基于AR的物理教學探析

鄧先君 喬翠蘭

(華中師范大學物理科學與技術學院 湖北 武漢 430079)

在教育信息化背景下，“人工智能”“深度學習”“機器學習”“數(shù)據(jù)挖掘”“虛擬現(xiàn)實”等概念已經(jīng)在教育和教學的各個領域多有滲透,教育與技術的融合進一步加強.作為新時代的教師,有必要對教育技術投注更多的關注和學習,對相關技術做在教育實施層面工具性的理解和分析,充分理解并嘗試信息技術手段,辯證地做好教育落實.接下來以AR為切入點,結合VR,AR,MR,全息成像技術等,來討論感官技術對教學的影響.

1 VR AR MR簡介

在古代,已經(jīng)有“莊周夢蝶”的典故,也有“周公解夢”的故事,人們對于夢境和現(xiàn)實之間的思考,應該是最早對“虛擬現(xiàn)實”的關注.而海市蜃樓,霓虹燈、自然光學現(xiàn)象也給人無限遐想,對于“像”的概念延續(xù)到光學概念和鏡像理論,這些也是“虛擬現(xiàn)實”.

在現(xiàn)代技術理論中,人們傾向于認為VR 是綜合利用圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實及控制接口設備,在計算機上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺的技術.格里戈雷·博迪等在《虛擬現(xiàn)實技術》中指出虛擬現(xiàn)實有:沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和構想性(Imagination)的“3I”特征[1].

增強現(xiàn)實(Augmented Reality,簡稱AR)是廣義上虛擬現(xiàn)實的擴展.AR通過計算機技術將虛擬的信息疊加到真實世界,真實的環(huán)境和虛擬的物體實時融合到同一個畫面中.VR 呈現(xiàn)的場景全部是計算機生成的虛擬畫面,而AR允許用戶看到真實世界以及融合于真實世界之中的虛擬對象[2],“增強”了現(xiàn)實中的體驗.混合現(xiàn)實(Mixed Reality，簡稱MR)則在技術概念范圍更大,不僅身兼AR和VR,還在協(xié)調的基礎上,開創(chuàng)了更多新的技術手段,有一系列新的算法和實現(xiàn)方式.

無論是純粹的光學虛幻,還是“夢想照進現(xiàn)實”的增強現(xiàn)實,或在感官上無法區(qū)分的混合現(xiàn)實技術,最終還是逃不開“真實”和“虛假”的基本對立命題.但是,從教育技術的角度來看,他們對于教育的技術支持都是相似的,不宜作嚴格的技術層面區(qū)分,可把它們統(tǒng)一作為支持教育的信息技術手段.以下行文中VR,AR,MR等相關技術手段,作為一個整體統(tǒng)一表述為AR,或者“AR及其相關技術”,不再區(qū)分說明.

2 基于AR的教學設計

根據(jù)AR以及相關技術特點,其應用于教學有以下可能.

由于AR系列增強顯示相關技術擴大并且豐富了視覺呈現(xiàn)的方式和存在的場合.除了能夠較為逼真地創(chuàng)造出沉浸式的虛擬實驗環(huán)境,還能夠在相對有限的空間里展示復雜多樣的實驗場景.也就是說,可以把更多的實驗場景和需要觀察的教學對象通過AR技術移植到課堂環(huán)境中來.

(1)將宇觀的教學場景通過AR相關技術融合到教學中

案例1:月食模擬[3]

通過VR Cardboard觀察月食現(xiàn)象,如圖1所示.從宇宙視角分析月食成因,探索宇宙中太陽、月亮、地球的運動軌跡以及月食現(xiàn)象,幫助學生理解月食產(chǎn)生的原因.

圖1 月食模擬

類似的,還有關于太陽系的模擬等天文學和天體物理相關的實驗,在技術運用上已經(jīng)比較成熟,常見于科技館的展廳.

克拉瓦拉等人演示過一個天文學教學的例子[4],在AR 環(huán)境中教師和學生可通過旋轉虛擬地球探究太陽和地球、白天和黑夜的關系.

(2)將微觀的教學場景通過AR相關技術融合到教學中

案例2:化學金剛石[3]

結合PC或平板教學,使用AR技術并通過自然交互方式操作碳原子,探究其如何結合成金剛石的過程.如圖2所示，在討論晶體結構時的視覺呈現(xiàn).

圖2 晶體結構

案例3:化學水分子[3]

結合PC或平板教學,使用AR技術并通過自然交互方式操作氫原子和氧原子,探究其如何結合成水分子的過程.如圖3所示的水分子結構展示.

圖3 水分子結構

北京師范大學蔡蘇團隊研發(fā)的微觀粒子交互式實驗,主要是對中學化學課程中基于增強現(xiàn)實的學習工具補救性學習效果的研究[5].

