包明

摘 要：中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)一般是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而傳統(tǒng)教育學(xué)具因現(xiàn)實(shí)條件、儲(chǔ)備、實(shí)施周期和保管等因素限制了其作用。隨著VR技術(shù)和智能設(shè)備的快速發(fā)展，AR技術(shù)在VR技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合的特征，彌補(bǔ)了VR學(xué)具沒有觸感體驗(yàn)的缺陷。教師利用Unity或Unreal等虛擬物理引擎設(shè)計(jì)出逼真的可視化AR學(xué)具，通過(guò)AR開發(fā)工具將實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)快速融入到AR場(chǎng)景中。物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和操作都無(wú)需傳統(tǒng)學(xué)具，只需打印出相應(yīng)的AR學(xué)具標(biāo)識(shí)碼，即可開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。用這種教學(xué)方式，無(wú)論是現(xiàn)實(shí)課堂還是偏遠(yuǎn)地區(qū)的遠(yuǎn)程課堂教學(xué)，都能提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

關(guān)鍵詞：AR學(xué)具；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）5-0046-4

1 什么是AR學(xué)具

物理課中，學(xué)具作為重要的物理現(xiàn)象教學(xué)展示工具，它能將抽象的物理規(guī)律表現(xiàn)為具體的物理形態(tài)，為學(xué)生提供直接的觀察或觸控體驗(yàn)。然而，傳統(tǒng)學(xué)具受其載具、安全、可實(shí)施性、成本等方面的現(xiàn)實(shí)情況難以實(shí)現(xiàn)一些常規(guī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的物理現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生在理解物理現(xiàn)象時(shí)存在較大的困難。

AR（Augmented Reality）是“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的簡(jiǎn)稱，可將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)渲染獲得的虛擬圖像信息疊加或覆蓋在真實(shí)世界相應(yīng)的圖像識(shí)別區(qū)域之上，構(gòu)成虛擬空間與真實(shí)世界無(wú)縫融合的實(shí)時(shí)圖像。本質(zhì)上，AR是VR（Virtual Reality）和圖像識(shí)別技術(shù)在現(xiàn)實(shí)圖像上的運(yùn)用。由VR技術(shù)提供仿真的虛擬空間3D圖像，圖像識(shí)別技術(shù)用于識(shí)別真實(shí)世界中的標(biāo)定物，如一張二維碼圖像。AR程序從攝像頭上捕獲這個(gè)圖像后，能調(diào)用預(yù)定的VR中的三維動(dòng)畫，自適應(yīng)真實(shí)世界的尺寸后成像在投影機(jī)中，與攝像頭中的真實(shí)世界進(jìn)行相應(yīng)的虛實(shí)疊加成像。隨著AR技術(shù)的成熟，利用各種傳感器和可視化編輯教具設(shè)計(jì)，可將教學(xué)知識(shí)和AR工具相互結(jié)合，在現(xiàn)實(shí)的物理教學(xué)環(huán)境中快速、可編程化地實(shí)施。

2 AR學(xué)具的教育特征

AR學(xué)具在教育領(lǐng)域里的作用是符合皮亞杰教育學(xué)理論和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的。首先，AR學(xué)具包含豐富的建構(gòu)工具包和合理的表現(xiàn)環(huán)境，學(xué)生在操作中可以親自實(shí)踐而沒有現(xiàn)實(shí)環(huán)境的諸多限制。其次，對(duì)于物理學(xué)科知識(shí)，AR學(xué)具能突破傳統(tǒng)學(xué)具無(wú)法建構(gòu)或表現(xiàn)的物理現(xiàn)象。如初中物理中的磁場(chǎng)和磁感應(yīng)線的教學(xué)中，利用AR加載體感教學(xué)軟件，將虛擬的磁場(chǎng)可視化，學(xué)生可通過(guò)AR學(xué)具與虛擬磁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。這是突破人類感知范圍的學(xué)習(xí)；如在初中物理的光線直線傳播的教學(xué)中，利用黑板、投影機(jī)、多組攝像頭可以構(gòu)建出地月日三星體系，學(xué)生可通過(guò)AR學(xué)具改變?nèi)叩奈恢藐P(guān)系從空間上認(rèn)識(shí)日食和月食。這是突破空間局限的學(xué)習(xí)。近年來(lái)層出不窮的AR設(shè)備表明作為物理學(xué)具已逐步成熟，可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)的效率和效果，也大幅增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)抽象概念和可視化困難現(xiàn)象的直觀感知。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀的AR學(xué)具一般具備以下幾個(gè)方面的性質(zhì)。

