利用增強(qiáng)現(xiàn)實改進(jìn)大學(xué)物理實驗課程的探究

汪 成，冉建平，周雅晴，徐知劼，徐章洋，趙梓軼

（1.北京郵電大學(xué)理學(xué)院，北京 100876；2.北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院，北京 102613）

0 引言

教育是國家和民族興旺發(fā)達(dá)的基石。如何緊跟時代的發(fā)展把最新、最先進(jìn)的技術(shù)手段融入教育中，一直是教育行業(yè)者思考與探索的問題。具體到大學(xué)物理實驗的教學(xué)，隨著計算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各種新的技術(shù)紛紛應(yīng)用到了教學(xué)當(dāng)中。例如：多媒體、虛擬實驗、數(shù)學(xué)仿真等技術(shù)。近些年來增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)迅速發(fā)展，在很多領(lǐng)域都得到了成功應(yīng)用。如何將增強(qiáng)現(xiàn)實與大學(xué)物理實驗課程有機(jī)結(jié)合，改進(jìn)教學(xué)手段和方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效率，成為大學(xué)物理實驗課程發(fā)展的一個新方向。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在教育應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

1.1 增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實的概念在1990 年由美國波音公司研究員Caudell［1］提出，一開始主要用于波音公司的培訓(xùn)，后來逐漸擴(kuò)展到軍事訓(xùn)練、醫(yī)療培訓(xùn)［2］和教育［3］等專業(yè)領(lǐng)域中。Milgram等［4］在1994 年提出了現(xiàn)實環(huán)境和虛擬環(huán)境的連接關(guān)系，如圖1 所示。“任何在特定位置結(jié)合現(xiàn)實與虛擬的技術(shù)”都可稱為增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，其中現(xiàn)實物體與虛擬信息都起非常重要的作用［5］。增強(qiáng)現(xiàn)實是廣義上虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）的擴(kuò)展，但又與虛擬現(xiàn)實不同，增強(qiáng)現(xiàn)實的主戰(zhàn)場是“現(xiàn)實世界”［6］，增強(qiáng)現(xiàn)實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，是現(xiàn)實世界和虛擬信息的結(jié)合，設(shè)備輕便靈活，并不需要專業(yè)的VR眼鏡等設(shè)備來實現(xiàn)。增強(qiáng)現(xiàn)實使學(xué)習(xí)者能夠直觀感受復(fù)雜的空間關(guān)系和抽象概念，體驗現(xiàn)實世界中不可能出現(xiàn)的現(xiàn)象。與傳統(tǒng)教學(xué)相比，增強(qiáng)現(xiàn)實提高了教學(xué)的體驗感、沉浸感、趣味性和互動性，是一種更好的寓教于樂的娛教技術(shù)［7］，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率［8］。

圖1 現(xiàn)實環(huán)境到虛擬環(huán)境的連接關(guān)系

1.2 在教育應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

從2013 開始，增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)逐漸走出了專業(yè)領(lǐng)域，在教育領(lǐng)域開始得到大規(guī)模的運(yùn)用。比如李青等［9］在2013 年設(shè)計和開發(fā)了基于增強(qiáng)現(xiàn)實的移動學(xué)習(xí)工具，并結(jié)合“微波技術(shù)與天線”課程進(jìn)行實證研究，經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)高達(dá)85%的學(xué)生認(rèn)為效果較好。魏小東等［10］在2014 年基于ARToolkit 工具包開發(fā)了增強(qiáng)現(xiàn)實教學(xué)的教育平臺“悅?cè)ざ唷保ㄟ^在人大附中的試點(diǎn)，顯示“悅?cè)ざ唷笨梢杂行岣邔W(xué)生的創(chuàng)新力。McMahon等［11］在2016 年對增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于智力障礙、自閉癥學(xué)生的科學(xué)詞匯學(xué)習(xí)進(jìn)行了研究，測試發(fā)現(xiàn)所有智力障礙、自閉癥學(xué)生通過增強(qiáng)現(xiàn)實都掌握了科學(xué)詞匯。李丹等［12］在2017 年基于增強(qiáng)現(xiàn)實構(gòu)建了英語教學(xué)新模式，從多個方面對英語課堂的增強(qiáng)現(xiàn)實教學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，使學(xué)生在擬真教學(xué)場景中，利用更多的感官使學(xué)習(xí)變得更加容易。Kim 等［13］在2018 年對增強(qiáng)現(xiàn)實應(yīng)用于幼兒英語教育體系方面進(jìn)行了研究，利用增強(qiáng)現(xiàn)實提供虛擬多媒體教育內(nèi)容讓幼兒產(chǎn)生興趣。Lindner等［14］在2019 年開發(fā)了“地球—月球系統(tǒng)”數(shù)字實驗APP，研究地球和月球之間距離變化的影響，展示兩個天體之間重心的三維動畫，學(xué)生可以通過可視化理解復(fù)雜的主題。

