張威明 鄧 飛

(新昌中學，浙江 新昌 312500)

萬有引力定律是牛頓力學的核心內容之一,該定律的提出對我們的日常生活與社會產生巨大影響.在傳統(tǒng)教學中,教師會通過教具、圖片、視頻等教學素材進行知識講解,同時,人教版高中物理教材為了更好地讓學生掌握知識,專門開設了“STS”欄目來列舉航天與生活相關的事例.但這些教學形式還不夠生動、形象、直觀,更缺乏與學生的交互.AR技術運用到教育教學中則能很好地彌補了這些難題.

增強現實技術(Augmented Reality,簡稱 AR),是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像、視頻、3D模型的技術,這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實情景中并進行互動.[1]相比于傳統(tǒng)的“萬有引力與航天”教學,AR技術運用天體物理教學,能幫助學生把日常生活中無法直接接觸的天體放到現實環(huán)境中,讓學生能以上帝視角觀察、研究天體.不僅能化繁為簡,提高教學效率,而且增強了學生的互動體驗,激發(fā)學生探究精神,培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng).

1 AR技術運用于天體物理教學的探索

1.1 教材學情分析

為更好地將AR技術運用于天體物理教學,需要對教材和學情進行深入分析,明確AR技術的使用目的和AR教學設計意圖.

人教版高中物理必修2第6章“萬有引力與航天”是應用了牛頓運動定律的同時,結合了開普勒定律對曲線運動進行的研究.[2]而“行星的運動”作為本章第一節(jié),對全章的教學起著引領作用.該節(jié)的學習重點是開普勒行星運動定律的建立,但是學生對能量知識的缺失以及空間想象能力與物理建模能力的欠缺,再加上學生會認為這是科學家所要研究的,把行星的運動想得過于神秘和高不可攀,在學習這一章時心理上會產生畏難情緒.這些都在一定程度上造成學生學習的困難.

1.2 知識原理剖析

開普勒用了20年的時間研究了老師第谷的行星觀測記錄,歸納出行星運動的三大定律.開普勒第一定律告訴我們所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓,太陽處在橢圓的一個焦點上,說明了行星運動的軌道特征.開普勒第二定律告訴我們對任意一個行星來說,它與太陽的連線在相等的時間內掃過相等的面積,因此行星在近日點運行速度比較大,在遠日點運行速度比較小.開普勒第三定律告訴我們所有行星的軌道的半長軸的3次方跟它的公轉周期的2次方的比值都相等,[3]它蘊含著行星運動的動力學關系,是牛頓得出萬有引力定律的基礎.而實際上行星的軌道與圓十分接近,所以在中學階段按圓軌道處理.這樣便可以說行星的運動軌道是圓,太陽處于圓心處;行星繞太陽做勻速圓周運動;所有行星軌道半徑的3次方跟它的公轉周期的2次方的比值都相等.在這一節(jié)中行星運動模型的建立、修正與發(fā)展的歷史是培養(yǎng)學生科學思維與物理建模的極好材料,因此教師在教學中應予以重視.

1.3 AR設計與應用

為了讓學生可以自主進行實驗方案設計,動手操作整個實驗過程,培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力及學習能力,筆者選擇“物理實驗室”這款APP進行AR教學.在該款軟件中教師與學生可以自由模擬甚至創(chuàng)造星系,不受教材或經驗限制,當然也可以讀取其他人已經開發(fā)好的的星系,如圖1所示.

圖1 天體AR素材庫

圖2 自制太陽系

圖3 通往太陽系的傳送門

筆者根據太陽系內各個天體的運行數據,把行星放在相應的軌道并賦予相應的速度,以此來模擬太陽系的運行,如圖2所示.同時有兩種虛擬與現實結合的方式可供選擇,一種方式是在現實世界中建立一個傳送門,通過傳送門就能進入太陽系進行觀察與研究,如圖3所示.另一種方式是在現實的場景中直接植入太陽系.在學習本章“行星的運動”時,筆者首先載入自己制作的太陽系,為了讓學生手可摘“星辰”,拉近學生與各大天體的距離,筆者選擇了第2種結合方式.同時為了讓學生更好地觀察研究,筆者運用了同屏技術,如圖4所示.

