科技教育创新成果一等奖：基于WebAR平台的初中物理磁学、电路增强现实辅助教具制作

作者

文_陈明炀、许浩、刘安刚

重庆南开（融侨）中学校

近年来，信息技术与学科教学融合，利用技术为教学服务，使教与学更健康高效，智能助力教学成为一个热点课题。

初中生三维空间想象能力较薄弱，在学习几何、光学、电路、磁场等较抽象知识时比较吃力，而传统教具在进行相关演示实验时，直观性或者原理揭示性不强，通常需要教师构建模型进一步解释。若将增强现实技术与教具相结合，可在一定程度上弥补传统实验的弱项，在真实实验基础上，加上增强现实的原理展示辅助，进一步提高直观性，帮助学生更快突破难点，并建立正确的物理概念，提升教学效果。

设计目的

增强现实教具需要依托实物呈现匹配的增强现实效果，在制作时需根据识别物进行单独订制，在使用时需要与识别图精确匹配。

目前，市面上优质增强现实教学资源较少，多数是以虚拟仿真仿冒，演示时缺少真实器材的现象对应，不适用于物理实验和新课的演示教学，实用性较低。如找技术团队从代码开始制作，构建一套增强现实器材的费用较高，通常需要数万元。对于教师而言，教学工具经常需要根据教学目的和对象进行调整，因此增强现实教具更适合教师个人学会相关技术后，根据教学目的进行个性化制作。

本项目以初中物理磁学、电学这两个相对抽象的知识概念为例，用低技术门槛方式，制作一系列增强现实可视化物理教具，方便教师教学和学生课后自主探究。

设计原则

以真实实验为基[1]

物理学科是基于真实现象的实验学科，无论是新授课还是复习课，讲解时都不应脱离真实现象，增强现实只是让学生能更快认识现象背后物理规律的技术辅助。

以直观可视为途

教具最大的价值就是揭示原理，提高教学效率。增强现实教具具备较强的直观性和便利性，对于传统实验难以有效说明的物理原理能进行较为直观的展示，在一定程度上可让教学获得事半功倍的效果。

以易学可调为魂

教具的增强现实展示效果应降低技术门槛，可让教师根据不同教学目的进行设计调整，便于因材施教。

以提升教学为核

以初中磁学的新授课为例，如图1所示，教师一般先通过实验进行现象探究和归纳，再构建模型与事实进行印证，帮助学生建立概念。但初中生在建立磁场概念时，想象磁感线的空间分布存在一定困难，将增强现实用于辅助物理实验，使磁感线变得直观（图2），有助于提升教学效果。

图 1 传统课堂授课流程

图 2 自制增强现实物理教具——条形磁体周围磁场

制作过程——以增强现实识别通电螺线管极性为例

步骤1.选定识别图或识别物

图3是从学生作业中节选的一幅图，问题也标于其上，最终的制作目标为：摄像头拍到该图时，就能显示通电螺线管的磁场与极性。

图3 识别图范例

为了让识别更准确，识别图的选取有严格要求。增强现实平台是通过图像内容的色块、形状等细节确定识别图的位置和状态，应尽量选取锐利、清晰、细节丰富、高对比度的图像作为识别图，不选过高、过宽、内容简单重复、大色块多、空白太多、模糊的识别图，从而增加识别的稳定性。具体细节参数详见表1。

步骤2.制作三维模型与动画——以免费开源软件为例

①测量并记录识别图（目标实物）的长宽等细节，作为绘制三维图像的基础依据。②利用Blender、3Dmax或3DOne等三维模型设计软件，基于识别图制作增强现实效果模型。

若不会三维模型设计，可利用腾讯混元3D、Tripo、Aiuni等人工智能工具等进行三维模型生成，或者在“打印啦”等3D模型网站中下载现有模型进行修改，最终成品如图4所示。

