體感交互技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

體感交互技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

桑妍蓉陸建隆①

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

將體感交互技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)，不僅可以幫助教師創(chuàng)設(shè)更真實(shí)的物理情境,還能優(yōu)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。本文結(jié)合具體案例，探討體感交互技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用。

體感交互;中學(xué)物理教學(xué)；應(yīng)用案例

1 體感交互技術(shù)概述

體感交互技術(shù)又稱動(dòng)作感應(yīng)控制技術(shù),是指實(shí)現(xiàn)人們不需要直接接觸設(shè)備就可以通過(guò)肢體動(dòng)作、眼球轉(zhuǎn)動(dòng)、聲音等控制周邊裝置,讓人們身臨其境地與多媒體設(shè)備進(jìn)行交互的技術(shù)，被稱為“第三次人機(jī)交互革命的原點(diǎn)”。

任天堂2007年推出的Wii和微軟2010年推出的Kinect，使體感交互技術(shù)第一次走進(jìn)公眾視野,這兩款商業(yè)化產(chǎn)品帶來(lái)了“體感游戲”這一游戲的新玩法,并且取得了非常不錯(cuò)的口碑,其中最經(jīng)典的莫過(guò)于“打網(wǎng)球”和“切水果”的游戲。玩家只需要站在電視機(jī)前揮動(dòng)手臂,便可以完成與體感交互設(shè)備的互動(dòng)。主機(jī)會(huì)分辨玩家做出的動(dòng)作并與游戲場(chǎng)景進(jìn)行整合,玩家就可以用簡(jiǎn)單的肢體動(dòng)作進(jìn)行游戲。相比于機(jī)械操作或觸摸式操作,這種人機(jī)交互方式更為簡(jiǎn)單、自然。

體感交互技術(shù)使人們?cè)诳刂贫嗝襟w方式的自然度上達(dá)到了一個(gè)新的高度，采用體感交互技術(shù)時(shí)人們無(wú)須為實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)而進(jìn)行額外的學(xué)習(xí),減輕了人們對(duì)鼠標(biāo)、鍵盤等非自然的操控方式的依賴,緩解了手指與鼠標(biāo)、鍵盤的緊張關(guān)系,在一定程度上解開了其對(duì)用戶自由的限制,使用戶有更多的精力關(guān)注于任務(wù)本身，并能實(shí)現(xiàn)更快速的互動(dòng)。

2 體感交互技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

(1)優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

教師能夠利用體感交互設(shè)備整合多樣的教學(xué)內(nèi)容,創(chuàng)設(shè)更真實(shí)的物理情境,讓學(xué)生不再需要憑空想象或是只能觀察投影幕布上的圖像,而是能夠與物理情境進(jìn)行互動(dòng),更直觀地了解物理情境中的各個(gè)細(xì)節(jié),多種感官并用，增強(qiáng)了物理情境的真實(shí)感,使學(xué)生更容易沉浸到物理的世界中去。同時(shí),新穎的操作方式會(huì)讓學(xué)生更愿意親自動(dòng)手試一試,由此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)利用這種新穎的多媒體技術(shù)可以讓教師的教學(xué)方式更加多樣,增加課堂的趣味性以及互動(dòng)性,深深吸引學(xué)生的注意力,營(yíng)造活躍但不散亂的課堂氣氛,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

(2)加強(qiáng)師生互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生生互動(dòng)

師生互動(dòng)在物理課堂上往往表現(xiàn)為言語(yǔ)互動(dòng)或行為互動(dòng),這兩種互動(dòng)的最終目的都是進(jìn)行認(rèn)知互動(dòng)。采用體感交互技術(shù)的課堂可以有效促進(jìn)師生間的行為互動(dòng),即教師和學(xué)生可以同時(shí)對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行操作,在學(xué)生操作的過(guò)程中,教師可以幫助學(xué)生指出錯(cuò)誤,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正確的操作。這種技術(shù)同樣可以應(yīng)用于多個(gè)學(xué)生之間,同一小組的學(xué)生可以同時(shí)控制一臺(tái)體感交互設(shè)備,實(shí)現(xiàn)同時(shí)操作功能,增強(qiáng)學(xué)生的合作意識(shí)。

