具

有些實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景搭建起來比較復(fù)雜，需要準(zhǔn)備很多的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行搭建，課前準(zhǔn)備和課堂內(nèi)建設(shè)的時(shí)間均比較長(zhǎng)，這樣的實(shí)驗(yàn)，我們可以通過3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。如，在講解能量守恒的過程中，為了貼近學(xué)生的生活，請(qǐng)同學(xué)們通過3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在虛擬的世界里快速地按照自己的想象搭建出過山車（如圖4所示），搭建出的過山車可以有物體在上面真實(shí)地運(yùn)行，通過不斷地調(diào)試過山車的角度，運(yùn)動(dòng)物體的速度來理解能量守恒定律的本質(zhì)。通過3D增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以縮短前期準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料的時(shí)間，節(jié)約準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料的成本，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中可以自主地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探究，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)自主性和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

圖4.山車搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.回放歷史實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，便于反復(fù)分析探究

在物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有一些場(chǎng)景是不能夠返回去重新觀察的，如運(yùn)動(dòng)中速度的變化情況、力的大小、方向的變化情況、運(yùn)動(dòng)軌跡的顯現(xiàn)等均不能夠重新回去查看。通過3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)完成的實(shí)驗(yàn)，可以無限次的重復(fù)歷史場(chǎng)景，進(jìn)行回查和探究，可以更有效地幫助學(xué)生完成自主探究和體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。如圖5所示為物體的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，可以實(shí)時(shí)地顯示物體的速度、加速度、位移等大小信息，便于學(xué)生分析探究。

圖5.體速度、加速度、位移大小實(shí)時(shí)顯示圖

4.演示危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)，保障教學(xué)安全

教師在進(jìn)行物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，最注重的問題之一就是實(shí)驗(yàn)操作要安全，不能有危險(xiǎn)，這就使有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只能通過教師描述的方式讓學(xué)生在頭腦中想象。如電路電流過大，發(fā)生短路，造成燈泡燒毀的實(shí)驗(yàn)想象（如圖6所示）；又如故障排查類實(shí)驗(yàn)、四軸飛行器故障排查實(shí)驗(yàn)、修好損壞的發(fā)動(dòng)機(jī)。通過3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以沒有任何危險(xiǎn)性地為學(xué)生顯示在教學(xué)中不能為學(xué)生體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)不必消耗任何實(shí)驗(yàn)耗材成本。

圖6.流過大，燈泡燒毀圖

5.展現(xiàn)特殊場(chǎng)景，增強(qiáng)學(xué)生體驗(yàn)效果

在真實(shí)的生活中，大到天體運(yùn)轉(zhuǎn)、小到物體的微觀運(yùn)動(dòng)，都蘊(yùn)含著物理知識(shí)，需要學(xué)生去探索發(fā)現(xiàn)其中的奧秘。在進(jìn)行相應(yīng)知識(shí)的授課過程中，要想讓學(xué)生觀察到真實(shí)的天體運(yùn)行或物體的微觀運(yùn)動(dòng)是教學(xué)中的難點(diǎn)之一。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生通過教師的講解，在頭腦中想象這些場(chǎng)景，完成對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。但通過3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為學(xué)生真實(shí)地展現(xiàn)天體的運(yùn)行和物體的微觀運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生的感官體驗(yàn)。如：日食、月食的形成實(shí)驗(yàn)展示；電子的運(yùn)動(dòng)、分子熱運(yùn)動(dòng)的展示等。

此外，通過3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)還具有可重復(fù)性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)效果明顯、便于學(xué)生觀察、學(xué)生參與度高、自主性強(qiáng)等特點(diǎn)，有效地彌補(bǔ)了現(xiàn)有物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，讓學(xué)生能夠在真實(shí)的問題解決情境中發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

綜上所述，應(yīng)用3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的中學(xué)物理教學(xué)，能夠逼真地設(shè)置教學(xué)和實(shí)驗(yàn)情境，通過沉浸性和交互式的方式讓學(xué)生積極主動(dòng)地參與到問題解決的探究過程中，從而改變教師的教學(xué)手段、教學(xué)方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，從而在問題解決的過程中發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

四、《平拋運(yùn)動(dòng)》課堂實(shí)例展示

《平拋運(yùn)動(dòng)》是人教版《物理》必修二第五章第二節(jié)的內(nèi)容，這一節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)為理解平拋運(yùn)動(dòng)的定義，探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。教學(xué)難點(diǎn)為學(xué)會(huì)用兩個(gè)簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)來等效替代處理物理問題的方法，即可以分解為豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)和水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)的思想。

