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

作者

文_陳明煬、許浩、劉安剛

重慶南開（融僑）中學校

近年來，信息技術(shù)與學科教學融合，利用技術(shù)為教學服務，使教與學更健康高效，智能助力教學成為一個熱點課題。

初中生三維空間想象能力較薄弱，在學習幾何、光學、電路、磁場等較抽象知識時比較吃力，而傳統(tǒng)教具在進行相關(guān)演示實驗時，直觀性或者原理揭示性不強，通常需要教師構(gòu)建模型進一步解釋。若將增強現(xiàn)實技術(shù)與教具相結(jié)合，可在一定程度上彌補傳統(tǒng)實驗的弱項，在真實實驗基礎上，加上增強現(xiàn)實的原理展示輔助，進一步提高直觀性，幫助學生更快突破難點，并建立正確的物理概念，提升教學效果。

設計目的

增強現(xiàn)實教具需要依托實物呈現(xiàn)匹配的增強現(xiàn)實效果，在制作時需根據(jù)識別物進行單獨訂制，在使用時需要與識別圖精確匹配。

目前，市面上優(yōu)質(zhì)增強現(xiàn)實教學資源較少，多數(shù)是以虛擬仿真仿冒，演示時缺少真實器材的現(xiàn)象對應，不適用于物理實驗和新課的演示教學，實用性較低。如找技術(shù)團隊從代碼開始制作，構(gòu)建一套增強現(xiàn)實器材的費用較高，通常需要數(shù)萬元。對于教師而言，教學工具經(jīng)常需要根據(jù)教學目的和對象進行調(diào)整，因此增強現(xiàn)實教具更適合教師個人學會相關(guān)技術(shù)后，根據(jù)教學目的進行個性化制作。

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

設計原則

以真實實驗為基[1]

物理學科是基于真實現(xiàn)象的實驗學科，無論是新授課還是復習課，講解時都不應脫離真實現(xiàn)象，增強現(xiàn)實只是讓學生能更快認識現(xiàn)象背后物理規(guī)律的技術(shù)輔助。

以直觀可視為途

教具最大的價值就是揭示原理，提高教學效率。增強現(xiàn)實教具具備較強的直觀性和便利性，對于傳統(tǒng)實驗難以有效說明的物理原理能進行較為直觀的展示，在一定程度上可讓教學獲得事半功倍的效果。

以易學可調(diào)為魂

教具的增強現(xiàn)實展示效果應降低技術(shù)門檻，可讓教師根據(jù)不同教學目的進行設計調(diào)整，便于因材施教。

以提升教學為核

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

圖 1 傳統(tǒng)課堂授課流程

圖 2 自制增強現(xiàn)實物理教具——條形磁體周圍磁場

制作過程——以增強現(xiàn)實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是從學生作業(yè)中節(jié)選的一幅圖，問題也標于其上，最終的制作目標為：攝像頭拍到該圖時，就能顯示通電螺線管的磁場與極性。

圖3 識別圖范例

為了讓識別更準確，識別圖的選取有嚴格要求。增強現(xiàn)實平臺是通過圖像內(nèi)容的色塊、形狀等細節(jié)確定識別圖的位置和狀態(tài)，應盡量選取銳利、清晰、細節(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、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。具體細節(jié)參數(shù)詳見表1。

步驟2.制作三維模型與動畫——以免費開源軟件為例

①測量并記錄識別圖（目標實物）的長寬等細節(jié)，作為繪制三維圖像的基礎依據(jù)。②利用Blender、3Dmax或3DOne等三維模型設計軟件，基于識別圖制作增強現(xiàn)實效果模型。

若不會三維模型設計，可利用騰訊混元3D、Tripo、Aiuni等人工智能工具等進行三維模型生成，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

增強現(xiàn)實教具的展示效果均通過三維模型及動畫設計和制作實現(xiàn)，在網(wǎng)絡上有很多教程可供參考。

步驟3.賦予實物增強現(xiàn)實效果

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

圖 5 增強現(xiàn)實物理教具——通電螺線管磁場與極性判斷

增強現(xiàn)實教具應用案例

增強現(xiàn)實教具——串聯(lián)與并聯(lián)電路電流可視化

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

特點效果如圖6所示，基于真實實驗，虛實結(jié)合，幫助學生更快理解電流與串聯(lián)電路的特點。

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，用實物器材+手機投屏+教室大屏幕，進行現(xiàn)場展示。

增強現(xiàn)實教具——摩擦起電原理

設計目的用于初中電學的新課教學，幫助學生理解摩擦起電原理、電荷定向移動方向等。

特點效果如圖7所示，基于真實實驗，虛實結(jié)合，幫助學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，用毛皮緩慢摩擦橡膠棒，使橡膠棒帶電，同時手機投屏增強現(xiàn)實效果到大屏幕，進行虛實結(jié)合的原理展示。

增強現(xiàn)實教具——閉合電路的部分導體切割磁感線產(chǎn)生感應電流

設計目的用于初中磁學的新課教學，幫助學生理解什么是切割磁感線運動、感應電流產(chǎn)生的條件、切割方向與磁場方向?qū)Ω袘娏鞣较虻挠绊懙取?/p>

特點效果如圖8所示，基于真實實驗，虛實結(jié)合，幫助學生快速掌握初中電磁感應現(xiàn)象與相關(guān)規(guī)律。

圖 8 閉合電路的部分導體切割磁感線產(chǎn)生感應電流及演示視頻

適用場景教師課堂教學演示。同時手機投屏增強現(xiàn)實效果到大屏幕，進行虛實結(jié)合的原理展示。

增強現(xiàn)實物理書——多媒體教材

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

特點效果如圖9所示，為紙質(zhì)書可視化賦能。

圖 9 融合增強現(xiàn)實效果的多媒體教材樣例

適用場景寒暑假，學生利用手機或平板電腦自學和預習新課。

初中物理增強現(xiàn)實教具的價值

教學價值

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

創(chuàng)意價值

雖然作品利用現(xiàn)有的商業(yè)平臺實現(xiàn)基礎功能，但在作品制作時經(jīng)查新發(fā)現(xiàn)暫無他人將其與教學聯(lián)系起來。相關(guān)作品以初中磁學、電學新授課為基礎，同時還制作了光學系列和熱學系列，均能在傳統(tǒng)實驗基礎上進一步提高可視化程度，增強對物理現(xiàn)象背后原理的展現(xiàn)能力。

推廣價值

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

如圖10所示，截至目前，曾以該系列增強現(xiàn)實教具為主題，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程培訓講座、1次全國網(wǎng)絡沙龍講座。部分參與交流的教師根據(jù)提供的資料，在培訓現(xiàn)場就制作出了增強現(xiàn)實教具樣例，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 增強現(xiàn)實融入物理教學的輻射引領(lǐng)講座

參考文獻

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

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

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

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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