(3)增加控制距離，升級(jí)電子白板

如今許多學(xué)校都已引進(jìn)電子白板代替?zhèn)鹘y(tǒng)投影幕布，電子白板的優(yōu)勢(shì)是教師可以直接通過(guò)觸摸點(diǎn)擊白板進(jìn)行操作,即將傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛|摸控制,讓教師和學(xué)生關(guān)注的對(duì)象一致化。但電子白板仍存在一些問(wèn)題,比如教師還是需要到講臺(tái)上觸摸電子白板才能對(duì)其進(jìn)行操作,無(wú)法完全將教師從講臺(tái)上解放出來(lái)。但是結(jié)合了Kinect的體感交互式電子白板則完美地解決了這一問(wèn)題,教師只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的手勢(shì)就能實(shí)現(xiàn)PPT的翻頁(yè)、圈劃、擦除等動(dòng)作,教師可以完全自由地融入學(xué)生中間,與學(xué)生進(jìn)行良好的互動(dòng)。

(4)突破思維局限，擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)空間

理想實(shí)驗(yàn)又稱假想實(shí)驗(yàn),它是人們?cè)陬^腦中塑造的理想過(guò)程。以往學(xué)生只能通過(guò)邏輯推理在頭腦中想象該實(shí)驗(yàn)最終會(huì)出現(xiàn)的情況,或是觀察教師并不嚴(yán)格的演示實(shí)驗(yàn)。在鍛煉學(xué)生推理思維能力的基礎(chǔ)上,利用體感交互技術(shù)將實(shí)驗(yàn)最大限度地還原，印證學(xué)生的推理結(jié)果,會(huì)讓學(xué)生留下更深刻的印象。

虛擬實(shí)驗(yàn)是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營(yíng)造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)本身就是多媒體技術(shù)輔助的產(chǎn)物,若在此基礎(chǔ)上加入體感交互技術(shù),可以使操作起來(lái)更具有真實(shí)感,提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

3 體感交互技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 教師層面

(1)創(chuàng)設(shè)更真實(shí)的物理情境

中學(xué)物理教學(xué)中創(chuàng)設(shè)物理情境的作用是引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)的創(chuàng)設(shè)物理情境方式，常常是教師利用視頻或圖片直觀顯示物理情境。但無(wú)論是圖片或是視頻的方式,都無(wú)法實(shí)現(xiàn)學(xué)生與物理情境之間的互動(dòng),這會(huì)大大減弱情境創(chuàng)設(shè)的真實(shí)度,從而達(dá)不到教師進(jìn)行物理情景創(chuàng)設(shè)的初衷。在原有的物理情境中加入體感交互環(huán)節(jié),則可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生與物理情境之間的互動(dòng)。

例1：體感交互技術(shù)在初中物理“光的傳播”中的應(yīng)用。該內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生理解并掌握光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播的特點(diǎn)。在進(jìn)行教學(xué)時(shí),教師可采用“井底之蛙”這個(gè)成語(yǔ)來(lái)進(jìn)行物理情境的引入。傳統(tǒng)的方式是直接提問(wèn)學(xué)生：為什么井底之蛙只能看到一小片天空？此時(shí)學(xué)生需要想象井底之蛙的處境后進(jìn)行思考,對(duì)于沒(méi)有類似生活經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來(lái)說(shuō)是非常困難的,這樣的物理情境無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。若將體感交互技術(shù)應(yīng)用到該情境中去,學(xué)生便可以成為那只井底之蛙,從井底之蛙的視角看到幕布上的一片天空,然后向左轉(zhuǎn)頭,向右轉(zhuǎn)頭。此時(shí),體感交互設(shè)備可以捕捉到學(xué)生的轉(zhuǎn)頭動(dòng)作,從而切換幕布上的可視場(chǎng)景,讓學(xué)生了解井底之蛙到底能看到多大天空。這種代入感十足的物理情境更能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,引發(fā)學(xué)生的思考。

