段 延，倪 晨，吳天剛，方 愷，張 睿

（同濟大學(xué) 物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

一、引言

當(dāng)今社會，全球正經(jīng)歷以信息、能源、材料、生物工程和空間技術(shù)等新技術(shù)為主導(dǎo)的科技革命。實驗作為開展科學(xué)研究的重要手段，在新技術(shù)革命中發(fā)揮重要的先導(dǎo)作用。我國《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中明確指出要大力建設(shè)虛擬實驗中心，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境，實現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充，提升實驗教學(xué)水平。在互聯(lián)網(wǎng)+教育的教學(xué)改革背景下，如何運用網(wǎng)絡(luò)或移動網(wǎng)絡(luò)為載體，創(chuàng)建教學(xué)內(nèi)容豐富、適合自主學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力的數(shù)字化實驗教學(xué)環(huán)境，已逐漸成為實驗室建設(shè)及實驗教學(xué)的關(guān)鍵問題。

近些年來，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等創(chuàng)新技術(shù)的涌現(xiàn)，為教育創(chuàng)新，尤其是實驗教學(xué)技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。地平線報告（2016）高等教育版指出:自帶設(shè)備及增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在未來的2～3年內(nèi)將會在高等教育中占據(jù)突出的位置。移動增強現(xiàn)實技術(shù)（MAR）是指在iOS、Android等智能終端利用寬帶移動通信技術(shù)，移動定位與狀態(tài)感知技術(shù)、多媒體技術(shù)等為基礎(chǔ)的増強現(xiàn)實技術(shù)，具有虛實結(jié)合，三維注冊，實時互動性的特點[1][2]。研究發(fā)現(xiàn)，增強現(xiàn)實技術(shù)使學(xué)習(xí)信息的搜索更加便捷，交互更加自然，與移動學(xué)習(xí)相輔相成，集文本、圖文、視頻等多媒體的優(yōu)勢，提高學(xué)習(xí)有效性[3][4]。實驗教學(xué)中利用增強現(xiàn)實技術(shù)，可構(gòu)建虛實融合的物理實驗自主學(xué)習(xí)環(huán)境，把實驗現(xiàn)象呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者眼前，揭示關(guān)鍵，化解難點，增強體驗者的真實性，提高學(xué)習(xí)者信息搜索的效率及實驗儀器的認(rèn)知深度，從多角度多方面學(xué)習(xí)知識，提升認(rèn)知層面，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，促進教學(xué)效果的提升。

二、設(shè)計原則

物理實驗教學(xué)注重學(xué)生對實驗過程的理解和科學(xué)態(tài)度的形成，并且希望通過各種物理實驗活動來培養(yǎng)學(xué)生敏銳的觀察能力、靈活的思維能力和嫻熟的動手能力，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)作風(fēng)，提高他們的科學(xué)素養(yǎng)[5]。物理實驗的學(xué)習(xí)過程一般包括：確定實驗?zāi)康?，學(xué)習(xí)實驗原理，熟悉實驗儀器，觀察實驗現(xiàn)象，數(shù)據(jù)記錄，計算與分析實驗結(jié)果。其中，情境、資源、認(rèn)知工具、支架和學(xué)生構(gòu)成了虛實融合的物理實驗自主學(xué)習(xí)環(huán)境的穩(wěn)定要素，也構(gòu)成了其基本框架[6]?？蚣苋鐖D1所示，根據(jù)學(xué)生們的學(xué)習(xí)目標(biāo)，疊加具有時效性、互動性、內(nèi)容豐富性的虛擬資源，如實驗原理，實驗儀器的注意事項，以及實驗的應(yīng)用拓展等。學(xué)生自然的進入最佳的情緒體驗當(dāng)中，促進學(xué)習(xí)者知識技能和經(jīng)驗之間的連接。自主學(xué)習(xí)環(huán)境模型中的目標(biāo)性支架幫助學(xué)生明確自己的實驗?zāi)康模瑔栴}性支架引導(dǎo)學(xué)生實驗規(guī)劃，以及工具性支架則幫助學(xué)生更好的完成實驗步驟。環(huán)境中的三維模型展示、注意事項、應(yīng)用拓展等構(gòu)成了語義組織、信息獲取、知識建構(gòu)等認(rèn)知工具，擴充學(xué)生的思維過程，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、思維能力、解決問題和創(chuàng)新的能力。設(shè)計依據(jù)以下教學(xué)理論。