2.1 學(xué)習(xí)接口

AR學(xué)具要成為學(xué)具必須嵌入學(xué)習(xí)目標(biāo)，使其學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)需要體現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的優(yōu)勢(shì)。AR學(xué)具在課程框架下為師生提供合適的學(xué)習(xí)目標(biāo)，這些目標(biāo)被分解為通過(guò)預(yù)設(shè)規(guī)則賦值到學(xué)具中去，并根據(jù)互動(dòng)變化提供可編輯的物理信號(hào)[1]。

2.2 多通道交互

在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生與AR學(xué)具的交互活動(dòng)是教學(xué)的重要組成部分。AR學(xué)具使得學(xué)習(xí)者受到多維度的感官刺激，擴(kuò)充了其知識(shí)內(nèi)化的信道數(shù)量[2]。同時(shí)，它承擔(dān)著呈現(xiàn)和傳播教學(xué)內(nèi)容的職能。學(xué)習(xí)者直接通過(guò)AR學(xué)具提供給人類的多感知接口進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。

2.3 情感支撐

近十年來(lái)，智能手機(jī)的飛速發(fā)展并向校園的滲透已是大勢(shì)所趨。在移動(dòng)環(huán)境中學(xué)生對(duì)智能手持設(shè)備的依賴性日益加深，而負(fù)責(zé)AR學(xué)具運(yùn)作的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)完全可以用一部智能手機(jī)來(lái)承擔(dān)。它利用多種傳感器可檢測(cè)到學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)進(jìn)度，從而及時(shí)地釋放學(xué)習(xí)激勵(lì)機(jī)制和學(xué)習(xí)引導(dǎo)步驟來(lái)促使學(xué)生把精力和注意力放在虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中。同時(shí)，這種機(jī)制也釋放了教師在課堂上的授課壓力，將更多精力放在學(xué)科內(nèi)容的傳授上，這種機(jī)制是傳統(tǒng)學(xué)具所不具備的。

2.4 沉浸感

AR學(xué)具除了給學(xué)生帶來(lái)知識(shí)和操作的技能外，還能給學(xué)習(xí)者帶來(lái)一種身臨其境的感受。這不同于簡(jiǎn)單學(xué)具，而是沉浸式環(huán)境將物理學(xué)科知識(shí)融入到真實(shí)世界中。AR學(xué)具的學(xué)習(xí)接口越接近現(xiàn)實(shí)，學(xué)習(xí)者的大腦越容易陷于其中。在311日本地震海嘯發(fā)生后，曾有兩位日本學(xué)者指導(dǎo)幾個(gè)九年級(jí)學(xué)生根據(jù)虛擬學(xué)習(xí)模型設(shè)定他們所處的校園就位于事故核電站12公里外，根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向等天氣因素，用AR學(xué)具收集虛擬的輻射放射值數(shù)據(jù)。這個(gè)考察實(shí)驗(yàn)過(guò)后，他們發(fā)現(xiàn)AR學(xué)具不單是帶給學(xué)生對(duì)核物理的基礎(chǔ)認(rèn)知，也改變了學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中核災(zāi)難的理性態(tài)度。

2.5 可追溯性

通常情況下，學(xué)習(xí)活動(dòng)直接或間接地需要協(xié)調(diào)者的組織。不論是課堂引導(dǎo)還是家庭輔導(dǎo)，學(xué)生希望自己的學(xué)習(xí)成果和學(xué)習(xí)階段能被教育者跟蹤并獲得肯定。AR學(xué)具除了能實(shí)現(xiàn)跟蹤學(xué)習(xí)成果，還可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整虛擬實(shí)驗(yàn)的難度和廣度，并將學(xué)習(xí)結(jié)果反饋給教學(xué)組織者以及學(xué)生，促成AR學(xué)具環(huán)境中各要素之間的信息溝通。

