蔡蘇 劉恩睿 張鵬

【摘 要】場(chǎng)是物理學(xué)中的重要概念，在生活中難以直接觀察。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)和體感自然交互技術(shù)可以將這一類的內(nèi)容可視化，促進(jìn)學(xué)生的概念理解和學(xué)習(xí)興趣。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；物理教學(xué)；磁場(chǎng)；場(chǎng)的可視化

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2018）06-072-03

物理學(xué)科中“場(chǎng)”的概念與教學(xué)問題

中學(xué)物理中，“場(chǎng)”是電磁學(xué)部分一個(gè)極為重要的概念，相對(duì)于其他概念，“場(chǎng)”更加抽象，也難以通過實(shí)驗(yàn)觀察。以磁場(chǎng)為例，磁場(chǎng)是我們?nèi)粘Ｉ钪惺制毡榈默F(xiàn)象，也是教學(xué)當(dāng)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

將看不見、摸不著的磁場(chǎng)通過具體可感的形式展示給學(xué)生，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是通過鐵屑來模擬磁場(chǎng)的分布情況，但是這種實(shí)驗(yàn)操作起來成本較高且容易帶來各種問題（比如鐵屑被磁鐵吸附、實(shí)驗(yàn)后殘留物難以打掃等）。在實(shí)際的教學(xué)過程當(dāng)中，多以教師演示學(xué)生觀看為主，甚至是直接使用視頻或者軟件模擬演示，學(xué)生少有參與和操作的機(jī)會(huì)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與磁場(chǎng)的可視化

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的作用主要體現(xiàn)在可將抽象內(nèi)容可視化、使用自然方式進(jìn)行交互等。得益于AR 技術(shù)更強(qiáng)大和方便的交互性， 學(xué)生在學(xué)習(xí)中可以通過AR技術(shù)更直接、自然地探索知識(shí)。[1]

AR技術(shù)可以將虛擬對(duì)象和真實(shí)環(huán)境結(jié)合，讓學(xué)生仿佛“置身”于磁場(chǎng)當(dāng)中，并且充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于電磁場(chǎng)的可視化，在國內(nèi)外確實(shí)有相關(guān)的案例。

1.使用AR手段展示靜態(tài)可視化電磁場(chǎng)

在此方面較早的嘗試是Buchau等人[2]將AR用于電動(dòng)力學(xué)的教學(xué)，計(jì)算三維空間內(nèi)的電磁場(chǎng)，并展示給學(xué)生。結(jié)果證明，通過AR技術(shù)展示的可視化電磁場(chǎng)能夠幫助學(xué)生把磁場(chǎng)的特征同物理對(duì)象聯(lián)系起來，理解電磁理論。

但這一類的模擬電磁場(chǎng)，還停留在靜態(tài)展示的層面，只是將AR技術(shù)作為媒體使用，展示不易觀察的事物，屬于AR技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用中最為基礎(chǔ)的一種用法。

2.基于AR技術(shù)的實(shí)時(shí)可視化電磁場(chǎng)

Matsutomo等人[3]更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了在AR技術(shù)下的實(shí)時(shí)磁感線圖像展示。在這種系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)者可以隨時(shí)觀察到磁感線的實(shí)際分布、變化情況，理解不同類型磁場(chǎng)的特點(diǎn)，他們還設(shè)計(jì)了模擬的磁鐵、鐵塊等實(shí)驗(yàn)器具用于學(xué)生的交互。[4]系統(tǒng)通過攝像頭捕捉到現(xiàn)實(shí)中的模擬條形磁鐵后，實(shí)時(shí)生成其周圍的磁感線分布情況。學(xué)生可以在真實(shí)空間中移動(dòng)模擬的磁鐵，軟件將相應(yīng)的磁感線分布變化情況實(shí)時(shí)描繪出來。

這種實(shí)時(shí)生成和帶有自然交互（學(xué)生操作真實(shí)空間中的“磁鐵”，實(shí)時(shí)觀察虛擬的磁感線變化）的可視化電磁場(chǎng)模擬案例，可以讓學(xué)生直接使用雙手進(jìn)行操作，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)于物理概念和規(guī)律的掌握。