1.情境性

圖1 物理實驗自主學(xué)習(xí)環(huán)境框架

情境認(rèn)知理論的代表人物Brown、Collins與Duguid[7]認(rèn)為：知識是具有情境性的，是活動、背景和文化產(chǎn)品的一部分，在活動、情境以及文化中不斷被運用和發(fā)展。情境感知學(xué)習(xí)的最大特點是能夠從學(xué)習(xí)者的周圍收集環(huán)境信息以及工具設(shè)備信息,并為學(xué)習(xí)者提供與之相關(guān)的學(xué)習(xí)活動和內(nèi)容。增強現(xiàn)實類學(xué)習(xí)環(huán)境營造一種基于真實的混合自主環(huán)境，其虛實結(jié)合，三維沉浸的獨特優(yōu)勢容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面的理解實驗原理，靈活的探索教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)和規(guī)律。學(xué)生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識的主動建構(gòu)者，從而達到實驗教學(xué)一貫倡導(dǎo)的培養(yǎng)學(xué)生自主性、創(chuàng)新性的教學(xué)，促進教學(xué)效果的最優(yōu)化。

2.移動性

認(rèn)知靈活性理論是由美國心理學(xué)家Spiro提出的，強調(diào)在教學(xué)中要避免抽象的概念講解，而應(yīng)將概念具體到一定的實例中，與具體情境聯(lián)系起來[8]。該理論繼承了建構(gòu)主義關(guān)于學(xué)習(xí)的基本觀點，并為移動學(xué)習(xí)提供了理論基礎(chǔ)。在物理實驗中，創(chuàng)建一個虛實融合的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者可以把概念與具體情境聯(lián)系起來，引導(dǎo)他們建構(gòu)新的理解，從多個角度理解概念。學(xué)習(xí)者不受時空限制觀察實驗現(xiàn)象，理解實驗原理，與實驗環(huán)境或設(shè)備進行實時交互，達到了自由自在、隨時隨地進行不同目的、不同方式的學(xué)習(xí)。

3.交互性

美國視聽教育家戴爾1946年寫了一本書 《視聽教學(xué)法》，其中提出學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)路徑包括做的經(jīng)驗，觀察的經(jīng)驗，抽象的經(jīng)驗三個層次，是“具體經(jīng)驗”——“抽象經(jīng)驗”的經(jīng)驗之塔[9]。增強現(xiàn)實自主學(xué)習(xí)環(huán)境因其虛實結(jié)合、三維沉浸和實時交互的特點，對抽象的科學(xué)原理或科學(xué)過程有機地融合在同一場景，從而達到“經(jīng)驗之塔”三個層次經(jīng)驗的交融，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自身偏好自主選擇，實現(xiàn)自身學(xué)習(xí)效果最優(yōu)化[10]。如圖2所示，是自主學(xué)習(xí)環(huán)境模型與經(jīng)驗之塔的融合體現(xiàn)。通過對模型屬性的交互，學(xué)習(xí)者獲得“做的經(jīng)驗”，三維沉浸的優(yōu)勢讓學(xué)習(xí)者獲得“觀察的經(jīng)驗”，通過對實驗中某些抽象概念，原理，或科學(xué)過程的可視化展現(xiàn)，獲得“抽象的經(jīng)驗”，促進學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中的深度參與，促進教學(xué)效果的實現(xiàn)。

圖2 程序與經(jīng)驗之塔融合

三、實現(xiàn)過程

虛實融合的物理實驗自主學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建主要分為四個階段。如圖3所示。第一階段為需求分析。分析學(xué)習(xí)環(huán)境的功能，收集所需素材，配置底層編譯環(huán)境。第二階段為設(shè)計階段，規(guī)劃環(huán)境整體布局，設(shè)計素材呈現(xiàn)，AR功能實現(xiàn)及交互方式。第三階段為開發(fā)階段。制作三維模型，配置環(huán)境變量，編寫交互代碼。第四階段是調(diào)試與發(fā)布。經(jīng)調(diào)試修改，發(fā)布到Android平臺。

圖3 總體設(shè)計流程

1.開發(fā)工具

我們所用到的開發(fā)工具如下：①Autodesk 3ds Max 2017，由Autodesk公司開發(fā)的三維動畫渲染和制作軟件，提供了迄今為止功能最強大、種類最豐富的工具集。我們利用其制作物理實驗儀器三維仿真模型。②EasyAR SDK，是全平臺AR引擎，支持PC和移動設(shè)備等多個平臺，不會顯示水印，也沒有識別次數(shù)限制，支持基于硬解碼的視頻（包括透明視頻和流媒體）的播放，支持二維碼識別，支持多目標(biāo)同時跟蹤。EasyAR SDK for U-nity3D（unitypackage）允許用戶在Unity 3D開發(fā)環(huán)境中快速開發(fā)出增強現(xiàn)實應(yīng)用,簡化開發(fā)過程。③Unity 3D，最初創(chuàng)建于丹麥的Unity Technologies公司，能較好地支持主流三維建模軟件如Maya、3DsMax等，支持PC、Mac、iOS、Android等幾乎所有的平臺，移植便捷，3D圖形性能出眾。在手機平臺，Unity幾乎成為3D游戲開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)工具[11]。

