虛實融合的物理實驗自主學習環境設計與實現*

段 延，倪 晨，吳天剛，方 愷，張 睿

（同濟大學 物理科學與工程學院，上海 200092）

一、引言

當今社會，全球正經歷以信息、能源、材料、生物工程和空間技術等新技術為主導的科技革命。實驗作為開展科學研究的重要手段，在新技術革命中發揮重要的先導作用。我國《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中明確指出要大力建設虛擬實驗中心，構建高度仿真的虛擬實驗環境，實現虛實結合、相互補充，提升實驗教學水平。在互聯網+教育的教學改革背景下，如何運用網絡或移動網絡為載體，創建教學內容豐富、適合自主學習、激發學生創新能力的數字化實驗教學環境，已逐漸成為實驗室建設及實驗教學的關鍵問題。

近些年來，虛擬現實和增強現實等創新技術的涌現，為教育創新，尤其是實驗教學技術的發展注入了新的活力。地平線報告（2016）高等教育版指出:自帶設備及增強現實和虛擬現實等技術在未來的2～3年內將會在高等教育中占據突出的位置。移動增強現實技術（MAR）是指在iOS、Android等智能終端利用寬帶移動通信技術，移動定位與狀態感知技術、多媒體技術等為基礎的増強現實技術，具有虛實結合，三維注冊，實時互動性的特點[1][2]。研究發現，增強現實技術使學習信息的搜索更加便捷，交互更加自然，與移動學習相輔相成，集文本、圖文、視頻等多媒體的優勢，提高學習有效性[3][4]。實驗教學中利用增強現實技術，可構建虛實融合的物理實驗自主學習環境，把實驗現象呈現在學習者眼前，揭示關鍵，化解難點，增強體驗者的真實性，提高學習者信息搜索的效率及實驗儀器的認知深度，從多角度多方面學習知識，提升認知層面，激發學生創新能力，培養學生的科學素養，促進教學效果的提升。

二、設計原則

物理實驗教學注重學生對實驗過程的理解和科學態度的形成，并且希望通過各種物理實驗活動來培養學生敏銳的觀察能力、靈活的思維能力和嫻熟的動手能力，養成嚴謹求實的科學作風，提高他們的科學素養[5]。物理實驗的學習過程一般包括：確定實驗目的，學習實驗原理，熟悉實驗儀器，觀察實驗現象，數據記錄，計算與分析實驗結果。其中，情境、資源、認知工具、支架和學生構成了虛實融合的物理實驗自主學習環境的穩定要素，也構成了其基本框架[6]。框架如圖1所示，根據學生們的學習目標，疊加具有時效性、互動性、內容豐富性的虛擬資源，如實驗原理，實驗儀器的注意事項，以及實驗的應用拓展等。學生自然的進入最佳的情緒體驗當中，促進學習者知識技能和經驗之間的連接。自主學習環境模型中的目標性支架幫助學生明確自己的實驗目的，問題性支架引導學生實驗規劃，以及工具性支架則幫助學生更好的完成實驗步驟。環境中的三維模型展示、注意事項、應用拓展等構成了語義組織、信息獲取、知識建構等認知工具，擴充學生的思維過程，培養學生的自主學習能力、思維能力、解決問題和創新的能力。設計依據以下教學理論。

1.情境性

圖1 物理實驗自主學習環境框架

情境認知理論的代表人物Brown、Collins與Duguid[7]認為：知識是具有情境性的，是活動、背景和文化產品的一部分，在活動、情境以及文化中不斷被運用和發展。情境感知學習的最大特點是能夠從學習者的周圍收集環境信息以及工具設備信息,并為學習者提供與之相關的學習活動和內容。增強現實類學習環境營造一種基于真實的混合自主環境，其虛實結合，三維沉浸的獨特優勢容易激發學生的學習興趣，全面的理解實驗原理，靈活的探索教學內容的本質和規律。學生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉變為信息加工的主體、知識的主動建構者，從而達到實驗教學一貫倡導的培養學生自主性、創新性的教學，促進教學效果的最優化。

