探讨VR和AR技术在初中物理教学中的应用前景
杨梦琪 陈红
摘要：基于美国教育心理学家加涅的学习条件理论，探讨虚拟现实技术和增强现实技术在初中物理实验教学和概念教学中的应用前景，将新技术融入物理课堂而促进教学。
关键词：虚拟现实技术；增强现实技术；初中物理教学；应用前景
前言
笔者作为一名一线初中物理教师，深切地感受到学生对于新技术融入课堂的热情和期待，但由于教师几乎没有直接参与技术开发，致使新技术的开发者不能准确把握教学需求，导致新技术融入课堂的进程十分缓慢，无法满足学生的学习需求。如图1体现了学生学习需求和成熟技术之间的相互需求。在本文中，笔者通过探讨vR技术在初中物理实验教学和AR技术在初中物理概念教学中的应用前景，以呼吁更多的物理教师关注新技术，并且将新技术融人日常课堂以促进教学。
1基本概念和理论
1.1虚拟现实技术（virtual Reality）
利用信息技术手段构造虚拟3D环境，形成与某一范围的真实环境完全一致的数字化环境，外界的用户则以某种手段进入虚拟环境中，与虚拟空间中的事物进行交互，彼此影响。
1.2增强现实技术（Augmented Reality）
同样是利用信息技术手段进行虚拟环境或者事物的构建，但与VR不同的是，AR是将虚拟环境或事物实时叠加到真实环境或事物上去，进行虚实结合，允许用户既感知虚拟的世界，也看到真实的世界。
如图2所示，常与虚拟现实技术和增强现实技术同时提到的还有增强虚拟（Augmented Virtuality）技术和混合实境（Mixed Reality）技术。
1.3学习的条件理论
根据加涅《学习的条件与教学论》中提出的观点：教学事件是在学习的连续阶段中作为呈现给学习者的刺激而加以计划的。这些外部事件的目的就是要激活、支持和维持学习的内部过程，如图3所示。设计者在牢记学习情境的同时，还要对媒体做出选择，使之完成传输教学内容的功能。
该理论认为：学校不是给予学生动机，而是为研究和学习安排条件。问题主要不是“获得”新的动机，而是如何以一种能显示能力并体验效能感的方式来有条理地安排学习的情境。因此，可以预期，如果能够应用虚拟现实（VR）技术和增强现实（AR）技术创造原本难以创造的学习条件，就可以实现原本难以广泛实现的学习结果。对内在学习动机不强的学生，刺激效果尤其显著。
2虚拟现实（VR）技术在初中物理实验教学中的应用前景
笔者根据初中物理教学规律，结合VR和AR的应用技术，认为VR技术更适合应用于初中物理实验教学中，AR技术更适合应用于初中物理概念教学中。以《义务教育物理课程标准》（2011年版）中所例举的部分科学内容为例，探讨虚拟现实（VR）技术在针对课堂上难以呈现的，但对培养物理学科素养，发展物理学科思维至关重要的实验教学内容的应用前景。
2.1案例1牛顿第一定律
牛顿第一定律的实验基础是伽利略的理想实验，如图4所示，这个实验的条件是无法实现的，因为在现实中，永远也无法将摩擦力完全消除掉。爱因斯坦认为：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”
在课堂上如果能够通过VR技术，让学生进入计算机的仿真模拟实验空间，那么学生对理想实验的精髓理解会更深刻。首先模拟斜面存在摩擦力的情况，让学生体验到小球在有摩擦力存在时，小球的运动状态，即小球无法到达与原来释放位置的同一高度：随着软件的设置，摩擦力逐渐减小，小球将越来越接近到达与原来释放位置的同一高度：最后模拟摩擦力消失的情况，学生很自然的就能联想到小球会到达与原来释放位置的同一高度。这就是理想实验的精要：实验加推理。再在上述理想实验的基础上，逐渐减小斜面的倾斜程度，最终至水平，学生也很容易联想到，在没有摩擦的水平面上，小球将做匀速直线运动。眼前的仿真模拟实验现象与学生的推理一致，则更能加深学生的认知。
通过VR技术展现理想实验，对学生认识力与运动的关系，突破“力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因”这个让人类误解了一千多年的基本规律，有重要帮助。
2.2案例2探究流体压强与流速的关系
流体指气体和液体。在流体中有一个基本规律：流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。如图5所示，飞机就是依靠这向上和向下的压力差获得升力的。我们可以借助风洞实验模型，向学生展示飞机飞起来的样子，但是因为风是看不见的，仍然没有办法展现为什么飞机能够飞起来。设想学生可以在VR场景下，体验不同的压强差下造成的飞机起落，甚至比亲自去坐飞机，更容易明白飞机为什么能飞起来的原理。
