基于增強現實的電磁學教學研究

鄭譽煌 卜國富 肖俐華

摘? 要：電磁學在高中物理中是一個重點，里面的概念比較抽象，學生普遍反映難學。該文提出了在電磁學教學過程中引入增強現實技術，并著重討論了面向物理模型的增強現實開發流程和增強現實對物理教學反思。基于3DsMax設計物理模型，ARCore作為開發增強現實的核心組件，Unity 3D作為增強現實的開發環境，在Android手機上運行這個增強現實教學軟件。實踐表明，基于增強現實的電磁學教學模式能提高學生的學習興趣，降低學生學習難度。

關鍵詞：電磁學? 增強現實? 物理教學? 靜電場

中圖分類號：G633.7;G434? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2020）09（b）-0016-03

Research on Electromagnetic Teaching Based on Augmented Reality

ZEHNG Yuhuang1? BU Guofu2? XIAO Lihua2

（ 1.Academic Affairs Office， Guangdong University of Education; 2.Department of Physics and Information Engineering， Guangdong University of Education， Guangzhou， Guangdong Province， 510303? China）

Abstract：Electromagnetism is a key point in high school physics. The conceptsin electromagnetism are abstract， and students generally reflect that they are difficult to learn. In this paper， augmented reality technology is introduced into electromagnetics teaching， and the development process of augmented reality oriented to physical model and the reflection of augmented reality on physics teaching are discussed. We run this augmented reality teaching software on Android mobile phone， 3D models are designed by 3DsMax， and Unity 3D are utilized to develop this augmented reality software with ARCore. Practice shows that the teaching mode of electromagnetics based on augmented reality can improve students' interest in learning and reduce students' learning difficulty.

Key Words： Electromagnetics; Augmented reality; Physics teaching; Electrostatic field

高中物理的電磁學對于很多同學而言，是難度比較大的部分。電磁學包括靜電場、恒定電流、磁場、電磁感應、交流電等內容。以靜電場這一章為例，這章主要內容介紹靜電場力的性質和能的性質，以及帶電粒子在非勻強電場和均勻電場中的運動。學好靜電場的關鍵是要對點電荷、靜電場、電場強度、電場線、電場強度的疊加、勻強電場、靜電力做功、電勢能、等勢面、電勢差、靜電平衡時導體上電荷的分布等這些抽象的物理量有準確的理解。每當教學進入這部分內容時，學生普遍覺得這部分物理概念多、抽象，且難以理解，例如電場線是畫在電場中一條條有方向的曲線，曲線上每點的切線方向表示該電的電場強度的方向，電場線不是實際存在的線，而是為了形象地描述電場而假想的線，是一個不存在的物理理想模型。而物理又是一門實驗學科，在實際教學中，這些人為抽象出來的概念只是停留在紙面，而與現實世界完全隔離，不利于同學們加強概念的辨析和理解，不利于同學們結合生活的實際理解這些知識。

增強現實（Augmented Reality，為AR）當前正在迅速發展的技術，具有廣闊的應用前景，如游戲娛樂、工業制造、醫療保健等，其中教育是一個非常有前途的應用領域。AR增加用戶的沉浸感，并使得用戶直接將有用的虛擬內容疊加到現實世界上。AR可以把教學游戲化，使學生學習更加接近真實環境，提高了學生的學習興趣[1]。

為此，該文基于增強現實技術開發了一套電磁學教學軟件，并將其用于實際教學中。這套軟件能在課堂空間內隨時隨地地演示電磁學的相關概念和實驗，有利于同學們深入理解概念，為物理教學提供了一個較好的教學手段[2-3]。

2? 基于AR的電磁學教學軟件開發

基于AR的電磁學教學軟件開發主要包括3部分組成：AR開發環境、AR開發軟件工具包（AR SDK）、3D建模軟件[4-5]。

（1）AR開發環境采用Unity3D。Unity3D能夠創建實時、可視化的2D和3D動畫、游戲或其他教學軟件。Unity3D采用所見即所得的開發模式，而且開發所需的資源非常豐富。利用Unity3D引擎和C#編程語言實現該項目軟件的UI界面設計和同學們與3D模型之間的交互功能。Unity3D充分利用圖形化操作的手段結合少量編程，使軟件開發比較快速。Unity3D具有一次開發，多平臺發布的優勢，既可以在Windows運行，也可以在Android或iOS的手機端運行，節省開發成本和時間。

（2）AR SDK采用ARCore。AR SDK是一種能夠幫助程序員快速開發的AR程序的集成AR開發框架和操作平臺。ARCore是由美國谷歌公司提供的免費AR SDK。ARCore具有運動跟蹤、環境理解、光學評估等核心功能。ARCore能讓手機能夠感知其環境、理解現實世界并與信息進行交互。ARCore支持Android和iOS兩大主流手機平臺。ARCore提供了對Unity3D的支持包，兩者的兼容性很好。