2.開發(fā)過程

我們把制作的三維仿真模型保存為FBX格式，F(xiàn)BX文件可以作為多個軟件的中間格式，跨平臺，包含材質(zhì)、動畫、燈光等，方便在Unity3D中二次開發(fā)。在U-nity3D開發(fā)平臺中，配置Android SDK和NDK，以及Java JDK，搭建Android平臺開發(fā)環(huán)境。導(dǎo)入EasyAR SDK，配置增強現(xiàn)實開發(fā)環(huán)境。仿真模型的交互，虛實場景的呈現(xiàn)，以及模型的二次開發(fā)都在Unity3D中實現(xiàn)，最終設(shè)置Bundle Identifier，整合在Android平臺上。例如我們把螺線管的三維仿真模型導(dǎo)入到Unity3D中，設(shè)置其長度匝數(shù)等基本參數(shù)，根據(jù)畢奧薩伐爾定律：

通過Unit3D畫線插件Vectrosity編寫new Vector-Line語句畫出螺線管的磁感線，如圖4所示，通過把電流的值賦給slider.value達到滑動條改變電流參數(shù)控制磁感線的效果。通過把目標(biāo)圖片導(dǎo)入到ImageTarget目錄下，綁定EasyImageTargetBehaviour腳本，并在json文件中編寫相應(yīng)代碼實現(xiàn)匹配過程。調(diào)用GUI.Button和unity3D中UI功能實現(xiàn)界面的優(yōu)化和場景的轉(zhuǎn)換。利用Application.OpenURL實現(xiàn)學(xué)習(xí)資源的鏈接，Application.platform調(diào)用Android的返回退出鍵以及觸屏縮放功能。

圖4 通電螺線管磁場開發(fā)

3.效果實現(xiàn)

在虛實融合的自主學(xué)習(xí)環(huán)境下，物理學(xué)習(xí)過程如下圖5和圖6所示。在實驗室環(huán)境下，學(xué)生利用智能手機或者平板電腦的攝像頭掃描實驗各儀器元件，一經(jīng)匹配即可進入增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境。當(dāng)掃描到實驗儀器時，預(yù)設(shè)的物理三維模型自動疊加在儀器視圖上?？梢詭椭鷮W(xué)生理解相關(guān)理論模型。實驗中，學(xué)生進入關(guān)鍵步驟或操作重要儀器時，系統(tǒng)會及時彈出“注意事項”標(biāo)簽，顯示實驗參數(shù)的范圍以及相應(yīng)的注意事項，給與學(xué)生們實時提醒，避免毀壞實驗元件。人機交互方式便捷，學(xué)生們通過輸入變量觀察實驗效果，也可通過放大縮小旋轉(zhuǎn)操作多角度進行觀察。自主學(xué)習(xí)環(huán)境包含有豐富的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生們可以觀看實驗視頻，瀏覽講義，實驗自測等，按需選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生也可以掃教材上的相關(guān)原理圖，進入自主學(xué)習(xí)環(huán)境。

圖5 自主學(xué)習(xí)環(huán)境下學(xué)習(xí)過程

圖6 實踐效果圖

四、實踐應(yīng)用評價

我們隨機抽取了20名學(xué)生對虛實融合的自主學(xué)習(xí)環(huán)境下的物理實驗學(xué)習(xí)過程滿意度進行了調(diào)查，問卷采用李克特量表設(shè)計，共有6個選項，從非常滿意到非常不滿意，分值對應(yīng)由高到低排列[12][13]。問卷調(diào)查包括內(nèi)容有效性，結(jié)構(gòu)的接受度以及體驗的滿意度三個方面的內(nèi)容[14]。內(nèi)容有效性反應(yīng)學(xué)生對學(xué)習(xí)環(huán)境提供的物理實驗內(nèi)容是否滿意，結(jié)構(gòu)接受性顯示學(xué)生對虛實融合表現(xiàn)形式的態(tài)度，體驗滿意度則反應(yīng)學(xué)生對這一學(xué)習(xí)環(huán)境的滿意程度。依據(jù)簡明性、邏輯性、明確性等原則，根據(jù)不同的調(diào)查目的，我們設(shè)計了不同的題目，利用均值表現(xiàn)學(xué)生對虛實融合的物理實驗自主學(xué)習(xí)環(huán)境的平均意向或態(tài)度。問卷的Cronbacha α信度系數(shù)為0.904,這表明調(diào)查結(jié)果可靠。另外我們隨機訪談了8位學(xué)生，整個過程中，我們隨時觀察和記錄學(xué)生的表現(xiàn)。