3 AR學(xué)具的設(shè)計(jì)

AR工具從誕生以來(lái)就一直在為教育產(chǎn)品服務(wù)，國(guó)內(nèi)外已有多家科技公司推出自身的AR軟件或一體化的硬件系統(tǒng)，并不斷降低開發(fā)難度和周期來(lái)吸引教師參與到AR學(xué)具的內(nèi)容建設(shè)中?，F(xiàn)在的AR學(xué)具已不需要教師再去理解底層SDK接口，只需將AR模塊利用開發(fā)工具植入到虛擬交互平臺(tái)中，并設(shè)計(jì)邏輯為AR模塊賦予物理特性。因此，選擇一款有合理物理引擎的設(shè)計(jì)AR平臺(tái)是首要工作。而教師在設(shè)計(jì)或編輯AR學(xué)具時(shí)應(yīng)注意從觸感、物理環(huán)境和融合三個(gè)方面圍繞學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行打造，兩個(gè)方面缺一不可。

3.1 觸感

觸感體驗(yàn)是人類認(rèn)知世界的基本方式。支持物理世界真實(shí)交互的AR學(xué)具能夠以真實(shí)的觸感、自然的實(shí)時(shí)交互降低學(xué)習(xí)者操控體驗(yàn)的時(shí)空隔閡。相比單純以視聽方式表示的知識(shí)，具化的知識(shí)能夠取得更加牢固的建構(gòu)效果。AR學(xué)具應(yīng)該具備傳統(tǒng)學(xué)具那樣能支撐足夠信息的物理現(xiàn)象，以接近自然的方式反饋給學(xué)生。教師在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)可充分借助智能手機(jī)或平板電腦的多種傳感器，讓學(xué)生在操縱學(xué)具時(shí)獲得空間方向、動(dòng)作觸感、重力反饋等細(xì)節(jié)變化的支持。

3.2 物理環(huán)境

以理想模型或極端環(huán)境為先決條件的物理概念經(jīng)常需要借助直觀的學(xué)具來(lái)表現(xiàn)，但傳統(tǒng)學(xué)具有先天的缺陷，一個(gè)方面是難以提供真實(shí)的物理環(huán)境，另一方面是缺乏動(dòng)態(tài)的物理交互機(jī)制，尤其是學(xué)生在學(xué)習(xí)極端物理?xiàng)l件下或常態(tài)時(shí)間下難以獲得的狀態(tài)、環(huán)境和場(chǎng)景時(shí)，AR學(xué)具可輕易突破這個(gè)限制，用生動(dòng)的視覺和聽覺來(lái)引導(dǎo)學(xué)生。例如，在極高壓、極低壓或極高溫、極低溫等極端環(huán)境中的現(xiàn)象，AR學(xué)具不僅可直觀呈現(xiàn)且能安全地允許學(xué)生去操作改變物體的物理狀態(tài)，觀察它們是如何受到物理環(huán)境的改變。再例如，教師在演示牛頓第一定律時(shí)，當(dāng)改變AR學(xué)具周圍的介質(zhì)為真空時(shí)，即摩擦系數(shù)為零，那么這個(gè)現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的理想實(shí)驗(yàn)則在AR學(xué)具中實(shí)現(xiàn)了。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中“真實(shí)”體驗(yàn)無(wú)摩擦環(huán)境下力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。這對(duì)降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)、簡(jiǎn)化認(rèn)知難度可提供積極的作用。