2.3案例3探究真空不能传声和声音是以声波的形式传播
如图6所示，探究真空不能传声是《义务教育物理课程标准》（2011年版）中的一个必做实验，但由于学校实验室的抽气设备不够先进，实验条件要求比较苛刻，很多老师在做这个实验时的现象都不太理想。如果能够用到VR技术模拟真空不能传声的实验，要比课堂上的现象不明显的实验更具有说服力，有利于学生对知识点掌握。
声音是以声波的形式传播的则是声现象这一章节中的一个难点，难点在于声波的抽象性。初二学生的思维方式正由形象思维逐渐向抽象思维过度，而看不见的声波对学生来说无疑是个挑战。课堂上，物理老师往往会使用示波器将看不见的声波显示出来，但示波器是经过数字转化的，很多学生往往仍旧是一头雾水。如果可以通过VR技术呈现声波的形成过程，无疑是可以将抽象思维形象化，有利于学生对声波的理解。通过VR技术仿真模拟物体振动时会引起振动体周围的空气（介质）形成疏密相间的分布，在VR场景中，可以实现空气的可视化，这也突破了现实生活中空氣看不见的这一教学难点。随着振动体的持续振动，振动情况就会以疏密相间的形式由近及远地传播开，这就形成了声波。
3增强现实（AR）技术在初中物理概念教学中的应用前景
VR技术需要较高的资金和技术门槛，课程资源开发的成本较高，而AR技术更适合目前学校教学实际条件，更有可能在短期内实现由一线教师自己设计素材，实现增强现实技术进课堂。下面同样以《义务教育物理课程标准》（2011年版）中所例举的部分科学内容为例，探讨增强现实（AR）技术在初中物理概念教学内容上的应用前景。
3.1案例4原子结构模型
假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话可以传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来传达最多的信息呢？理查德，费曼认为：一切都由原子构成，这就是关键性的假设。
对于初二的学生，微观世界的原子结构无疑是难以理解的，学生可以通过光学显微镜观察到微观的细胞结构，但却无法观察到原子的结构，学校更是没有条件也没有必要提供电子隧道扫描仪来实现观察原子，所以通过AR技术建立起来的原子结构三维立体仿真模型就显得尤为重要了。通过这个三维仿真模型，学生可以清楚的认识到原子的以下特征：
（1）原子大小。如果把一个苹果和地球相比，那么苹果中的一个原子的大小，就相当于地球上的一个苹果。
（2）构成原子的原子核和电子都在永不停息地做无规则运动。虽然电子有它固定的轨道，但电子不会一定出现在某一个位置，那只不过是一种概率。
（3）当距离靠近，超过平衡点，两个原子之间斥力超过引力：当距离变远，超过平衡点，两个原子之间引力超过斥力。
3.2案例5内燃机的冲程
四冲程内燃机的四个冲程是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。四冲程内燃机做功冲程中，发生能量转化的冲程是压缩冲程和做功冲程。压缩冲程是把机械能转化为内能，做功冲程是把内能转化为机械能。
以往教学中用多媒体动画模拟来展现这四冲程，学生可以理解其中的能量转化过程。但存在一个极大的问题是，学生难以在三维空间想象内燃机的工作原理，所以仍然是跟现实脱节的。
利用AR技术，学生进入虚拟三维空间：面前一辆完整的汽车开始拆解，进入汽油机，然后观察汽油机的构造，慢速播放四个冲程发生过程，并配有相应的互动环节，以检测学生对相应知识的掌握情况，达到标准后，界面缩小退出，看到的是一辆飞驰的汽车。这样的设计无疑可以增加学生的学习乐趣，以兴趣为激发点，可能会有学生暗下决心，要做汽车设计师。
总结
在信息技术爆炸式发展的今天，如何让“互联网+教育”的跨界组合燃烧出真正价值，应用包括虚拟现实技术和增强现实技术在内的新技术服务于人的培养，是教育者的责任。
不应该忘记的是。人应该把握和主导技术应用的领域。现有条件能做的真实实验，不需要耗费力量通过VR和AR技术来实现。把VR和AR技术应用于目前课堂中难以实现的学习条件的提供，VR和AR技术才有价值，比如：
（1）理想环境下才能实现的内容。
（2）不安全不适合亲手操作但是意义重大的内容。
（3）过于微观或过于宏观的内容。
（4）现实中肉眼无法看见的内容。
希望更多教育工作者热情拥抱虚拟现实技术和增强现实技术等新兴技术，加速新兴技术落地，促进学校教育多元发展，探索學校教育可能性，培养出面向现代化，面向世界，面向未来的人。