3.基于AR技術(shù)的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果

從幾個(gè)實(shí)際的案例可以看出，應(yīng)用AR技術(shù)進(jìn)行的模擬仿真已不再局限于使用鼠標(biāo)控制這種較為傳統(tǒng)的形式。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于，用戶可以在沒有專門知識(shí)指導(dǎo)的情況下進(jìn)行自主使用，而其使用的效果也得到了一定的證實(shí)，Ibá?ez等人[5]認(rèn)為，AR可以有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)電磁場(chǎng)相關(guān)概念和現(xiàn)象的理解。使用AR技術(shù)進(jìn)行電磁學(xué)習(xí)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)成績(jī)方面要顯著好于不使用AR技術(shù)的學(xué)生。同時(shí)，使用AR技術(shù)學(xué)生的心流（心流是一種高度投入某項(xiàng)活動(dòng)時(shí)全神貫注的積極情緒體驗(yàn)）等級(jí)要更高，也就是說，學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的投入和專注度都要更好。

開展磁場(chǎng)可視化教學(xué)的實(shí)證案例

作為國內(nèi)最早開展課堂AR教學(xué)并持續(xù)探索的團(tuán)隊(duì)，北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室（http：//ar.bnu.edu.cn）設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于AR技術(shù)和體感自然交互技術(shù)的磁場(chǎng)可視化應(yīng)用。該應(yīng)用不僅體現(xiàn)了AR技術(shù)的演示性優(yōu)勢(shì)，還結(jié)合了體感和自然交互技術(shù)的特性，為課堂教學(xué)帶來了很好的效果。[6]

1.基于AR和體感自然交互技術(shù)的磁場(chǎng)可視化應(yīng)用

此案例使用AR技術(shù)來顯示可視化的磁場(chǎng)，并采用微軟公司的Kinect作為交互設(shè)備。Kinect是一種可以使用身體動(dòng)作來控制的體感交互設(shè)備。它可以捕捉人的肢體動(dòng)作，用于計(jì)算機(jī)程序的交互，被廣泛應(yīng)用于娛樂、教育等領(lǐng)域。在本案例中，學(xué)生通過Kinect設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)用自己的雙手移動(dòng)對(duì)應(yīng)磁鐵的移動(dòng)。該應(yīng)用主要包括四個(gè)部分：如圖 1-（a）所示，帶有一個(gè)磁鐵和一個(gè)小磁針的磁場(chǎng)模型1；如圖 1-（b）所示，帶有一個(gè)磁鐵和小磁針的磁感線模型2；如圖 1-（c）所示，帶有兩個(gè)磁鐵和小磁針的S-N模型；如圖 1-（d）所示，帶有兩個(gè)磁鐵和小磁針的N-N模型。

程序運(yùn)用畢奧-薩伐爾定律，計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向。使用該應(yīng)用時(shí)，需要將Kinect體感設(shè)備連接到電腦，借助Kinect上的攝像頭，學(xué)生即可在程序的實(shí)驗(yàn)界面中通過手的移動(dòng)來操作磁鐵的移動(dòng)，并實(shí)時(shí)觀察磁場(chǎng)分布的變化情況及磁場(chǎng)中小磁針的偏向，探究不同情況下磁感線的分布情況，總結(jié)規(guī)律。

2.研究過程

本應(yīng)用在首都師范大學(xué)附屬中學(xué)進(jìn)行了實(shí)證研究，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為八年級(jí)的40名學(xué)生，隨機(jī)分為A（控制組，不使用AR技術(shù)）和B（實(shí)驗(yàn)組，使用AR技術(shù)）兩組。在學(xué)習(xí)過程中，每4位學(xué)生進(jìn)行合作探究學(xué)習(xí)。

課程的整體設(shè)置包括教師引導(dǎo)、探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)和教師總結(jié)環(huán)節(jié)，兩組僅在探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)方面存在差別：控制組學(xué)生完全依靠磁鐵和小磁針進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生借助基于AR和體感自然交互的磁場(chǎng)可視化應(yīng)用進(jìn)行探究。