1.問卷分析

如表1是對結(jié)構(gòu)的描述性統(tǒng)計，“我會將這個程序介紹給我的同學(xué)”均值最高（M=5.30），而“我喜歡這個程序的顏色”均值最低（M=4.95）。此結(jié)果表明，學(xué)生對程序的接受度較高，愿意介紹給其他人，而其內(nèi)部的顏色需要稍作修改，盡可能的讓學(xué)生的注意力都集中在內(nèi)容的呈現(xiàn)上，更好的完成物理實驗。

表1 接受性統(tǒng)計

如表2是對程序內(nèi)容的描述性統(tǒng)計，在這個表中，平均得分皆在5分以上，這表明絕大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為程序中的內(nèi)容和實驗相關(guān)，有助于他們理解物理概念，對他們完成實驗有很大的幫助。

表2 內(nèi)容的有效性統(tǒng)計

如表3是對滿意度的描述性統(tǒng)計，在這個表中，“增強現(xiàn)實讓物理實驗變得更有趣”和“我希望更多的物理實驗?zāi)苓\用到增強現(xiàn)實技術(shù)”得分均為5.80，表明學(xué)生對在物理實驗中引入增強現(xiàn)實有很大的熱情，并且大部分學(xué)生認(rèn)為程序開拓了他們的思維空間和想象力，增加了實驗的興趣，表明他們的滿意度達到了預(yù)期的效果。

表3 滿意度統(tǒng)計

2.訪談分析

訪談分析可獲得完全的訪談數(shù)據(jù)，問句內(nèi)容較有彈性，又可隨時補充和反問，有助于深入了解問題。研究表明，僅5個用戶會發(fā)現(xiàn)約80%的產(chǎn)品可用性問題（Virzi 1992和 Nielsen J,1992）[15][16]，10個參與者可以找到 82%到85%的可用性問題。我們隨機訪談了8位學(xué)生，并觀察和記錄學(xué)生在實驗教學(xué)過程的表現(xiàn)。。從學(xué)生的記憶，期望和動機，行為，意義，情感5個方面設(shè)計了訪談的5個問題，如下所示：

（1）這個程序令人印象深刻的地方是什么？（記憶）

（2）您對這個程序的進一步期望是什么？（期望和動機）

（3）程序使用靈活嗎？（行為）

（4）你覺得這個程序?qū)δ阕畲蟮膸椭鞘裁矗浚ㄒ饬x）

（5）請描述你的整體感覺，一些關(guān)鍵字就可以了（情感）

訪談結(jié)果表明，學(xué)生們認(rèn)為這個程序提高了他們的學(xué)習(xí)興趣,使他們更方便地搜索信息。他們認(rèn)為磁線增加空間感,注意事項幫助他們更好地完成實驗步驟。在情感方面,學(xué)生很有成就感,因為這個程序很簡單,操作方便。他們也希望其他實驗可以加入這個模型中。但他們也提出了一些建議，比如界面需要美化，實物的匹配度沒有圖片的匹配度高等。

學(xué)生們通過自帶設(shè)備的方式，將實驗中遇到的問題在虛實融合的自主學(xué)習(xí)環(huán)境中解決，從而達到形象、生動、高效的實驗教學(xué)目的。訪談得出的結(jié)果和問卷的結(jié)果都符合我們的期望值，而且學(xué)生提供寶貴的建議和數(shù)據(jù)對我們進一步完善我們的模型有很大的幫助。

五、總結(jié)與展望

實踐表明，在移動學(xué)習(xí)中加入增強現(xiàn)實技術(shù)，創(chuàng)建一個符合情境的，富有成效的，愉悅的和互動式的虛實融合的物理實驗自主環(huán)境，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高認(rèn)知水平，達到培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)及創(chuàng)新實踐能力的目的。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主實驗、自主創(chuàng)新能力為目標(biāo)的自主實驗學(xué)習(xí)環(huán)境將日趨完善，逐漸形成互聯(lián)網(wǎng)+教育背景下的新型實驗教學(xué)模式，成為實驗教學(xué)改革和卓越人才培養(yǎng)的有效途徑。

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