(2)繪制物理圖像

體感交互技術(shù)本身利用了光學(xué)感測(cè)和慣性感測(cè),因此可直接利用體感交互技術(shù)進(jìn)行物體加速度的測(cè)量,可達(dá)到類似于DIS實(shí)驗(yàn)的效果。

例2：體感交互技術(shù)在高中物理“自由落體運(yùn)動(dòng)”中的應(yīng)用。該內(nèi)容傳統(tǒng)的探究方式是：利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄做近似自由落體運(yùn)動(dòng)的重錘的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,再通過(guò)對(duì)紙帶的分析得到自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。隨著DIS實(shí)驗(yàn)的普及,我們可以利用位移傳感器讓電腦自動(dòng)生成x-t圖像,再利用求導(dǎo)功能輕松找出做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體的加速度。但是,這個(gè)實(shí)驗(yàn)必須做好做自由落體運(yùn)動(dòng)傳感器的保護(hù)工作,避免損壞,并且在下落的過(guò)程中也要避免傳感器轉(zhuǎn)動(dòng),比較困難。若利用體感交互技術(shù)中對(duì)物體的追蹤功能,可以非常簡(jiǎn)單地得到任意物體下落的v-t圖像,如此教師便可利用粉筆頭等材料直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS實(shí)驗(yàn),結(jié)合了體感交互技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)更加方便快捷。

3.2 學(xué)生層面

(1)親自動(dòng)手“做”實(shí)驗(yàn)

體感實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于學(xué)生不僅可以觀察到物理現(xiàn)象,還能夠感受到物理現(xiàn)象，結(jié)合了體感交互技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)同樣可以達(dá)到異曲同工之妙。在傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)者往往只扮演實(shí)施者這一個(gè)角色。然而,如果讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)器材的一部分,不僅可以吸引學(xué)生的興趣,還可以讓學(xué)生得到更直觀的感受。

例3：體感交互技術(shù)在初中物理“探究凸透鏡成像規(guī)律”中的應(yīng)用。該內(nèi)容的教學(xué)一般是采用探究實(shí)驗(yàn)課的形式,讓學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,利用蠟燭、透鏡、米尺、光屏等實(shí)驗(yàn)器材,探究物距與焦距處于不同關(guān)系時(shí),像距與像的性質(zhì)所對(duì)應(yīng)的變化。如此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)固然方便直觀,但是這樣模式固定的實(shí)驗(yàn)難以引起學(xué)生的探究欲望。利用體感交互技術(shù)可改進(jìn)該實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以將自己作為物體,在投影屏幕上呈現(xiàn)自己的像。教師可在學(xué)生與投影屏幕之間放置一塊透明玻璃板充當(dāng)透鏡,體感交互技術(shù)可感知學(xué)生與玻璃板之間的距離,然后根據(jù)既定程序,當(dāng)學(xué)生遠(yuǎn)離或靠近玻璃板時(shí),投影屏幕上學(xué)生自己的像隨之變大或變小、正立或倒立。學(xué)生同樣可以通過(guò)測(cè)量自己與玻璃板之間的距離來(lái)確定物距,若將程序升級(jí),還可以直接顯示像距,就可以完成整個(gè)凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)探究了。結(jié)合體感交互技術(shù)的凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)器材的一部分,能夠充分引起學(xué)生的興趣,提高教學(xué)效果。

(2)運(yùn)用物理原理“玩”游戲

利用物理原理設(shè)計(jì)而成的小游戲不勝枚舉,現(xiàn)代智能手機(jī)中的物理小游戲利用了重力傳感器等能夠給用戶帶來(lái)更多的真實(shí)感,但是將其應(yīng)用于課堂教學(xué)中尚有難度。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)由于體積龐大無(wú)法進(jìn)行移動(dòng)而不能進(jìn)行類似手機(jī)APP中的體感游戲。因此,將體感交互技術(shù)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)合,可以讓學(xué)生擁有更好的游戲體驗(yàn),成為游戲的掌控者。

