AR技術(shù)與紙質(zhì)教材相融合的物理實驗教學(xué)研究

鄭志遠(yuǎn) 董愛國 李傳濤 黃昊翀 張自力

(中國地質(zhì)大學(xué)物理實驗教學(xué)中心，北京 100083)

2012年3月，教育部印發(fā)了《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》和《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》，在規(guī)劃中明確提出了創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源共建共享機(jī)制、實現(xiàn)教育信息化可持續(xù)發(fā)展的新思路。中國地質(zhì)大學(xué)(北京)物理實驗教學(xué)示范中心承擔(dān)全校25個專業(yè)1600名本科生的物理實驗課，教學(xué)任務(wù)繁重。為進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，順應(yīng)時代發(fā)展，不斷加強(qiáng)教學(xué)方法的改革與探索，加強(qiáng)新技術(shù)與實驗教學(xué)的融合，擴(kuò)大信息化建設(shè)在實驗室建設(shè)中的比重[1-3]。例如，由于實驗中心實行寒暑假開放規(guī)定，學(xué)生在寒暑假期間可以完成下學(xué)期的實驗課。為了方便學(xué)生在假期間完成實驗，實驗室對實驗內(nèi)容中的原理講解和操作步驟拍攝了教學(xué)視頻[4]。為探索新的考核機(jī)制、深化實驗教學(xué)的考試方式，對原有的考核方法進(jìn)行大膽嘗試。將信息技術(shù)應(yīng)用到了考試環(huán)節(jié)，實行了虛擬仿真操作考試，這即體現(xiàn)了實驗課程本身的特點(diǎn)，又充分發(fā)揮了新信息技術(shù)的優(yōu)勢[5]。為了滿足學(xué)生在課外完成科技創(chuàng)新實驗項目的需求，建立了普適性工具和普適性檢測儀器的虛擬仿真操作軟件[6,7]。另外，所有這些信息化建設(shè)工作都取得了很好的教學(xué)效果，但目前依然存在一些問題。

(1)學(xué)生在實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中不求甚解，照抄講義，應(yīng)付課堂檢查為目的，沒有深入了解實驗內(nèi)容，對于具體操作過程更是一無所知。這不僅沒有達(dá)到實驗預(yù)習(xí)的目的、降低了實驗效率以及教學(xué)質(zhì)量，而且還滋生了學(xué)生不良學(xué)習(xí)習(xí)慣。(2)受到專業(yè)本身特點(diǎn)的影響，中國地質(zhì)大學(xué)的很多學(xué)生來自邊遠(yuǎn)地區(qū)，實驗基礎(chǔ)薄弱，實驗中涉及到的很多基本常用儀器不曾見過更不會使用。如何通過自主學(xué)習(xí)彌補(bǔ)知識漏洞是這類學(xué)生普遍存在的問題。(3)課堂上雖然完成了實驗，但對實驗過程的某些操作細(xì)節(jié)依然存在一些疑問，由于時間關(guān)系或者其它原因不方便直接咨詢老師，課后如何解決。基于該現(xiàn)狀，急需探索一種基于新信息技術(shù)下的學(xué)習(xí)載體和學(xué)習(xí)途徑。該載體應(yīng)具有與紙質(zhì)教材相當(dāng)?shù)钠占靶院褪褂寐剩纯梢赃M(jìn)行實驗操作，又不用到實驗室現(xiàn)場的優(yōu)勢，同時還具有不受網(wǎng)絡(luò)限制的特點(diǎn)。