對于原子分子結構的AR相關技術應用,能夠更好地幫助學生較為直觀地完成模型建構,并且能夠多角度、全視角地觀察分子、原子結構的動態(tài)結構,相比較傳統(tǒng)的球棒結構模型,雖然對于學生動手能力或者直接的空間架構能力有一定的削弱,但是能夠更動態(tài)直觀,并且結構體驗感更強.

(3)將危險的教學場景通過AR相關技術融合到教學中

物理中的一些高壓放電現(xiàn)象,閃電的形成等教學實驗,如果在真實的實驗場景中實驗控制條件嚴苛,且容易造成危害.通過AR實驗來做教學展示,不僅在原理上能夠更豐富地說明,而且更逼真,不會太多地降低實驗的感官體驗.

化學生物學中的一些有毒氣體的制備或需要用到有毒制劑的實驗,也可以利用AR實驗來做無害且無損實驗效果的功能展示.美國Z Space公司已經(jīng)在生物學中的人體解剖、器官構造方面展開相關的VR教學應用.

(4)將思想實驗、模型化的教學場景通過AR相關技術融合到教學中

案例4:模擬電場線[3]

結合平板教學,展示同種、異種電荷的電場線,并由學生自行操作帶電粒子進入到電場中對電場實時影響，如圖4所示為電場的模擬.

圖4 電場的模擬

案例5:磁場可視化[3]

使用AR Kinect體感設備將不可見的磁場可視化出來,并可通過自然交互探究在不同條件下磁場的相互作用，如圖5所示為磁場的模擬.

圖5 磁場的模擬

將為描述方便而人為引入的“電場線”“磁感線”“光線”等物理概念通過AR讓學生直觀的感知,進而豐富“沉浸感”和“交互式”教學體驗,營造富于“構建”的教學氛圍.

以上4個部分,我們看到了AR相關技術對于現(xiàn)象環(huán)境的感官呈現(xiàn)支持,在一些具體的案例中我們可以看到基于新技術的視覺呈現(xiàn)方面的優(yōu)勢.AR 應用于教育還處于不成熟的碎片化介入階段,對于主題的研究設計也依然有很多亟待開發(fā)的部分.

3 基于AR的物理教學設計設想——以“碰撞”為例

“碰撞”屬于動量守恒定律的實例應用,帶有原理鞏固、規(guī)律分析和習題課性質.內容上,由于要體現(xiàn)動量守恒定律的普適性,教學內容安排相對豐富,包括常規(guī)一維碰撞的能量分析,二維碰撞的動量守恒分析,微觀粒子散射的介紹.是對動量、能量、矢量的綜合處理.方便從AR技術角度適合做比較全面的教學設想,且具備一定的教學代表性.

3.1 基于AR技術的教學目標設定

我們寄希望于通過AR技術,對于碰撞現(xiàn)象做更為豐富全面動態(tài)性的教學場景和物理參量設計展示.

第一,通過AR技術完成教材陳述的“碰撞是十分普遍的現(xiàn)象,特別是在了解微觀粒子的結構與性質的過程中,碰撞起著重要的作用”的普遍性展示;第二,借助AR相關技術完成碰撞過程中的維度拓展,在二維矢量空間的建構和數(shù)學模型的處理方面多做展示;第三,通過AR相關技術做類似于汽車質量檢測的碰撞,做數(shù)學模型的檢測,討論大質量物體與小質量物體之間的碰撞模型計算,增強學科情感態(tài)度體驗.

3.2 具體的AR實驗教學設計

實驗系列: 關于碰撞的展示、設想

(1) 布朗運動的AR技術呈現(xiàn).通過液體分子的無規(guī)則運動對于懸浮其中的固體小顆粒在不同切面上的撞擊數(shù)目不同,觀察小顆粒的不規(guī)則運動路徑;

(2) 宇觀層面的碰撞呈現(xiàn).“彗星撞地球”的場景;

(3) 汽車的質量檢測碰撞實驗;

(4) 汽車和小質量物體的碰撞實驗;

(5) 微觀粒子, LHC (Large Hadron Collider) 中的微觀粒子碰撞;

(6)α粒子散射實驗;

(7) 二維、三維粒子碰撞的動量合成矢量圖.

3.3 實驗與教學的結合

例如,數(shù)據(jù)分析的實驗結合:一個質量為m1,速度為v1的小球,與一個質量為m2的靜止小球在光滑水平面上發(fā)生彈性碰撞,如圖6所示.

圖6 運動小球m1與靜止小球m2碰撞

動量守恒,則有

(1)

動能守恒,則有

(2)

聯(lián)立有

(3)

(4)

結果分析:

(1) 如果m1=m2，二者交換速度;

(2) 如果m1

(3) 如果m1?m2，m1速度幾乎不變,m2以兩倍的v1被撞出去.

教師引導:這些結果在實際生活中有何體現(xiàn)?此處可引入AR相關實驗.

學生:斯洛克臺球有時候白球占據(jù)被擊打的小球位置,交換速度;籃球撞地球;車禍屬于第三點,所以車禍很危險,大家需小心.