摘要：基于美国教育心理学家加涅的学习条件理论，探讨虚拟现实技术和增强现实技术在初中物理实验教学和概念教学中的应用前景，将新技术融入物理课堂而促进教学。
关键词：虚拟现实技术；增强现实技术；初中物理教学；应用前景
前言
笔者作为一名一线初中物理教师，深切地感受到学生对于新技术融入课堂的热情和期待，但由于教师几乎没有直接参与技术开发，致使新技术的开发者不能准确把握教学需求，导致新技术融入课堂的进程十分缓慢，无法满足学生的学习需求。如图1体现了学生学习需求和成熟技术之间的相互需求。在本文中，笔者通过探讨vR技术在初中物理实验教学和AR技术在初中物理概念教学中的应用前景，以呼吁更多的物理教师关注新技术，并且将新技术融人日常课堂以促进教学。
1基本概念和理论
1.1虚拟现实技术（virtual Reality）
利用信息技术手段构造虚拟3D环境，形成与某一范围的真实环境完全一致的数字化环境，外界的用户则以某种手段进入虚拟环境中，与虚拟空间中的事物进行交互，彼此影响。
1.2增强现实技术（Augmented Reality）
同样是利用信息技术手段进行虚拟环境或者事物的构建，但与VR不同的是，AR是将虚拟环境或事物实时叠加到真实环境或事物上去，进行虚实结合，允许用户既感知虚拟的世界，也看到真实的世界。
如图2所示，常与虚拟现实技术和增强现实技术同时提到的还有增强虚拟（Augmented Virtuality）技术和混合实境（Mixed Reality）技术。
1.3学习的条件理论
根据加涅《学习的条件与教学论》中提出的观点：教学事件是在学习的连续阶段中作为呈现给学习者的刺激而加以计划的。这些外部事件的目的就是要激活、支持和维持学习的内部过程，如图3所示。设计者在牢记学习情境的同时，还要对媒体做出选择，使之完成传输教学内容的功能。
该理论认为：学校不是给予学生动机，而是为研究和学习安排条件。问题主要不是“获得”新的动机，而是如何以一种能显示能力并体验效能感的方式来有条理地安排学习的情境。因此，可以预期，如果能够应用虚拟现实（VR）技术和增强现实（AR）技术创造原本难以创造的学习条件，就可以实现原本难以广泛实现的学习结果。对内在学习动机不强的学生，刺激效果尤其显著。
2虚拟现实（VR）技术在初中物理实验教学中的应用前景
笔者根据初中物理教学规律，结合VR和AR的应用技术，认为VR技术更适合应用于初中物理实验教学中，AR技术更适合应用于初中物理概念教学中。以《义务教育物理课程标准》（2011年版）中所例举的部分科学内容为例，探讨虚拟现实（VR）技术在针对课堂上难以呈现的，但对培养物理学科素养，发展物理学科思维至关重要的实验教学内容的应用前景。
2.1案例1牛顿第一定律
牛顿第一定律的实验基础是伽利略的理想实验，如图4所示，这个实验的条件是无法实现的，因为在现实中，永远也无法将摩擦力完全消除掉。爱因斯坦认为：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”
在课堂上如果能够通过VR技术，让学生进入计算机的仿真模拟实验空间，那么学生对理想实验的精髓理解会更深刻。首先模拟斜面存在摩擦力的情况，让学生体验到小球在有摩擦力存在时，小球的运动状态，即小球无法到达与原来释放位置的同一高度：随着软件的设置，摩擦力逐渐减小，小球将越来越接近到达与原来释放位置的同一高度：最后模拟摩擦力消失的情况，学生很自然的就能联想到小球会到达与原来释放位置的同一高度。这就是理想实验的精要：实验加推理。再在上述理想实验的基础上，逐渐减小斜面的倾斜程度，最终至水平，学生也很容易联想到，在没有摩擦的水平面上，小球将做匀速直线运动。眼前的仿真模拟实验现象与学生的推理一致，则更能加深学生的认知。
通过VR技术展现理想实验，对学生认识力与运动的关系，突破“力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因”这个让人类误解了一千多年的基本规律，有重要帮助。
2.2案例2探究流体压强与流速的关系
流体指气体和液体。在流体中有一个基本规律：流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。如图5所示，飞机就是依靠这向上和向下的压力差获得升力的。我们可以借助风洞实验模型，向学生展示飞机飞起来的样子，但是因为风是看不见的，仍然没有办法展现为什么飞机能够飞起来。设想学生可以在VR场景下，体验不同的压强差下造成的飞机起落，甚至比亲自去坐飞机，更容易明白飞机为什么能飞起来的原理。