圖4 手可摘“星辰”

接下來學生便可以在教室里對太陽系進行觀察與研究,學生可以看到各大行星繞太陽運動的軌道是橢圓,但是與圓軌道十分接近,太陽處在橢圓的一個焦點上,如圖5甲、乙、丙所示;還發(fā)現行星繞太陽運動時在近日點運行速度比較大,在遠日點運行速度比較小;學生通過秒表與卷尺記錄水星、金星、地球、火星的運行周期與半長軸的長度,如圖6所示.教師則提供在課前測好的木星、土星、天王星、海王星的運行周期與半長軸的長度.為了找出這兩個物理量之間的關系,筆者建議學生把地球的運行周期作為一個時間單位,把地球橢圓軌道的半長軸作為一個長度單位,然后使用計算器算出其它行星的相對周期與相對距離.接下來對數據進行處理,如表1、表2所示,可以發(fā)現在實驗誤差允許的范圍內行星的軌道的半長軸的3次方跟它的公轉周期的2次方的比值是1,因為用的不是國際制單位,所以半長軸的3次方跟它的公轉周期的2次方的比值應該是一個定值.

(甲)

(乙)

(丙)

圖6 數據測量

行星等比例半長軸長度/m等比例周期/s水星0.297.2金星0.4918.5地球0.6830.0火星1.0458.1木星3.54354.1土星6.46885.7天王星12.802508.2海王星19.804902.2

表2 數據處理表

該軟件還可以高精度模擬一些日常生活中不會遇到的一些情景,如太陽突然消失,那么8大行星會怎么運動,這引起了學生激烈的討論.學生討論完之后,筆者把太陽刪除,發(fā)現各大行星幾乎都沿太陽消失時前進的方向做勻速直線運動.

1.4 AR教學反思與改進

8大行星的運行周期跨度非常大,如海王星的運行周期是水星運行周期的684倍.那么水星、金星記錄下的時間較短,而天王星、海王星記錄下的時間非常長,如果全部記錄這樣會降低課堂的效率.“物理實驗室”這款APP可以調節(jié)太陽系的運行速度.但是即使調到最快的速度——現實世界的1年等于虛擬世界的30s,木星、土星、天王星、海王星的周期還是很長,那么建議教師課前去操場上先把這4個行星的數據測好備用.

在這節(jié)課上學生是通過AR技術觀察研究太陽系,推導出了開普勒的三大定律.但是托勒密、哥白尼、第谷、開普勒等科學家是在地球上觀察與研究星空,卻總結出這3大行星運動定律,可以預想到這些科學家探究真理的過程是多么的曲折與艱難.學生更能體會到科學發(fā)現往往是幾代科學家堅持不懈努力的結果,以及科學家們對真理的追求與執(zhí)著.

相比于傳統(tǒng)教學,通過AR技術能較為輕松地研究出一些物理結論,但教師應提醒學生科學先輩們往往是用他們的智慧克服諸多困難之后才有所就,要讓學生感受到真理的探索過程是充滿艱辛,讓科學家的優(yōu)秀意志品質影響學生情感態(tài)度價值觀的養(yǎng)成.

在“萬有引力與航天”的教學中采用AR技術取得良好的教學效果,該技術也可用于其它模塊,如力、聲、電、光、熱、磁等領域均可使用.

2 總結與建議

近年來,隨著AR技術的日趨成熟,在教學中運用AR技術能讓學生能身臨其境去感受那些難呈現、難理解、難觀察的知識,培養(yǎng)學生探究能力,提升學生的物理核心素養(yǎng),豐富了一線物理教師的教學方法.在AR技術應用“萬有引力與航天”的探索過程中,筆者有以下幾點思考.

(1) AR技術不僅適用于天體物理,在研究電場、磁場時,由于場在空間看不見摸不著,使用AR技術后便能將場形象地展示出來.

(2) 教師應該與時俱進,不斷學習,不斷接受新事物.

(3) 在AR教學過程中,應充分發(fā)揮學生的主觀能動性,培養(yǎng)培養(yǎng)學生的觀察能力、探究能力、邏輯思維能力.

(4) 為了保持AR教育的鮮活度,應不斷制作AR素材,制作時應回歸課本,對知識進行深度剖析,制作出與物理課堂相匹配的AR的素材.