《基于增强现实（AR）与虚拟仿真的高中物理建模能力培养模式研究》开题报告

《基于增强现实（AR）与虚拟仿真的高中物理建模能力培养模式研究》开题报告

一、研究背景与意义（约800字）

现实困境分析

教学层面：

抽象物理概念（如电磁场、量子现象）可视化不足，学情调研显示65%学生存在"二维图纸想象困难"

传统实验受限于器材安全性（如高压电实验）、宏观不可见性（如分子热运动）

新课标要求：

2017版物理课标明确"物理建模"学科核心素养，要求发展"建构模型-修正模型-应用模型"能力

教育信息化2.0行动计划倡导"5G+智慧教育"创新应用场景

技术赋能路径

AR技术：通过三维全息投影实现场线分布动态呈现（如法拉第电磁感应现象）

虚拟仿真：构建可交互的微观物理世界（如原子核式结构探究实验）

研究价值

破解"抽象概念具象化""高危实验安全化""建模过程可视化"三大难题

构建"具身认知-模型建构-迁移创新"的新型教学模式

二、国内外研究现状

研究领域 国内进展 国际突破 现存挑战

AR物理教育应用 北师大"磁场线AR眼镜"教学系统 美国PhET交互式仿真实验室 硬件成本高，校本化适配不足

虚拟仿真实验 人教版高中物理VR实验资源库 德国Lavalle教授团队触觉反馈系统 缺乏建模思维培养的专项设计

建模能力评价 浙江"四阶九维"评价量表 IB物理课程建模评估标准 过程性数据采集与分析技术薄弱

三、研究内容与方法

1. 技术框架设计

图表

代码

2. 核心模块开发

AR资源库建设：开发20个重难点模型（如楞次定律动态演示、双缝干涉光路追踪）

虚拟仿真实验：设计5类探究式实验（包含粒子加速器模拟、量子隧穿现象观测）

分层教学策略：

基础层：AR辅助观察建模（建立物理表象）

进阶层：仿真平台参数调试（理解变量关系）

创新层：真实问题建模迁移（解决工程情境问题）

3. 实验设计

样本选取：6所省重点/普通高中各3个平行班（实验组使用AR+虚拟仿真，对照组传统教学）

测评工具：

建模能力测试卷（含原始问题解决、模型修正等题型）

眼动追踪仪记录认知负荷变化

建模过程数字画像系统（记录操作路径与思维节点）

四、预期成果与创新点

实践成果

建成高中物理AR-虚拟仿真教学资源平台（含35个交互模块）

形成《基于技术融合的建模教学指南》（含50个典型课例）

发表3篇北大核心论文，申请2项教育软件著作权

理论创新

提出"三维建模脚手架"理论：

空间建模（AR辅助空间关系认知）

数学建模（虚拟仿真参数关系推导）

概念建模（思维导图工具整合）

创建"双通道评价体系"：

结果性评价：建模作品科学性与创新性

过程性评价：建模路径合理性与修正策略

五、研究计划

阶段 时间周期 关键任务 里程碑成果

需求分析 2024.03-06 师生访谈+课标解读 形成《建模能力培养痛点清单》

技术开发 2024.07-10 AR资源制作+仿真平台搭建 完成10个核心模块测试版

教学实验 2024.11-2025.05 三轮行动研究（每轮16课时） 收集800+份学生建模过程数据

效果验证 2025.06-08 多维度数据分析+典型案例研究 撰写实验分析报告（含效果量值）

成果推广 2025.09-12 举办全国智慧教育研讨会 建立5个省级示范基地

六、参考文献

中华人民共和国教育部.《普通高中物理课程标准》2017年版

Milgram, P. Augmented Reality: A class of displays on the reality-virtuality continuum SPIE, 1994

虚拟仿真实验中的认知负荷研究[J]. 电化教育研究, 2022(5)

NGSS Lead States. Next Generation Science Standards 2013