平抛运动虚实融合实验平台设计文献综述

一、文献综述

（一）国内外研究现状

近年来，信息技术与高中实验课程的教学融合越来越被广大教师与教育部门所重视。自从信息技术快速发展后网络资源越来越丰富，给教师开展相关课程的教育提供更多创新与应用的空间。段斌认为合理运用信息技术有利于改变传统教育存在的弊端，激发学生的学习热情，以教学内容为基础开展拓展性实验教学，有利于丰富学生的知识，提高其物理综合素养^[6]。所以在当前背景下，为实现教学相长的目标广大教师应促进信息技术与高中物理实验的在一定程度上的融合，从而提高实验教学效率。同时，物理学这门学科离不开实验的基础，受到一定程度的实验条件限制，导致某些实验在教学中难以完成。对实验的信息化与数字化改进，将是对教学过程中某些缺失的真实实验的有效补充。在高中物理课程教学中力学模块对各种运动研究是教学的重点与难点。

在国外，信息技术在教育中的应用大致经历了三个阶段，最初为CAI（计算机辅助教学阶段），此阶段主要体现为运用计算机进行大量运算，展示图片动画以帮助教师突破重难点，大多以课件演示为主。第二阶段为CAL（计算机辅助学习阶段），利用计算机辅助学生进行自主学习，如搜集资料、讨论交流、制定安排学习计划等。第三阶段为IITC（信息技术与课程整合阶段），在辅助教学的基础上，更强调营造良好的学习环境。

目前国外关于信息技术辅助高中物理教学的研究主要在于资源平台的搭建与新兴技术的创新应用。

从2001年的美国麻省理工学院的“开放课件”开始，越来越多的国家开始重视教学资源的开发与平台搭建。如美国学校教学资源库 Hippo Campus 网站，其教学内容广泛，涵盖小学到大学的全班课程资源，中学相关的教学资源占比最多。还有萨尔曼·可汗创立的可汗学院（Khan Academy）收入了关于物理、天文领域的教学视频超2000段。欧美国家非常重视各种技术尤其是信息技术在教学中的应用，其近几年的教学改革实践无不体现了教育信息化的重要作用，涌现出如交互式电子白板、电子书包、学科工具软件、虚拟现实技术等。以此来看，在国外利用信息技术支持教育教学变革与创新的观点已得到普遍认同。

使用合适的软件工具可更清晰的描述运动的过程，更直观的获取实验的数据。对力学中各种运动的仿真模拟与数据获取这一方面来说，使用Algodoo 软件能够切实地提高高中物理教学效益。在力学的仿真实验上Algodoo可以模拟大多数的运动，如匀变速直线运动、平抛运动、天体运动、分子热运动等，用虚拟实验对物理教学中缺失的实验进行弥补。乔永海认为虚拟实验具有省时间、效果显著等优势，但它毕竟不是真实实验，在条件许可的情况下，能做的实验依然要动手完成^[7]。

平抛运动是高中《物理·必修二》中的重点内容，平抛运动实验是中学物理最基本的实验，因受限制于平抛运动实验仪器，实验效果不佳同时实验现象不明显。石勇将教材中常见的三种实验器材的缺陷总结为“小球体积太大无法准确定位”，并提出了一种水流平抛运动仪器，选用一股连续的细小水流平抛代替小球平抛^[9]。彭钟樊等将教课版高中《物理·必修二》中的平抛运动的演示实验的不足之处总结为三点，一为实验演示过程短，二为实验结果不能充分证明已有结论，三为无法直接得到平抛运动轨迹，他们同样以水流平抛代替小球平抛，并结合线性激光器和环形磁铁来精确定位平抛轨迹的坐标点^[11]。上述两种改进方案均为在已有的平抛运动仪器上进行改进，优化实验操作，凸显实验现象，并未与计算机技术相结合，仍为较传统的平抛运动仪器。

运用增强现实的思想与技术可以对传统的教学实验流程进行优化，由此可将难以观察的实验现象以更加明显的方式呈现出来。以显示设备作为区分依据可以将增强现实技术（AR）分为三类：一头戴式AR，手持式AR，空间式AR。头戴式AR又称光学式AR，即是把光学组合器放置在用户眼睛的前方，该组合器一般由两部分组成，一部分是透光的，用于显示现实环境的画面，另一部分是可反射的，用于显示虚拟信息。眼镜内部的投影仪将虚拟信息投射到光学组合器上，组合器将虚拟信息反射到用户眼里，由此实现了现实画面和虚拟信息的叠加；二手持式AR，又称移动式AR，即以智能手机或平板电脑为显示设备，将摄像头中真实环境的画面与虚拟信息叠加到显示屏上，由于智能手机的广泛普及和便利性，手持式增强现实为为目前AR应用领域的主流；三空间式AR，以现实空间为基础，辅以各种设备，如投影仪、摄像机、计算机等，最终呈现出虚实融合效果的技术。

相较于头戴式AR与手持式AR，空间增强现实（SAR）将用户与显示设备分离开，有效地减少用户操作时的交互负载与认知负荷。基于显示方式，又可以将SAR分为三类，基于显示屏的视频穿透显示、空间光学穿透显示和基于投影的空间显示。基于投影的空间显示使用投影仪将画面投射到现实物体上，由摄像头捕捉用户的动作并响应用户的操作。