例4：體感交互技術(shù)在“拋體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”中的應(yīng)用。該內(nèi)容的教學(xué)目標(biāo)之一是讓學(xué)生理解平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,知道平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是一條拋物線。在該教學(xué)的最后可以讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)到的平拋運(yùn)動(dòng)的知識(shí)進(jìn)行游戲，游戲是在空中拋出一個(gè)炸彈,炸彈做平拋運(yùn)動(dòng)后砸中水面上正在運(yùn)動(dòng)的小船。利用傳統(tǒng)的多媒體設(shè)備,該游戲只能做到讓學(xué)生用鼠標(biāo)選擇要拋出物體的初速度,當(dāng)小船運(yùn)動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢脮r(shí)點(diǎn)擊發(fā)射按鈕,然后炸彈做平拋運(yùn)動(dòng)砸中小船。在這一過(guò)程中,學(xué)生所做的就是操作鼠標(biāo),沒(méi)有實(shí)驗(yàn)代入感,而真實(shí)進(jìn)行平拋運(yùn)動(dòng)又由于教室場(chǎng)地所限無(wú)法進(jìn)行。體感交互技術(shù)可感測(cè)用戶肢體動(dòng)作的加速度,從而判斷用戶的力度。將其應(yīng)用于此游戲中,學(xué)生便可利用真實(shí)的“拋”的動(dòng)作控制炸彈的初速度,如此學(xué)生便成為游戲的主角,當(dāng)學(xué)生利用自己所學(xué)到的知識(shí)取得游戲的勝利時(shí)，會(huì)進(jìn)一步提升其對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣,形成良性循環(huán)。

4 存在的問(wèn)題

盡管體感交互技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)有諸多的好處,但就現(xiàn)階段而言還存在著許多的問(wèn)題。

首先,體感交互技術(shù)的發(fā)展還不夠成熟,只能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的動(dòng)作或手勢(shì)識(shí)別,骨骼追蹤等精細(xì)的動(dòng)作識(shí)別仍在開發(fā)當(dāng)中。因此,當(dāng)其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)候,有可能會(huì)無(wú)法分辨學(xué)生手部的精細(xì)動(dòng)作從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法正常進(jìn)行。

其次,雖然體感交互技術(shù)相對(duì)于普通的人機(jī)交互更能給人真實(shí)的體驗(yàn),但它始終不能代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)、真實(shí)互動(dòng)帶給學(xué)生感官上的沖擊。因此,體感交互技術(shù)還需要和VR技術(shù)等其他虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行更多的結(jié)合,才能帶給學(xué)生更優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)體驗(yàn),更好地解放學(xué)生的思想,讓學(xué)生進(jìn)行大膽的想象并且更便捷地實(shí)現(xiàn)自己思維中的實(shí)驗(yàn)。

最后,雖然體感交互設(shè)備能夠接受多個(gè)用戶同時(shí)的操作指令,但在真實(shí)的課堂中,一個(gè)班級(jí)的學(xué)生由于數(shù)量過(guò)多無(wú)法對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行操作,因此教師會(huì)將學(xué)生分組,那么,一臺(tái)體感交互設(shè)備必然是不足夠的。因多臺(tái)設(shè)備距離過(guò)近，可能會(huì)導(dǎo)致指令的混亂,并且多臺(tái)設(shè)備也增加了成本,這些問(wèn)題都是亟待解決的。

[1] 袁旭,劉典煥.體感交互技術(shù)在大學(xué)課堂的應(yīng)用研究[J].軟件導(dǎo)刊(教育技術(shù)),2016,(5):23-24.

[2] 李青,王青.體感交互技術(shù)在教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀述評(píng)[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2015,(1):48-56.

①名師簡(jiǎn)介：陸建隆(1962— )，江蘇常州人，南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究高考物理命題、物理課程與教學(xué)論。