2.移動性

認知靈活性理論是由美國心理學家Spiro提出的，強調在教學中要避免抽象的概念講解，而應將概念具體到一定的實例中，與具體情境聯系起來[8]。該理論繼承了建構主義關于學習的基本觀點，并為移動學習提供了理論基礎。在物理實驗中，創建一個虛實融合的自主學習環境，學習者可以把概念與具體情境聯系起來，引導他們建構新的理解，從多個角度理解概念。學習者不受時空限制觀察實驗現象，理解實驗原理，與實驗環境或設備進行實時交互，達到了自由自在、隨時隨地進行不同目的、不同方式的學習。

3.交互性

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

圖2 程序與經驗之塔融合

三、實現過程

虛實融合的物理實驗自主學習環境的構建主要分為四個階段。如圖3所示。第一階段為需求分析。分析學習環境的功能，收集所需素材，配置底層編譯環境。第二階段為設計階段，規劃環境整體布局，設計素材呈現，AR功能實現及交互方式。第三階段為開發階段。制作三維模型，配置環境變量，編寫交互代碼。第四階段是調試與發布。經調試修改，發布到Android平臺。

圖3 總體設計流程

1.開發工具

我們所用到的開發工具如下：①Autodesk 3ds Max 2017，由Autodesk公司開發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和移動設備等多個平臺，不會顯示水印，也沒有識別次數限制，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，支持多目標同時跟蹤。EasyAR SDK for U-nity3D（unitypackage）允許用戶在Unity 3D開發環境中快速開發出增強現實應用,簡化開發過程。③Unity 3D，最初創建于丹麥的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游戲開發的標準工具[11]。

2.開發過程

我們把制作的三維仿真模型保存為FBX格式，FBX文件可以作為多個軟件的中間格式，跨平臺，包含材質、動畫、燈光等，方便在Unity3D中二次開發。在U-nity3D開發平臺中，配置Android SDK和NDK，以及Java JDK，搭建Android平臺開發環境。導入EasyAR SDK，配置增強現實開發環境。仿真模型的交互，虛實場景的呈現，以及模型的二次開發都在Unity3D中實現，最終設置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入到Unity3D中，設置其長度匝數等基本參數，根據畢奧薩伐爾定律：

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控制磁感線的效果。通過把目標圖片導入到ImageTarget目錄下，綁定EasyImageTargetBehaviour腳本，并在json文件中編寫相應代碼實現匹配過程。調用GUI.Button和unity3D中UI功能實現界面的優化和場景的轉換。利用Application.OpenURL實現學習資源的鏈接，Application.platform調用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

3.效果實現

在虛實融合的自主學習環境下，物理學習過程如下圖5和圖6所示。在實驗室環境下，學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，一經匹配即可進入增強現實學習環境。當掃描到實驗儀器時，預設的物理三維模型自動疊加在儀器視圖上。可以幫助學生理解相關理論模型。實驗中，學生進入關鍵步驟或操作重要儀器時，系統會及時彈出“注意事項”標簽，顯示實驗參數的范圍以及相應的注意事項，給與學生們實時提醒，避免毀壞實驗元件。人機交互方式便捷，學生們通過輸入變量觀察實驗效果，也可通過放大縮小旋轉操作多角度進行觀察。自主學習環境包含有豐富的學習資源，學生們可以觀看實驗視頻，瀏覽講義，實驗自測等，按需選擇學習內容。學生也可以掃教材上的相關原理圖，進入自主學習環境。

圖5 自主學習環境下學習過程

圖6 實踐效果圖

四、實踐應用評價

我們隨機抽取了20名學生對虛實融合的自主學習環境下的物理實驗學習過程滿意度進行了調查，問卷采用李克特量表設計，共有6個選項，從非常滿意到非常不滿意，分值對應由高到低排列[12][13]。問卷調查包括內容有效性，結構的接受度以及體驗的滿意度三個方面的內容[14]。內容有效性反應學生對學習環境提供的物理實驗內容是否滿意，結構接受性顯示學生對虛實融合表現形式的態度，體驗滿意度則反應學生對這一學習環境的滿意程度。依據簡明性、邏輯性、明確性等原則，根據不同的調查目的，我們設計了不同的題目，利用均值表現學生對虛實融合的物理實驗自主學習環境的平均意向或態度。問卷的Cronbacha α信度系數為0.904,這表明調查結果可靠。另外我們隨機訪談了8位學生，整個過程中，我們隨時觀察和記錄學生的表現。