图 4 通电螺线管的磁场绘制

增强现实教具的展示效果均通过三维模型及动画设计和制作实现，在网络上有很多教程可供参考。

步骤3.赋予实物增强现实效果

利用WebAR平台Kivicube，将制作好的三维模型导入场景中，并将三维模型移动到识别图的对应位置。通过缩放、旋转等模型操作功能进行调整。作品调整好后，将获得观看二维码，用手机等智能设备扫描，即可进入识别网页。允许使用摄像头后，将摄像头对准识别图，进行增强现实教具使用，其效果如图5所示。

图 5 增强现实物理教具——通电螺线管磁场与极性判断

增强现实教具应用案例

增强现实教具——串联与并联电路电流可视化

设计目的用于初中电学的新课教学，帮助学生理解在串联电路中电荷是如何定向移动形成电流，为什么串联电路中一个开关控制所有用电器等。

特点效果如图6所示，基于真实实验，虚实结合，帮助学生更快理解电流与串联电路的特点。

图 6 串联与并联电路电流可视化及演示视频

适用场景教师课堂教学，用实物器材+手机投屏+教室大屏幕，进行现场展示。

增强现实教具——摩擦起电原理

设计目的用于初中电学的新课教学，帮助学生理解摩擦起电原理、电荷定向移动方向等。

特点效果如图7所示，基于真实实验，虚实结合，帮助学生更快理解摩擦起电原理。

图 7 摩擦起电原理及演示视频

适用场景教师课堂教学，用毛皮缓慢摩擦橡胶棒，使橡胶棒带电，同时手机投屏增强现实效果到大屏幕，进行虚实结合的原理展示。

增强现实教具——闭合电路的部分导体切割磁感线产生感应电流

设计目的用于初中磁学的新课教学，帮助学生理解什么是切割磁感线运动、感应电流产生的条件、切割方向与磁场方向对感应电流方向的影响等。

特点效果如图8所示，基于真实实验，虚实结合，帮助学生快速掌握初中电磁感应现象与相关规律。

图 8 闭合电路的部分导体切割磁感线产生感应电流及演示视频

适用场景教师课堂教学演示。同时手机投屏增强现实效果到大屏幕，进行虚实结合的原理展示。

增强现实物理书——多媒体教材

设计目的这一用法虽在其他科目的书籍中已有运用，但教师可根据需要，灵活修改显示内容，帮助学生在寒暑假自学。

特点效果如图9所示，为纸质书可视化赋能。

图 9 融合增强现实效果的多媒体教材样例

适用场景寒暑假，学生利用手机或平板电脑自学和预习新课。

初中物理增强现实教具的价值

教学价值

本系列增强现实教具，以其独特的增强现实效果，给物理教学带来了新的样貌，可视化强、不脱离实际现象、技术门槛低，提升了课堂教学效果，也给物理教师备课提供了更多选择。

创意价值

虽然作品利用现有的商业平台实现基础功能，但在作品制作时经查新发现暂无他人将其与教学联系起来。相关作品以初中磁学、电学新授课为基础，同时还制作了光学系列和热学系列，均能在传统实验基础上进一步提高可视化程度，增强对物理现象背后原理的展现能力。

推广价值

作品的制作流程并不复杂，可以向其他教师推广制作经验，从而提升本校及区域教育的数字化水平，以点带面促进教育的数字化转型。

如图10所示，截至目前，曾以该系列增强现实教具为主题，受邀开展过2次区级讲座、1次重庆市区县级国培和市级国培讲座、1次云南省国培讲座、1次新疆高中物理暑期远程培训讲座、1次全国网络沙龙讲座。部分参与交流的教师根据提供的资料，在培训现场就制作出了增强现实教具样例，其他教师也均有良好的反馈，表明教师对这类教具有兴趣和需求，可推广程度高。

图 10 增强现实融入物理教学的辐射引领讲座

参考文献

[1]聂鑫,李甦.AR教育资源支持下的初中物理在线实验教学研究[J]. 教学与管理，2022（6）：94-96.

[本文系重庆市教育科学“十四五”规划2023年度一般课题（课题批准号K23YG1090042）与重庆市南岸区教育科学“十四五”规划2022年度重点课题（课题编号2022-A-009）的研究成果之一]

该项目获得第 38 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖

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来源 | 《中国科技教育》2025-02

编辑 | 孟想

审校 | 若惜、朱志安