科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)：基于WebAR平臺的初中物理磁學(xué)、電路增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助教具制作

作者

文_陳明煬、許浩、劉安剛

重慶南開（融僑）中學(xué)校

近年來，信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)融合，利用技術(shù)為教學(xué)服務(wù)，使教與學(xué)更健康高效，智能助力教學(xué)成為一個(gè)熱點(diǎn)課題。

初中生三維空間想象能力較薄弱，在學(xué)習(xí)幾何、光學(xué)、電路、磁場等較抽象知識時(shí)比較吃力，而傳統(tǒng)教具在進(jìn)行相關(guān)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，直觀性或者原理揭示性不強(qiáng)，通常需要教師構(gòu)建模型進(jìn)一步解釋。若將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教具相結(jié)合，可在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的弱項(xiàng)，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，加上增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的原理展示輔助，進(jìn)一步提高直觀性，幫助學(xué)生更快突破難點(diǎn)，并建立正確的物理概念，提升教學(xué)效果。

設(shè)計(jì)目的

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具需要依托實(shí)物呈現(xiàn)匹配的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果，在制作時(shí)需根據(jù)識別物進(jìn)行單獨(dú)訂制，在使用時(shí)需要與識別圖精確匹配。

目前，市面上優(yōu)質(zhì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源較少，多數(shù)是以虛擬仿真仿冒，演示時(shí)缺少真實(shí)器材的現(xiàn)象對應(yīng)，不適用于物理實(shí)驗(yàn)和新課的演示教學(xué)，實(shí)用性較低。如找技術(shù)團(tuán)隊(duì)從代碼開始制作，構(gòu)建一套增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)器材的費(fèi)用較高，通常需要數(shù)萬元。對于教師而言，教學(xué)工具經(jīng)常需要根據(jù)教學(xué)目的和對象進(jìn)行調(diào)整，因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具更適合教師個(gè)人學(xué)會相關(guān)技術(shù)后，根據(jù)教學(xué)目的進(jìn)行個(gè)性化制作。

本項(xiàng)目以初中物理磁學(xué)、電學(xué)這兩個(gè)相對抽象的知識概念為例，用低技術(shù)門檻方式，制作一系列增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化物理教具，方便教師教學(xué)和學(xué)生課后自主探究。

設(shè)計(jì)原則

以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基[1]

物理學(xué)科是基于真實(shí)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)學(xué)科，無論是新授課還是復(fù)習(xí)課，講解時(shí)都不應(yīng)脫離真實(shí)現(xiàn)象，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)只是讓學(xué)生能更快認(rèn)識現(xiàn)象背后物理規(guī)律的技術(shù)輔助。

以直觀可視為途

教具最大的價(jià)值就是揭示原理，提高教學(xué)效率。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具具備較強(qiáng)的直觀性和便利性，對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以有效說明的物理原理能進(jìn)行較為直觀的展示，在一定程度上可讓教學(xué)獲得事半功倍的效果。

以易學(xué)可調(diào)為魂

教具的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示效果應(yīng)降低技術(shù)門檻，可讓教師根據(jù)不同教學(xué)目的進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，便于因材施教。

以提升教學(xué)為核

以初中磁學(xué)的新授課為例，如圖1所示，教師一般先通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)象探究和歸納，再構(gòu)建模型與事實(shí)進(jìn)行印證，幫助學(xué)生建立概念。但初中生在建立磁場概念時(shí)，想象磁感線的空間分布存在一定困難，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)用于輔助物理實(shí)驗(yàn)，使磁感線變得直觀（圖2），有助于提升教學(xué)效果。

圖 1 傳統(tǒng)課堂授課流程

圖 2 自制增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)物理教具——條形磁體周圍磁場

制作過程——以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)識別通電螺線管極性為例

步驟1.選定識別圖或識別物

圖3是從學(xué)生作業(yè)中節(jié)選的一幅圖，問題也標(biāo)于其上，最終的制作目標(biāo)為：攝像頭拍到該圖時(shí)，就能顯示通電螺線管的磁場與極性。

圖3 識別圖范例

為了讓識別更準(zhǔn)確，識別圖的選取有嚴(yán)格要求。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺是通過圖像內(nèi)容的色塊、形狀等細(xì)節(jié)確定識別圖的位置和狀態(tài)，應(yīng)盡量選取銳利、清晰、細(xì)節(jié)豐富、高對比度的圖像作為識別圖，不選過高、過寬、內(nèi)容簡單重復(fù)、大色塊多、空白太多、模糊的識別圖，從而增加識別的穩(wěn)定性。具體細(xì)節(jié)參數(shù)詳見表1。

步驟2.制作三維模型與動畫——以免費(fèi)開源軟件為例

①測量并記錄識別圖（目標(biāo)實(shí)物）的長寬等細(xì)節(jié)，作為繪制三維圖像的基礎(chǔ)依據(jù)。②利用Blender、3Dmax或3DOne等三維模型設(shè)計(jì)軟件，基于識別圖制作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果模型。

若不會三維模型設(shè)計(jì)，可利用騰訊混元3D、Tripo、Aiuni等人工智能工具等進(jìn)行三維模型生成，或者在“打印啦”等3D模型網(wǎng)站中下載現(xiàn)有模型進(jìn)行修改，最終成品如圖4所示。

圖 4 通電螺線管的磁場繪制

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具的展示效果均通過三維模型及動畫設(shè)計(jì)和制作實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)上有很多教程可供參考。