3.3 融合

AR學(xué)具能夠創(chuàng)造特定的學(xué)習(xí)情境，規(guī)避了現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)中可能帶來(lái)的非課程因素。對(duì)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，AR學(xué)具可以保證學(xué)習(xí)者絕對(duì)安全的同時(shí)，提供逼真的操作體驗(yàn)，也能夠訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的操作熟練度，提高他們進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的效率。AR學(xué)具也能夠支持多種類型的情境學(xué)習(xí)，在智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的支持下，AR學(xué)具可以脫離教室，在更廣闊的空間范圍內(nèi)發(fā)揮作用[3]。例如，借助移動(dòng)設(shè)備的GPS、電子羅盤等傳感器，AR學(xué)具能夠讓學(xué)生動(dòng)手控制帆船的逆風(fēng)前行獲得力的分解能力，讓學(xué)生感知真實(shí)的體驗(yàn)而不是枯燥的平行四邊形法則。

除了上述的三個(gè)性質(zhì)外，AR學(xué)具還應(yīng)符合傳統(tǒng)學(xué)具的基本設(shè)計(jì)要求。具備可靠的操作性、良好的操作平臺(tái)和可編輯化都是提升AR學(xué)具品質(zhì)的重要方面。

4 AR實(shí)驗(yàn)的開發(fā)

本文以“電路設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一個(gè)AR實(shí)驗(yàn)學(xué)具。

4.1 開發(fā)目標(biāo)

“電路設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)電路知識(shí)的重要方式。真實(shí)的電路實(shí)驗(yàn)限制條件較多，安全性也成為一些老師或校方的顧忌。而普通的虛擬實(shí)驗(yàn)則缺乏真實(shí)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的觸感和物理環(huán)境。AR學(xué)具結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)，可支撐中學(xué)生階段所有的電路實(shí)驗(yàn)。因此，AR學(xué)具的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以中學(xué)階段的基本或較復(fù)雜的電路為藍(lán)本，在虛擬環(huán)境中可以呈現(xiàn)模擬真實(shí)電路的通電狀態(tài)和結(jié)果。當(dāng)學(xué)生改變電路元件或電路時(shí)，電路中的物理狀態(tài)應(yīng)發(fā)生相應(yīng)的變化并反饋合理的結(jié)果。

4.2 開發(fā)工具

虛擬教具設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行數(shù)字資源的設(shè)計(jì)、操控交互設(shè)計(jì)與互動(dòng)程序等方面的設(shè)計(jì)。早期缺乏物理引擎的學(xué)具素材外觀的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)陋，且與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景幾乎沒有交互，這導(dǎo)致AR教具反而會(huì)引起學(xué)生的誤解和反感。因此，建議采用的SDK開發(fā)工具是谷歌公司的ARCore，學(xué)具及場(chǎng)景的建模使用Unity引擎。

Unity是當(dāng)前主流的虛擬引擎，有3D建模能力的教師可以根據(jù)需求自行開發(fā)學(xué)具模型，相關(guān)的學(xué)術(shù)論文也有，本文不一一贅述。因ARCore運(yùn)算能力較高，加載學(xué)具的現(xiàn)實(shí)設(shè)備必須是安卓7.0或以上版本的智能設(shè)備，人機(jī)交互界面就是手機(jī)或平板電腦的觸摸顯示屏。手機(jī)將虛擬教具與手機(jī)后置攝像頭實(shí)時(shí)拍攝的標(biāo)識(shí)物和場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)GPU運(yùn)算，ARCore負(fù)責(zé)將標(biāo)識(shí)物替換為虛擬教具，并按預(yù)定的物理規(guī)則與場(chǎng)景進(jìn)行渲染融合。這包括三個(gè)方面：

（1）運(yùn)動(dòng)跟蹤（Motion Tracking）：ARCore 可以準(zhǔn)確感知手機(jī)在移動(dòng)時(shí)的位置和姿態(tài)，并準(zhǔn)確放置虛擬學(xué)具。（2）表面檢測(cè)（Surface Detection）： ARCore 可以將虛擬學(xué)具合理地放置在環(huán)境中，并將其錨定到水平表面，如點(diǎn)陣模板。（3）光源感知（Light Estimation）：ARCore 能夠感知現(xiàn)實(shí)世界的光照情況，然后在程序中生成一個(gè)虛擬點(diǎn)光源使所有的虛擬學(xué)具能夠形成相對(duì)方位的陰影。