1.問卷分析

如表1是對結構的描述性統計，“我會將這個程序介紹給我的同學”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）。此結果表明，學生對程序的接受度較高，愿意介紹給其他人，而其內部的顏色需要稍作修改，盡可能的讓學生的注意力都集中在內容的呈現上，更好的完成物理實驗。

表1 接受性統計

如表2是對程序內容的描述性統計，在這個表中，平均得分皆在5分以上，這表明絕大多數學生認為程序中的內容和實驗相關，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 內容的有效性統計

如表3是對滿意度的描述性統計，在這個表中，“增強現實讓物理實驗變得更有趣”和“我希望更多的物理實驗能運用到增強現實技術”得分均為5.80，表明學生對在物理實驗中引入增強現實有很大的熱情，并且大部分學生認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期的效果。

表3 滿意度統計

2.訪談分析

訪談分析可獲得完全的訪談數據，問句內容較有彈性，又可隨時補充和反問，有助于深入了解問題。研究表明，僅5個用戶會發現約80%的產品可用性問題（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位學生，并觀察和記錄學生在實驗教學過程的表現。。從學生的記憶，期望和動機，行為，意義，情感5個方面設計了訪談的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）你覺得這個程序對你最大的幫助是什么？（意義）

（5）請描述你的整體感覺，一些關鍵字就可以了（情感）

訪談結果表明，學生們認為這個程序提高了他們的學習興趣,使他們更方便地搜索信息。他們認為磁線增加空間感,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。

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

五、總結與展望

實踐表明，在移動學習中加入增強現實技術，創建一個符合情境的，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境，有助于激發學生的學習興趣，提高認知水平，達到培養自主學習及創新實踐能力的目的。隨著計算機網絡、人工智能等技術的快速發展，以培養學生的自主學習、自主實驗、自主創新能力為目標的自主實驗學習環境將日趨完善，逐漸形成互聯網+教育背景下的新型實驗教學模式，成為實驗教學改革和卓越人才培養的有效途徑。

[1]Azuma R T.A survey of augmented reality[M].MIT Press,1997.

[2]Azuma R,Baillot Y,Behringer R,et al.Recent Advances in Augmented Reality[J].IEEE Computer Graphics&Applications,2001,21(6):34-47.

[3]Chi-Chih Yu,Lieu-Hen Chen,Shun-Chin Hsu.An Edutainment System on the Converged Mobile Phone to PromoteTraditional Culture-Using Chinese Chess as an Example[J].IEEE Multidisciplinary Engineering Education Magazine,2010,(3):1-9.

[4]Uluyol C,Agca R K.Integrating mobile multimedia into textbooks:2D barcodes[J].Computers&Education,2012,59(4):1192-1198.

[5]陶洪.物理實驗教學論[M].南寧:廣西教育出版社,1996:1-2.

[6]張娜.基于網絡的大學生自主學習環境的建構研究[D].南京：南京航空航天大學,2006.

[7]Brown J S,Collins A,Duguid P.Situated Cognition and the Culture of Learning[J].Educational Researcher,1989,18(1):32-42.

[8]王建華,李晶,張瓏.移動學習理論與實踐[M].北京:科學出版社,2009:50.

[9]張燕,翔朱赟,董東.從“經驗之塔”理論看增強現實教學媒體優勢研究[J].現代教育技術,2012(5):22-25.

[10]陳向東,張茜.基于增強現實的教學演示[J].中國電化教育,2012(9):102-106.

[11]金璽曾.Unity3D手機游戲開發[M].北京:清華大學出版社,2013:1.

[12]Chu H C,Hwang G J,Tsai C C.A knowledge engineering approach to developing mindtools for contextaware ubiquitous learning[J].Computers&Education,2010,54(1):289-297.

[13]Chu H C,Hwang G J,Tsai C C,et al.A twotier test approach to developing location-aware mobile learning systems for natural science courses[J].Computers&Education,2010,55(4):1618-1627.

[14]Cai S,Wang X,Chiang F K.A case study of Augmented Reality simulation system application in a chemistry course[J].Computers in Human Behavior,2014,37(37):31-40.

[15]Nielsen J.Usability Engineering[M].New York:Academic Press,1993.

[16]Virzi R A.Refining the test phase of usability evaluation:how many subjects is enough?[M].Human Factors&Ergonomics Society,Inc.1992.