（3）3D建模軟件采用3DsMax。電磁學里面的概念和模型需要3D模型展現，而Unity3D不能創建3D模型，所以使用其他軟件建立這些3D模型。3DsMax是一款主流且功能全面的3D建模工具軟件，對Unity3D的兼容性也很好。選擇3DsMax建立3D模型，因為3DsMax能夠導出多種格式的文件，且Unity3D能夠很好地支持這些格式，建立好的模型可以直接導入Unity3D進行后續工作，操作簡單、工作高效。3D模型的格式首選是FBX。FBX模型格式是一種通用模型格式，支持所有主要的三維數據元素以及二維、音頻和視頻媒體元素。FBX格式作為一種3D通用模型文件，其最大的優勢是支持法線和貼圖坐標，貼圖以及坐標信息都可以存入FBX文件中，文件導入Unity3D后不需要再重新貼圖以及調整貼圖坐標。

主要開發流程如圖1所示。首先，在Unity3D中新建項目中導入AR Core，同時刪除Unity3D中的Scene自帶一個Main Camera對象，改用AR Core的ARCamera和ImageTarget對象，并設置特征平面。其次，導入FBX格式的3D模型，值得注意的是3DsMax默認導出的FBX文件導入到Unity3D中的默認縮放因子是0.01，而Unity3D默認單位為米，開發中需要根據實際調整。最后，是程序的編譯運行和上機調試，該項目在Unity3D上使用USB接口進行Android真機調試。

圖2是我們靜電場和磁場教學的AR演示例子。在教材講到靜電場和磁場的相關知識點時，AR設備（如手機）的攝像頭檢測到物理模型的特征平面圖，則AR教學軟件會自動出現這些物理模型的立體圖，而且學生可以通過屏幕控制立體模型的參數，如靜電場的電力線顯示數目或磁場強度的大小等。

3? 基于AR的電磁學教學模式反思

通過引入AR技術來講授靜電場和磁場，學生們通過AR技術可以進入一個虛擬物理模型與現實課室相融合的教學環境，學生能夠動態地進行交互式操作與學習。基于AR的電磁學教學模式有以下優勢[6-7]。

（1）三維顯示抽象的物理模型。AR技術能將抽象、晦澀難懂的物理模型以生動、直觀、全面、交互的方式呈現在學生面前，特別是這些模型是融合在學生所在課室環境中，讓學生帶來一種沉浸式體驗。由課本或黑板上的2D平面模型轉換為3D立體模型，整體提升認知和理解，有利于學生理解與記憶。

（2）提高了學生的學習參與度。AR技術可以讓學生和抽象的物理模型互動，提高了學生學習興趣，大大提高了學生學習的參與度。使學生積極參與到沉浸式的學習環境中去學習知識，充分調動學生的學習熱情。同時，所教的學生還處于活潑好動的青春期，AR技術可以將物理模型和知識以游戲化的方式表達出來，活躍了教學氣氛。

（3）降低實驗損耗、提高實驗效率。傳統演示磁力線的實驗是采用“鐵粉+磁鐵”，這種模式實驗效率低，而且不便于攜帶，損耗較大。電場線的實驗演示更加難以實現。而AR技術可以很方便地把這兩種抽象的理論模型變成虛擬模型，并讓學生AR環境中操作它們，實驗效果與理論效果完全一致，而且不會出現實驗損耗，還節約了實驗時間。

然而，基于AR技術的教學還存在一些問題，最主要是AR教學軟件的開發成本和AR設備的采購成本比較高。雖然市面上有一些基于AR的物理教學軟件，但是這些都是通用的，而且要在特定的AR硬件平臺上運行。若老師們要開發自主的物理教學軟件，這個開發成本和開發時間是比較大的。另外，支持AR設備在市面上參差不齊，每臺AR設備價格在幾千元到上萬元之間。若要在每個課室都裝備這樣的AR設備，一次性投資是比較大的。

4? 結語

在該研究文中，我們展示了采用AR技術在物理課堂講授靜電場和磁場的案例，并且介紹了AR教學軟件的開發流程，并對基于AR技術的教學模式做了反思。在研發過程中有兩個難題：一是如何設計更加真實的3D模型;二是如何提高3D模型和人與環境的交互功能。優秀的3D模型設計需要大量和細致設計工作，而3D模型的交互，特別是流暢度離不開AR設備的支持。在今后的研究中，我們將進一步研發更多基于AR技術的教學軟件，并且收集更多學生的學習反饋意見，讓老師們能夠可以結合AR教學調整他們的課堂教學安排，使得AR技術在課堂上發揮它巨大作用。

參考文獻

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