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摘要：從用戶需求出發，針對現有物理實驗中所存在的缺陷和問題提出虛實融合的實驗教具開發設計的思路和方法，并以此為基礎，探討虛實融合的電磁感應實驗教具的主要操作方式及主要功能模塊，并探索其推廣模式，這對將虛擬現實技術與物理實驗教學融合在一起有著重要的現實意義。

關鍵詞：虛實融合；電磁感應；實驗虛擬；交互界面

隨著目前教育事業改革的不斷深入研究，我們國家對此逐漸重視并不斷增進這方面的人力、資力等，這使得我們國內許多實驗教學軟硬件設備得到了很大的提高。然而，現在傳統物理實驗儀器及操作流程仍存在不足，約束了學生學習的主觀能動性和積極性，缺少主觀的實驗操作，使得學生無法深入了解并熟練運用知識點進行實驗操作等要求。所以，以此為背景，開發設計一套以物理實驗為基礎的實驗教具便具有十分重要的現實意義。

一、虛實融合的概念

虛實融合技術又稱為虛實現實技術，是指以計算科學為核心的虛擬現實技術是多學科、多方向交叉的新技術，能夠生成近似真實環境視、聽、嗅、觸等感知信息的虛擬環境。基于虛實融合的開放式實驗教學模式倡導以學生為主體，以充分發展學生能力為目的，為培養學生創新性和個性化提供了良好的教育示范。

二、物理實驗的現狀

物理作為一門重要的實驗課程，它所涵蓋的知識信息廣泛而深遠，并且它是以實驗為根基，要求學生能夠結合課本知識或教師傳授內容，熟練運用現有實驗器材快速并準確的完成實驗并理解其原理，這對于拓展學生空間想象力和思維創造性，培養學生獨立思考的能力以及能夠運用所掌握的知識點獨立完成物理實驗具有舉足輕重的作用，但目前的實驗并不樂觀。（1）中學生缺少自主思考、獨立動手的能力，加之束縛在目前被動式的學習中，一時間無法適應以老師教授為輔，學生自主學習的節奏。（2）教學模式故步自封，教學內容創新性少，學生思維能力不足，不懂得靈活變通，使學生喪失對自主實驗的樂趣和興趣，這種教學模式阻斷學生的自主思考能力，缺乏創新性。（3）學習時間固定且不足，實驗教具稀少，學生親自上手進行實驗操作的機會和時間少，只能在現有的45分鐘，甚至更短時間內完成教師所要求實驗內容，這種情況不利于增強學生學習的自主能動性。

三、開發設計理念

電磁學教學中的教具的設計需滿足以下要求。（1）教具制作原理符合電磁感應理論，不可偏移現定理論要求；實驗儀器符合教學要求，在不隨意刪減或改變原有儀器的重要特征的基礎上簡化設備，嘗試增強實驗現象或提高儀器靈敏度。（2）將原來分離的實驗儀器收納整合設計，將所有儀器放置于一起，但又不失美觀，并能很好的體現實驗原理，且方便操作與攜帶、實驗教具的制作原件廉價易得；所設計的實驗器具在整合原有儀器的基礎上，保留儀器的主要功能，并強調學生自己動手操作，注重培養的學生空間思維能力和創新性。（3）所設計的實驗器具結合配套的虛擬交互界面，幫助學生快速進入學習狀態，在趣味中理解并掌握實驗原理。所設計的虛擬交互界面吸取現有市場上類似產品的優點再設計，再創新，操作流程簡單易上手。（4）虛擬交互界面真實還原三維實驗，并利用其獨特的功能及其技巧使用來設計各種形式的教學活動，提高學生學習興趣。

四、實驗教具交互開發設計與研究

針對現階段物理實驗教具的應用與發展情況，在此背景下，研究并開發設計了一套“電磁感應演示儀”，將實驗操作變得形象化且具有可控性。以下是基于虛實融合電磁感應實驗教具項開發設計與研究的整個過程。