2.3案例3探究真空不能传声和声音是以声波的形式传播
如图6所示，探究真空不能传声是《义务教育物理课程标准》（2011年版）中的一个必做实验，但由于学校实验室的抽气设备不够先进，实验条件要求比较苛刻，很多老师在做这个实验时的现象都不太理想。如果能够用到VR技术模拟真空不能传声的实验，要比课堂上的现象不明显的实验更具有说服力，有利于学生对知识点掌握。
声音是以声波的形式传播的则是声现象这一章节中的一个难点，难点在于声波的抽象性。初二学生的思维方式正由形象思维逐渐向抽象思维过度，而看不见的声波对学生来说无疑是个挑战。课堂上，物理老师往往会使用示波器将看不见的声波显示出来，但示波器是经过数字转化的，很多学生往往仍旧是一头雾水。如果可以通过VR技术呈现声波的形成过程，无疑是可以将抽象思维形象化，有利于学生对声波的理解。通过VR技术仿真模拟物体振动时会引起振动体周围的空气（介质）形成疏密相间的分布，在VR场景中，可以实现空气的可视化，这也突破了现实生活中空氣看不见的这一教学难点。随着振动体的持续振动，振动情况就会以疏密相间的形式由近及远地传播开，这就形成了声波。
3增强现实（AR）技术在初中物理概念教学中的应用前景
VR技术需要较高的资金和技术门槛，课程资源开发的成本较高，而AR技术更适合目前学校教学实际条件，更有可能在短期内实现由一线教师自己设计素材，实现增强现实技术进课堂。下面同样以《义务教育物理课程标准》（2011年版）中所例举的部分科学内容为例，探讨增强现实（AR）技术在初中物理概念教学内容上的应用前景。
3.1案例4原子结构模型
假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话可以传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来传达最多的信息呢？理查德，费曼认为：一切都由原子构成，这就是关键性的假设。
对于初二的学生，微观世界的原子结构无疑是难以理解的，学生可以通过光学显微镜观察到微观的细胞结构，但却无法观察到原子的结构，学校更是没有条件也没有必要提供电子隧道扫描仪来实现观察原子，所以通过AR技术建立起来的原子结构三维立体仿真模型就显得尤为重要了。通过这个三维仿真模型，学生可以清楚的认识到原子的以下特征：
（1）原子大小。如果把一个苹果和地球相比，那么苹果中的一个原子的大小，就相当于地球上的一个苹果。
（2）构成原子的原子核和电子都在永不停息地做无规则运动。虽然电子有它固定的轨道，但电子不会一定出现在某一个位置，那只不过是一种概率。
（3）当距离靠近，超过平衡点，两个原子之间斥力超过引力：当距离变远，超过平衡点，两个原子之间引力超过斥力。
3.2案例5内燃机的冲程
四冲程内燃机的四个冲程是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程。四冲程内燃机做功冲程中，发生能量转化的冲程是压缩冲程和做功冲程。压缩冲程是把机械能转化为内能，做功冲程是把内能转化为机械能。
以往教学中用多媒体动画模拟来展现这四冲程，学生可以理解其中的能量转化过程。但存在一个极大的问题是，学生难以在三维空间想象内燃机的工作原理，所以仍然是跟现实脱节的。
利用AR技术，学生进入虚拟三维空间：面前一辆完整的汽车开始拆解，进入汽油机，然后观察汽油机的构造，慢速播放四个冲程发生过程，并配有相应的互动环节，以检测学生对相应知识的掌握情况，达到标准后，界面缩小退出，看到的是一辆飞驰的汽车。这样的设计无疑可以增加学生的学习乐趣，以兴趣为激发点，可能会有学生暗下决心，要做汽车设计师。
总结
在信息技术爆炸式发展的今天，如何让“互联网+教育”的跨界组合燃烧出真正价值，应用包括虚拟现实技术和增强现实技术在内的新技术服务于人的培养，是教育者的责任。
不应该忘记的是。人应该把握和主导技术应用的领域。现有条件能做的真实实验，不需要耗费力量通过VR和AR技术来实现。把VR和AR技术应用于目前课堂中难以实现的学习条件的提供，VR和AR技术才有价值，比如：
（1）理想环境下才能实现的内容。
（2）不安全不适合亲手操作但是意义重大的内容。
（3）过于微观或过于宏观的内容。
（4）现实中肉眼无法看见的内容。
希望更多教育工作者热情拥抱虚拟现实技术和增强现实技术等新兴技术，加速新兴技术落地，促进学校教育多元发展，探索學校教育可能性，培养出面向现代化，面向世界，面向未来的人。