現(xiàn)有的教學(xué)過程中，教師采用演示實(shí)驗(yàn)與理論推理相結(jié)合的方法引領(lǐng)學(xué)生確立平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但傳統(tǒng)的平拋運(yùn)動(dòng)演示儀，小球運(yùn)動(dòng)速度較快，學(xué)生很難清晰地觀測(cè)到小球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只能通過邏輯推演結(jié)合所觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在頭腦中虛擬出平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)特征。而高一階段的學(xué)生，雖然已經(jīng)具備了較強(qiáng)的抽象邏輯思維，但思維理論性還處于發(fā)展階段，通過細(xì)節(jié)展現(xiàn)不明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，無法在頭腦中建構(gòu)全面的平拋運(yùn)動(dòng)模型，不利于學(xué)生對(duì)事物本質(zhì)現(xiàn)象的探究。為彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)的不足，采用3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為《平拋運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì)設(shè)置了理想的平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，即空間沒有空氣阻力，水平地面沒有摩擦力的理想環(huán)境，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的設(shè)置包括水平平拋運(yùn)動(dòng)儀、水平運(yùn)動(dòng)儀、自由落體運(yùn)動(dòng)儀和3個(gè)相同質(zhì)量等大小的小球（如圖7所示），水平運(yùn)動(dòng)儀和平拋運(yùn)動(dòng)儀在水平方向提供相同大小的力作用在小球上，水平地面沒有摩擦力、空間沒有空氣阻力的作用。同時(shí)釋放三個(gè)小球，讓它們分別作平拋運(yùn)動(dòng)，水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)、豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)。觀察三個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)三個(gè)小球在同一點(diǎn)相碰。再通過回放，如圖7所示，觀察小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析小球的速度及受力的變化情況。

圖7.拋運(yùn)動(dòng)回放圖

通過這樣的3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生全面細(xì)致地觀察到小球的運(yùn)動(dòng)過程，同時(shí)在虛擬的理想實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，避免了摩擦力和空氣阻力對(duì)小球運(yùn)動(dòng)過程帶來的影響，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加符合物理學(xué)規(guī)律，避免了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來的影響，便于學(xué)生抽象出物理模型進(jìn)行學(xué)習(xí)。再通過實(shí)驗(yàn)回查，對(duì)物體運(yùn)動(dòng)軌跡和速度及受力變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察和分析，完成對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)可以分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)的探究。解決了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知困難問題，掌握了等效替代處理物體問題的方法，并通過自主互動(dòng)式的學(xué)習(xí)過程，建構(gòu)了平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)體系。

為進(jìn)一步加深學(xué)生理解平拋運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，設(shè)置了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境無法建構(gòu)的沒有氣體阻力和不同重力場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（地球、月球、土星），帶領(lǐng)學(xué)生探究物體在初速度不同和重力加速度不同的情況下，運(yùn)動(dòng)的變化情況通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，學(xué)生發(fā)現(xiàn)不但改變初速度可以改變物體做平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，改變重力加速度同樣可以改變他們的運(yùn)動(dòng)軌跡，并驗(yàn)證了頭腦中的理論推導(dǎo)，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)的建構(gòu)，培養(yǎng)了應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決真實(shí)世界中問題的能力。

五、小結(jié)

3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為物理教學(xué)提供了新的教學(xué)手段，通過逼真性、沉浸式、交互式強(qiáng)的學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)置，引領(lǐng)學(xué)生在真實(shí)的場(chǎng)景中進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究，經(jīng)過一系列實(shí)踐研究及跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的教師愿意采用虛擬現(xiàn)實(shí)的方式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景更愿意思考，同時(shí)增加了學(xué)生的空間推理能力，在研究的過程中還顯示，學(xué)生更喜歡“做中學(xué)”，能夠激活頭腦中已經(jīng)取得的知識(shí)，思考問題時(shí)也能提出更高層次的互動(dòng)性問題，建構(gòu)更加全面豐富的知識(shí)結(jié)構(gòu)體系?？傊?，3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的使用，為發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生具有終身學(xué)習(xí)和適應(yīng)社會(huì)發(fā)展所需的關(guān)鍵能力和品質(zhì)，為完成新課改的目標(biāo)提供了新的行之有效的手段。但是，在教學(xué)過程中，不能完全依賴于3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，要強(qiáng)調(diào)真實(shí)和虛擬的結(jié)合，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)物展示和真實(shí)場(chǎng)景下可以有效完成的教學(xué)，不需要應(yīng)用3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來完善教學(xué)效果，在教學(xué)過程中要處理好虛擬和真實(shí)的結(jié)合尺度。

注：本文所采用的3D虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為美國(guó)zSpace公司提供的zSpace3D虛擬現(xiàn)實(shí)交互式一體機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，特此感謝。

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