1 基于AR技術(shù)的紙質(zhì)物理實驗教材

增強(qiáng)現(xiàn)實(augmented reality, AR)技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，其基本軟硬件構(gòu)成與虛擬技術(shù)十分相似，因此二者間存在密切的關(guān)系，但是他們又有著顯著的差別[8,9]。如果將整個環(huán)境氛圍場景和物體，那么虛擬現(xiàn)實中的場景和物體都是虛擬的，這正好完全符合虛擬現(xiàn)實沉浸性的特點(diǎn)。在虛擬現(xiàn)實中，使用者無法感知到周圍的真實世界，因此延伸出新的技術(shù)讓虛擬與實體同時在同一空間共存，該技術(shù)即為增強(qiáng)現(xiàn)實。增強(qiáng)現(xiàn)實中的場景即是真實的場景，將生成的虛擬信息融合到真實場景之中，使得虛擬增強(qiáng)信息和真實場景信息相互共存、相互補(bǔ)充、相互疊加。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)不僅是從虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展而來，而且它和虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有相似的應(yīng)用領(lǐng)域。正是由于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)具有能夠結(jié)合虛擬的特性，因此使其在軍事、醫(yī)療可視化、娛樂教育、工程機(jī)械、兒童圖書、服裝設(shè)計等諸多領(lǐng)域具有優(yōu)勢[10-12]。

目前絕大多數(shù)情況下，學(xué)生采用紙質(zhì)版的教材進(jìn)行學(xué)習(xí)，這是因為紙質(zhì)版教材使用方便、不受網(wǎng)絡(luò)等外界條件的限制，而且人手一本教材具有極高的普及性和使用率。為此，我們將AR技術(shù)與紙質(zhì)教材進(jìn)行了融合，將《大學(xué)物理實驗》(高等教育出版社，主編周惟公，2014年出版)中涉及到的實驗裝置和實驗儀器進(jìn)行了AR技術(shù)處理，并將AR技術(shù)鑲嵌于該紙質(zhì)教材中。學(xué)生通過掃描教材中的圖像就可以實現(xiàn)與虛擬儀器的交互操作。而且在斷開網(wǎng)絡(luò)的情況下，仍能夠進(jìn)行操作，避免了網(wǎng)絡(luò)多學(xué)習(xí)的限制。

2 技術(shù)特點(diǎn)

學(xué)生用安卓或蘋果手機(jī)的移動客戶端通過下載APP，注冊后即可使用。學(xué)生將手機(jī)對準(zhǔn)紙質(zhì)教材中的實驗裝置或者元器件圖像進(jìn)行掃描，經(jīng)過識別就可以在手機(jī)上看到該圖像的數(shù)字信息，包括三維模型、三維動畫、交互操作等。能夠?qū)⒕邆鋵嶒灲换サ娜S模型整合顯示，實現(xiàn)操作物理實驗的功能，從而達(dá)到實驗預(yù)習(xí)的目的。具體來說，該技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

1) 使用方便。雖然AR技術(shù)已經(jīng)在高校實驗室教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用，但多數(shù)情況下需要穿戴專門的AR設(shè)備如頭盔、手套等裝置，有的還要配備攝像頭。而對于本技術(shù)融合而言，學(xué)生掃描教材中的圖像后，就可以進(jìn)行虛擬環(huán)境下的互動，學(xué)習(xí)內(nèi)容更加直觀形象，學(xué)習(xí)興趣也更加高漲。改變了傳統(tǒng)教材中學(xué)生僅能接收靜態(tài)信息的方式，大幅度提升了學(xué)生的理解力。如圖1所示，將手機(jī)對準(zhǔn)紙質(zhì)版教材中的游標(biāo)卡尺圖像掃描，便可以得到虛擬的游標(biāo)卡尺。可以進(jìn)行卡尺使用的操作練習(xí)，而且可以與標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)進(jìn)行核對，讀數(shù)是否正確。

圖1(a) 掃描圖中紙質(zhì)圖像后出現(xiàn)的虛擬游標(biāo)卡尺，圖片中的文字為紙質(zhì)教材上的文字; (b) 放大后的游標(biāo)卡尺，右上角為該條件下的標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)