（一）教具設計原理電磁感應實驗是人教版初三物理教材某一章節中一個十分重要的實驗，需要學生重點掌握，并且所引申出來的發電機、電動機等實驗都具有十分重要的意義。傳統教學中，一般采用圖1所示裝置進行電磁感應實驗：將線圈放入磁場中（斷開開關），無電流產生；閉合開關，通過將線圈做不同方向的移動來說明通電線圈是否切割磁感線，再結合靈敏電流表指針偏轉與否以及偏轉幅度的大小，進而得出電磁感應結論。然而對于初中生而言，缺乏一定的空間想象力和足夠的理解力，而且磁鐵周圍所存在的磁場是不可見的，對于導電線圈如何運動才能切割磁感線、如何產生電流等問題時常存有困惑。而且用如圖1所示實驗裝置演示導電線圈切割磁感線所產生的現象通過電流表指針偏移來觀察，現象并不明顯，而且存在不可控因素導致誤差。

（二）教具制作概述教具制作包括實體實驗操作、虛擬界面輔助等，是整個系統的核心部分。學生以所設計實體實驗器具為基礎，并以為三維實體實驗器具學習所設計的虛擬學習系統為輔助學習工具，使學生能在自主實驗的過程中，及時接收虛擬交互界面反饋信息，并順利完成實驗，同時虛擬界面能夠將三維實驗中無法展現的磁感線等體現在交互界面上，真正做到虛實融合。1.實體實驗教具開發設計針對實驗中存在的問題以及學生在實驗中發現的困難，本小組將傳統的教具教具優化整合，將原有的實驗儀器優化，并將其收納整合為一整套實驗設備，方便攜帶與實驗操作，很好的解決了原有實驗儀器雜亂、不易攜帶等問題，并且該教具將實驗現象和儀器靈敏度都大大增加，使學生能夠更清楚直接的看到實驗現象。這一實驗設備的突出特點就是摒棄了原有教學模式中學生被動接受的現象，變成實驗的具體操作由學生掌握，這樣大大提高了學生的自主能動性和創新性，同時讓學生在實驗的過程中自行思考“磁感線的方向”、“導體棒如何運動才能切割磁感線產生電流？”等問題，意在鍛煉并提高學生的自主思考能力，充分調動學生的積極性，這是該教具的設計的一個亮點。2.計算機多媒體輔助物理實驗在此實驗中，磁感線和磁場真實存在，但利用所設計的教具進行實驗無法直觀的看出磁場方向和導體棒如何切割磁感線，因此在講授新知的過程中，運用虛擬界面展示實驗并清晰展示實驗結果成了強有力的輔助。通過虛擬的交互界面很好的復刻了實驗流程及實驗現象，使真實現象在實驗的基礎上更形象逼真，直觀性更強，能變靜態為動態、拆分再組合，增大可見度，教師可利用界面再現實驗過程并放大，并以此引導學生進行討論分析，最終得出結論。而且考慮到師生之間的互動和學生的動手能力等，虛擬交互界面和虛擬實驗可以將教科書中出現的一些微小型實驗、高危實驗等呈現到屏幕上，將不可能轉變為可能，為學生營造一種真實的學習環境，使學生能夠切身的體會實驗中的奧秘。這種基于虛實融合的實驗虛擬交互界面的設計可以改善空間、時間等客觀條件，既具有創新性，又具有實用性，大大促進了物理教學的發展。

五、結論

這套實驗設備的設計推廣，還需要從諸多的方面進行不斷的完善，此外，該教具將三維的實驗器材與虛擬交互界面相結合進行教學，并通過同頻傳送的方式將實驗流程等共享給學生，幫助學生更好的理解記憶。而且此教具在大基數上看，在立體空間所產生部分小誤差不會影響試驗效果和試驗結果，可忽略不計。對于實驗的這套基于虛實結合的教具制作，打破了大眾對傳統教學的刻板認知，為實驗課程定義了新的教育信息技術，注入了新靈魂。這種新型教學模式在實驗教學中不僅為教師的實驗教學和指導帶來了便利，更重要的是，改變了學生被動學習的狀態，提高了學生學習主動積極性；并且這也有利于信息化技術與物理學科一體化研究的發展，在我國物理實驗研究方面邁進了一大步。

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作者：趙艷梅 王慧茜 馬蕊 單位：淮陰工學院