此外，ARCore還能快速、穩(wěn)定地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)追蹤，具有基本邊界的平面估算，可自適應(yīng)學(xué)具與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的大小匹配和邊界進(jìn)出。教師或開發(fā)人員無(wú)需擔(dān)心AR學(xué)具會(huì)出現(xiàn)比例失調(diào)或超出視野范圍等錯(cuò)誤。

4.3 學(xué)具的交互響應(yīng)設(shè)計(jì)

交互響應(yīng)則是學(xué)具實(shí)現(xiàn)物理功能的接口，教師需要為AR學(xué)具模型增加3D響應(yīng)區(qū)域。在Unity3D引擎中，響應(yīng)區(qū)域的激活檢測(cè)一般采用碰撞檢測(cè)法，即在學(xué)具模型的Physics屬性中增加Oncontroller Colliderhit事件邏輯。當(dāng)不同的虛擬AR學(xué)具或現(xiàn)實(shí)物體與其接觸或接近時(shí)就能觸發(fā)某個(gè)事件邏輯中的值，從而指向某種渲染效果或事件來(lái)引發(fā)虛擬的物理效應(yīng)，如圖1所示。

可改變其虛擬實(shí)驗(yàn)的物理結(jié)果

5 AR的課程實(shí)施

在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，AR學(xué)具的物理載體有帶配套的二維碼標(biāo)識(shí)物和點(diǎn)陣模板（圖2），其中，標(biāo)識(shí)物上注明其代表的虛擬教具的名稱和基本物理參數(shù)等。學(xué)生在點(diǎn)陣模板上放置標(biāo)識(shí)物，激活電路開關(guān)后在手機(jī)屏幕上就能看到。例如，電器設(shè)備標(biāo)識(shí)物可以是電源、電燈泡、電動(dòng)機(jī)或金屬球等；控制類型的標(biāo)識(shí)物可以是電阻、電容或開關(guān)等（圖3）；觀測(cè)類型的標(biāo)識(shí)物可以是電流計(jì)、電壓計(jì)或計(jì)數(shù)器等。

以設(shè)計(jì)一個(gè)帶開關(guān)且可改變功率大小的直流電風(fēng)扇為例，學(xué)生用電池標(biāo)記物可以放置在點(diǎn)陣模板上的某個(gè)位置，然后在手機(jī)觸屏上可選擇虛擬電路線進(jìn)行描繪，則可呈現(xiàn)如圖4所示的電路圖。ARCore能根據(jù)電池的正負(fù)極動(dòng)態(tài)地展示電流的方向。

顯然，圖4顯示的電路過(guò)于復(fù)雜且缺乏邏輯性。教師此時(shí)可以讓學(xué)生在嘗試失敗后引導(dǎo)學(xué)生先簡(jiǎn)化電路，再放置電開關(guān)標(biāo)識(shí)物和電阻標(biāo)識(shí)物在一個(gè)回路中，如圖5所示。

此外，在AR學(xué)具的虛擬課堂中，教師要充分發(fā)揮物理的學(xué)科特色，用物理知識(shí)的豐富性和深刻性打動(dòng)學(xué)生，這是激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而學(xué)好物理的根本。AR學(xué)具的目的是提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生重演物理知識(shí)的發(fā)生過(guò)程。而教師和虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的目的是引導(dǎo)學(xué)生去揭示物理知識(shí)的發(fā)生原因、經(jīng)歷物理知識(shí)的形成過(guò)程以及感受物理知識(shí)的作用等[4]，使物理虛擬實(shí)驗(yàn)課程成為學(xué)生的“亞研究”“再創(chuàng)造”的過(guò)程。AR學(xué)具為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程授課方式提供了一種嶄新的視角，也為虛擬學(xué)具的共享、共建、共用提供了新的平臺(tái)，還是未來(lái)物理實(shí)驗(yàn)課程在遠(yuǎn)程教育發(fā)展上的重要分支。

參考文獻(xiàn)：

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