2) 紙質(zhì)教材的有益補(bǔ)充。實現(xiàn)傳統(tǒng)的紙質(zhì)教材與當(dāng)前信息技術(shù)的結(jié)合，學(xué)習(xí)者不僅可以看到紙質(zhì)教材中的內(nèi)容，還表達(dá)了真實文字和圖像不能表達(dá)的內(nèi)容。學(xué)生可以隨時隨地和這些紙質(zhì)內(nèi)容的擴(kuò)展信息進(jìn)行互動，這無疑大幅度提高了學(xué)生的興趣和能力。從而豐富教材內(nèi)容，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了一條新的途徑。

3) 提高學(xué)習(xí)效率。另外，該系統(tǒng)具備離線學(xué)習(xí)功能，即使斷開網(wǎng)絡(luò)的情況下，仍能夠進(jìn)行交互和操作，不受網(wǎng)絡(luò)的影響，極大的避免了對學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的依賴。這一點(diǎn)在目前形勢下顯得尤為重要，眾所周知，現(xiàn)在學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)有嚴(yán)重的依賴程度，在能夠上網(wǎng)的情況下就會不自覺的上網(wǎng)瀏覽或玩游戲，而在不能上網(wǎng)的情況下，學(xué)生只能專心學(xué)習(xí)，大大提高學(xué)習(xí)效率。

4) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜儀器的可視化。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儀器，通常情況下學(xué)生只能看到儀器的外表，儀器的結(jié)構(gòu)只能靠學(xué)生自己的空間想象。對于AR技術(shù)的出現(xiàn)，便可以實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜儀器的可視化。大學(xué)物理實驗中，示波器本身的構(gòu)造雖然談不上復(fù)雜，但對于一般的學(xué)生而言，還是無法想象內(nèi)容結(jié)構(gòu)。學(xué)生掃描紙質(zhì)教材中示波器結(jié)構(gòu)圖便可以獲得示波器的虛擬結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中圖2(b)是去掉示波器外殼后的結(jié)構(gòu)，從圖2(c)中便可以獲悉各部分具體的名字。

圖2(a) 掃描圖中紙質(zhì)圖像后出現(xiàn)的虛擬游示波器; (b) 示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu); (c) 帶有標(biāo)注的示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 總結(jié)

對于物理實驗教學(xué)而言，AR技術(shù)與傳統(tǒng)教材的融合是一個大膽的嘗試，是打破傳統(tǒng)固有學(xué)習(xí)介質(zhì)的一種突破。該教材經(jīng)過一個學(xué)年的使用，學(xué)生反饋意見非常好。二者的融合使得實驗儀器的學(xué)習(xí)更加形象和直觀，能夠更好地展現(xiàn)實驗的動態(tài)過程，特別是很好的解決了結(jié)構(gòu)復(fù)雜儀器的構(gòu)造和操作中的問題。學(xué)生從以前簡單的照抄講義、操作靠想象的預(yù)習(xí)模式，逐步變?yōu)槿藭换ツＪ降念A(yù)習(xí)方式，打破了傳統(tǒng)意義上“黑匣子”式的儀器結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，使得預(yù)習(xí)效果和效率大幅度提升。另外，預(yù)習(xí)效率提高的同時，課堂教學(xué)效果也得到了加強(qiáng)，同時也為部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生的課外自主學(xué)習(xí)提供了一條新的途徑。

AR技術(shù)雖然已經(jīng)在部分教學(xué)實踐中得到了應(yīng)用，但是還沒有實現(xiàn)大規(guī)模的推廣。主要原因是這是一個多方協(xié)調(diào)的結(jié)果，需要實驗室與研發(fā)公司進(jìn)行深入廣泛的合作。學(xué)校提供經(jīng)費(fèi)支持、科技公司提供技術(shù)支持、實驗教師提供內(nèi)容支持、出版社提供出版支持，多方的通力合作才能實現(xiàn)。在今后的實驗室建設(shè)過程中，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)物理實驗中心將更加重視信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)的結(jié)合，擴(kuò)大信息技術(shù)在建設(shè)中的比重，突破傳統(tǒng)教學(xué)的一些思維定式，豐富教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。