步驟3.賦予實(shí)物增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果

利用WebAR平臺Kivicube，將制作好的三維模型導(dǎo)入場景中，并將三維模型移動到識別圖的對應(yīng)位置。通過縮放、旋轉(zhuǎn)等模型操作功能進(jìn)行調(diào)整。作品調(diào)整好后，將獲得觀看二維碼，用手機(jī)等智能設(shè)備掃描，即可進(jìn)入識別網(wǎng)頁。允許使用攝像頭后，將攝像頭對準(zhǔn)識別圖，進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具使用，其效果如圖5所示。

圖 5 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)物理教具——通電螺線管磁場與極性判斷

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具應(yīng)用案例

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具——串聯(lián)與并聯(lián)電路電流可視化

設(shè)計(jì)目的用于初中電學(xué)的新課教學(xué)，幫助學(xué)生理解在串聯(lián)電路中電荷是如何定向移動形成電流，為什么串聯(lián)電路中一個(gè)開關(guān)控制所有用電器等。

特點(diǎn)效果如圖6所示，基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合，幫助學(xué)生更快理解電流與串聯(lián)電路的特點(diǎn)。

圖 6 串聯(lián)與并聯(lián)電路電流可視化及演示視頻

適用場景教師課堂教學(xué)，用實(shí)物器材+手機(jī)投屏+教室大屏幕，進(jìn)行現(xiàn)場展示。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具——摩擦起電原理

設(shè)計(jì)目的用于初中電學(xué)的新課教學(xué)，幫助學(xué)生理解摩擦起電原理、電荷定向移動方向等。

特點(diǎn)效果如圖7所示，基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合，幫助學(xué)生更快理解摩擦起電原理。

圖 7 摩擦起電原理及演示視頻

適用場景教師課堂教學(xué)，用毛皮緩慢摩擦橡膠棒，使橡膠棒帶電，同時(shí)手機(jī)投屏增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果到大屏幕，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的原理展示。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具——閉合電路的部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流

設(shè)計(jì)目的用于初中磁學(xué)的新課教學(xué)，幫助學(xué)生理解什么是切割磁感線運(yùn)動、感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件、切割方向與磁場方向?qū)Ω袘?yīng)電流方向的影響等。

特點(diǎn)效果如圖8所示，基于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合，幫助學(xué)生快速掌握初中電磁感應(yīng)現(xiàn)象與相關(guān)規(guī)律。

圖 8 閉合電路的部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流及演示視頻

適用場景教師課堂教學(xué)演示。同時(shí)手機(jī)投屏增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果到大屏幕，進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的原理展示。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)物理書——多媒體教材

設(shè)計(jì)目的這一用法雖在其他科目的書籍中已有運(yùn)用，但教師可根據(jù)需要，靈活修改顯示內(nèi)容，幫助學(xué)生在寒暑假自學(xué)。

特點(diǎn)效果如圖9所示，為紙質(zhì)書可視化賦能。

圖 9 融合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果的多媒體教材樣例

適用場景寒暑假，學(xué)生利用手機(jī)或平板電腦自學(xué)和預(yù)習(xí)新課。

初中物理增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具的價(jià)值

教學(xué)價(jià)值

本系列增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具，以其獨(dú)特的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果，給物理教學(xué)帶來了新的樣貌，可視化強(qiáng)、不脫離實(shí)際現(xiàn)象、技術(shù)門檻低，提升了課堂教學(xué)效果，也給物理教師備課提供了更多選擇。

創(chuàng)意價(jià)值

雖然作品利用現(xiàn)有的商業(yè)平臺實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能，但在作品制作時(shí)經(jīng)查新發(fā)現(xiàn)暫無他人將其與教學(xué)聯(lián)系起來。相關(guān)作品以初中磁學(xué)、電學(xué)新授課為基礎(chǔ)，同時(shí)還制作了光學(xué)系列和熱學(xué)系列，均能在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高可視化程度，增強(qiáng)對物理現(xiàn)象背后原理的展現(xiàn)能力。

推廣價(jià)值

作品的制作流程并不復(fù)雜，可以向其他教師推廣制作經(jīng)驗(yàn)，從而提升本校及區(qū)域教育的數(shù)字化水平，以點(diǎn)帶面促進(jìn)教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

如圖10所示，截至目前，曾以該系列增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具為主題，受邀開展過2次區(qū)級講座、1次重慶市區(qū)縣級國培和市級國培講座、1次云南省國培講座、1次新疆高中物理暑期遠(yuǎn)程培訓(xùn)講座、1次全國網(wǎng)絡(luò)沙龍講座。部分參與交流的教師根據(jù)提供的資料，在培訓(xùn)現(xiàn)場就制作出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具樣例，其他教師也均有良好的反饋，表明教師對這類教具有興趣和需求，可推廣程度高。

圖 10 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)融入物理教學(xué)的輻射引領(lǐng)講座

參考文獻(xiàn)

[1]聶鑫,李甦.AR教育資源支持下的初中物理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J]. 教學(xué)與管理，2022（6）：94-96.

[本文系重慶市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度一般課題（課題批準(zhǔn)號K23YG1090042）與重慶市南岸區(qū)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度重點(diǎn)課題（課題編號2022-A-009）的研究成果之一]

該項(xiàng)目獲得第 38 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)

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來源 | 《中國科技教育》2025-02

編輯 | 孟想

審校 | 若惜、朱志安