拓展探究一:

質量為m1，速度為v1的小球，與質量為m2，速度為v2的小球，在水平面上一維彈性碰撞,如圖7所示，有

圖7 兩個運動小球碰撞

(5)

(6)

將式(5)、(6)重新構造得

(7)

即

或

其物理意義是:

碰撞后B相對于A的速度與碰撞前B相對于A的速度大小相等,方向相反;

或碰撞后A相對于B的速度與碰撞前A相對于B的速度大小相等,方向相反.

故從相對運動的視角看一維彈性碰撞有:

【結論1】對于一維彈性碰撞, 若以其中某物體為參考系, 則另一物體碰撞前后速度大小不變, 方向相反 (即以原速率彈回) .相對運動部分的參考系變換建議借助AR感官呈現(xiàn).

結合式(5)、(7)解得

(8)

此即第一部分式(3)、(4)的一般形式.

拓展探究二:

教師引導:在第一部分,得出了彈性碰撞的兩組方程,對于非彈性碰撞,由于不知道能量關系,所以沒有介入能量方程.

問:我們能不能討論非彈性碰撞的問題呢?引入能量損失最大的碰撞,定義為完全非彈性碰撞.

探究討論:建立“廣義碰撞模型”

教師引導:

由圖8所示，在光滑水平面上，質量為m1的小球以速度v1與贅有輕彈簧、質量為m2的小球碰撞，m2的初速度為v2.m2后面贅一個輕質彈簧,通過彈簧的彈力作用將常規(guī)碰撞的短時沖擊內力給緩釋出來,在時間上延長,以分析運動狀態(tài)變化及能量轉化.這種模型化的處理當然通過AR比直接的想象應該稍微具體,或許能夠促進更多學生的更深刻理解.

圖8m1通過輕質彈簧與m2碰撞

過程分析:

圖9 壓縮至最短

(2) 達到共同速度后,m1繼續(xù)減速,m2繼續(xù)加速, 二者之間的距離由最小值開始變大.如圖10所示，彈簧對系統(tǒng)做正功,彈簧彈性勢能開始釋放出來.如圖10所示,當彈簧恢復到原長時,系統(tǒng)動能再次回到初值,此時二者速度關系為式(8);

圖10 恢復原長

圖11 伸長量最大

【結論2】對于一維完全非彈性碰撞, 系統(tǒng)的動能損失最大, 此時, 相互作用的兩個物體具有共同速度.

4 關于AR技術教學應用之展望思考

《“十三五”國家信息化規(guī)劃》指出：“超前布局前沿技術、顛覆性技術” “加強全息顯示、虛擬現(xiàn)實等新技術基礎研發(fā)和前沿布局,構筑新賽場先發(fā)主導優(yōu)勢”[6].國務院、發(fā)改委、工信部、文化部及各級地方政府均制定了相關的配套文件,對VR技術進行政策鼓勵, VR 受到了前所未有的支持[7].從技術層面、社會層面以及教育層面對新技術的好奇和嘗試感,促進了AR技術在教學工作中的應用.美國的Z Space公司已經(jīng)有大量基于虛擬現(xiàn)實的設備和教學支持.北京師范大學VR/AR+教育實驗室在三維虛擬學習環(huán)境、VR/AR教育應用、STEM教育等方面作了大量具體的教育研究,給出了相當驚艷的教學案例.華中師范大學國家數(shù)字化學習工程技術研究中心(NERCEL)在未來教室建設方面和基于教育技術的深度學習領域也做出了相應的工作.

物理模型的教學選擇和科學探究追求的AR呈現(xiàn)在未來教育中或可具體體現(xiàn),借助VR/AR 學習環(huán)境,構建技術平臺支撐下的新型教學模式,探求VR/AR 學習環(huán)境如何支持學與教, 以提升學生在課堂教學中的學習效果,通過重塑學習方式回歸教育本質,為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和教學改革提供支持.

但程序設計和操控體系后的教育預設對客觀的影響值得我們從教育心理學角度審慎思考,也值得我們?yōu)榻虒W擔憂.不能親歷真實感,教育的開放性和教育的個性化的實驗操作可能都會受影響.

在實驗室更新過程中,很多的小學甚至大學,把那些木制的、玻璃的、“老舊”的實驗器材丟在垃圾堆中,校園工廠不復存在,不再有基本的小實驗儀器的自我設計和自我生產(chǎn),學生和教師對于真實實驗儀器存在莫大的疏離感.但是真實的實驗研究,科學探究的本質還是要回歸真實.

教育信息化依然是教育創(chuàng)新的必由之路,在教育現(xiàn)代化和創(chuàng)新過程中,需要大量新技術的支持，正像AR在教學領域的應用一樣，同時要注重新技術與傳統(tǒng)技術的融合，使其發(fā)揮更大的作用，增進技術的教育價值.