在研究過程中，進(jìn)行了前、中、后三次關(guān)于磁場(chǎng)相關(guān)知識(shí)的測(cè)驗(yàn)，分別安排在上課前、課堂探究活動(dòng)結(jié)束后以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束半個(gè)月之后，并對(duì)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生進(jìn)行了關(guān)于AR程序的態(tài)度問卷調(diào)查。同時(shí)，也對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)校的一線物理教師進(jìn)行了訪談，征求教師的相關(guān)意見。

3.研究結(jié)果

從三次測(cè)試的結(jié)果看，在前測(cè)中兩組學(xué)生的平均分?jǐn)?shù)基本相同，沒有體現(xiàn)出差異。在探究活動(dòng)后進(jìn)行的測(cè)驗(yàn)以及半個(gè)月之后進(jìn)行的后測(cè)當(dāng)中，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生的成績(jī)都要高過控制組的學(xué)生。這個(gè)結(jié)果表明，基于AR和體感自然交互的磁場(chǎng)可視化應(yīng)用可以幫助學(xué)生在課堂上掌握磁場(chǎng)和磁感線的相關(guān)知識(shí)，對(duì)其當(dāng)場(chǎng)的學(xué)習(xí)效果有積極影響，也能夠幫助學(xué)生在課后進(jìn)行學(xué)習(xí)效果的保持。對(duì)測(cè)試卷中的不同題型（畫圖題、判斷題）進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)，也得到了相同的結(jié)論。通過對(duì)部分重點(diǎn)概念性題目（例如，磁場(chǎng)是否真實(shí)存在、磁感線是否真實(shí)存在）的單獨(dú)分析發(fā)現(xiàn)，使用了AR技術(shù)的學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)概念的理解更加準(zhǔn)確。

調(diào)查問卷的結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)于新接觸的技術(shù)和軟件程序保持了積極和樂觀的態(tài)度。同時(shí)，一線物理教師的訪談結(jié)果表明，基于AR和自然交互技術(shù)的探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能夠取得良好的教學(xué)效果。這樣的結(jié)論與國際上的相關(guān)研究較一致，在電磁場(chǎng)的可視化這個(gè)知識(shí)內(nèi)容上，AR和體感自然交互的應(yīng)用是有效的。

總 結(jié)

中學(xué)理科教學(xué)中還存在大量和磁場(chǎng)類似的，難以在現(xiàn)實(shí)中觀察的重要概念、現(xiàn)象，這就使AR技術(shù)在具體學(xué)科應(yīng)用中有了用武之地。當(dāng)然，任何一種技術(shù)在教育中的應(yīng)用，都需要相關(guān)的研究人員、設(shè)計(jì)開發(fā)人員、教學(xué)設(shè)計(jì)人員、學(xué)科專家和一線教師的共同參與，把握真實(shí)的課堂教學(xué)和學(xué)習(xí)需求，才能更好推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合。

參考文獻(xiàn)

蔡蘇，薛曉茹，張晗. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 在 K-12 教育的應(yīng)用實(shí)踐[J]. 中小學(xué)信息技術(shù)教育， 2017（11）： 71-75.

Buchau A， Rucker W M， W?ssner U， et al. Augmented reality in teaching of electrodynamics[J]. COMPEL-The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering， 2009， 28（4）： 948-963.

Matsutomo S， Miyauchi T， Noguchi S， et al. Real-time visualization system of magnetic field utilizing augmented reality technology for education[J]. IEEE transactions on Magnetics， 2012， 48（2）： 531-534.

Matsutomo S， Mitsufuji K， Hiasa Y， et al. Real time simulation method of magnetic field for visualization system with augmented reality technology[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2013， 49（5）： 1665-1668.

Ibá?ez M B， Di Serio ?， Villarán D， et al. Experimenting with electromagnetism using augmented reality： Impact on flow student experience and educational effectiveness[J]. Computers & Education， 2014， 71： 1-13.

Cai S， Chiang F-K， Sun Y， et al. Applications of augmented reality-based natural interactive learning in magnetic field instruction[J]. Interactive Learning Environments， 2017， 25（6）： 778-791.