2 物理實驗教學(xué)遇到的問題

2.1 學(xué)生對于預(yù)習(xí)缺乏興趣

預(yù)習(xí)對于物理實驗課程來說至關(guān)重要，學(xué)生預(yù)習(xí)得好壞直接決定了實驗教學(xué)的效果。目前國內(nèi)大部分高校，均要求學(xué)生在做實驗之前完成實驗預(yù)習(xí)。但從實際效果來看并不理想，學(xué)生經(jīng)常反映在預(yù)習(xí)的時候抓不住重點(diǎn)，容易產(chǎn)生畏難情緒、缺乏學(xué)習(xí)興趣，例如：對于實驗儀器沒有直觀的了解，對于實驗原理的理解也只停留在復(fù)雜的公式推導(dǎo)上，對于實驗步驟的掌握往往停留在紙面描述上。這讓學(xué)生在預(yù)習(xí)的時候感覺到非常枯燥，很難對即將進(jìn)行的實驗充滿期待，也就缺少了主動學(xué)習(xí)的動力。部分學(xué)生只是按照老師的要求把相應(yīng)的內(nèi)容抄寫一遍，達(dá)不到預(yù)習(xí)應(yīng)有的效果，影響了大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)效果。

2.2 教師上課方式不夠生動

目前國內(nèi)大部分高校的大學(xué)物理實驗課仍采用自然班的方式上課，因此在教學(xué)時教師經(jīng)常需要同時指導(dǎo)多名同學(xué)，甚至同時指導(dǎo)多個實驗，很難做到及時回答每位學(xué)生的疑問，容易打擊學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，不利于引導(dǎo)他們自主學(xué)習(xí)。同時傳統(tǒng)的教學(xué)方式是上課后教師先通過PPT、視頻等教學(xué)手段詳細(xì)的講解實驗原理、操作步驟、數(shù)據(jù)測量、結(jié)果分析等內(nèi)容之后，再讓學(xué)生開始動手實驗。這樣的上課方式讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的時候?qū)τ诔橄蟮母拍铍y以理解，無法把實驗儀器和教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來，甚至有些學(xué)生上完課，連儀器的原理都不清楚，只是機(jī)械的按照書上的步驟“照葫蘆畫瓢”完成實驗，達(dá)不到物理實驗課程的培養(yǎng)目標(biāo)。

2.3 學(xué)習(xí)的時間和空間限制

實驗課程由于其自身的特殊性，需要專業(yè)的儀器設(shè)備才能進(jìn)行，往往需要在實驗室完成，受限于物理實驗室的教學(xué)資源。為了擴(kuò)展教學(xué)資源，很多學(xué)校都進(jìn)行了有意義的探索［15］，但是也很難滿足所有學(xué)生的需求。隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，很多學(xué)校也對虛擬仿真實驗進(jìn)行了研究，但是無論是基于LabVIEW，Matlab等軟件的仿真實驗［16］，還是最新的基于VR 系統(tǒng)開發(fā)的虛擬實驗［17］，都必須要借助于計算機(jī)或者專門的VR眼鏡才可以使用，在普及和易用性上存在著一些困難，同時完全虛擬的環(huán)境也提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)成本，例如VR 系統(tǒng)開發(fā)的實驗，往往需要先做仿真實驗。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實應(yīng)用于物理實驗教學(xué)

為了探索性研究利用增強(qiáng)現(xiàn)實來解決上述問題，使用Unity引擎和Vuforia插件［18］，開發(fā)了分光計的調(diào)整與使用實驗的增強(qiáng)現(xiàn)實APP。該增強(qiáng)現(xiàn)實APP 基于圖像識別技術(shù)，當(dāng)手機(jī)攝像頭識別到目標(biāo)圖片時，將設(shè)計好的虛擬模型、視頻、動畫等疊加到真實世界，在手機(jī)屏幕上呈現(xiàn)一個現(xiàn)實世界與虛擬信息的混合體。在2018 級通信工程專業(yè)中選取了部分學(xué)生進(jìn)行試用，經(jīng)過一個學(xué)期的探究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實APP 可以解決物理實驗課程教學(xué)中遇到的一些問題，下面結(jié)合實際使用情況進(jìn)行說明。

3.1 改善預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，便于學(xué)生理解

學(xué)生在預(yù)習(xí)實驗時，利用增強(qiáng)現(xiàn)實APP掃描書本上實驗原理、實驗儀器等內(nèi)容，手機(jī)會在對應(yīng)位置自動顯示儀器的三維模型、實驗原理視頻等教學(xué)內(nèi)容。通過增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)，可以使書本中枯燥的內(nèi)容三維化、動態(tài)化的展示在學(xué)生的面前，實現(xiàn)了“哪里不會掃哪里”。以分光計的調(diào)整與使用實驗為例，研究選取2018 級通信工程專業(yè)4 班30 名學(xué)生為對象，其中實驗組15 人，對照組15 人。

實驗組利用增強(qiáng)現(xiàn)實APP輔助預(yù)習(xí)，對照組按照傳統(tǒng)方式預(yù)習(xí)。學(xué)生使用增強(qiáng)現(xiàn)實APP輔助預(yù)習(xí)時，當(dāng)手機(jī)攝像頭掃描到對應(yīng)內(nèi)容時會自動展示三維模型或者講解視頻。例如：當(dāng)手機(jī)攝像頭掃描書上分光計圖片時，圖片位置會生成一個分光計的三維模型，如圖2 所示，配合著手機(jī)的移動，可以360°觀察儀器的各個部位。當(dāng)手機(jī)攝像頭掃描利用最小偏向角測量折射率的圖片時，圖片位置會自動播放光的色散的原理視頻，如圖3 所示，同時視頻自動貼合于圖片，移動手機(jī)不會影響觀看，使得觀看視頻更加方便。

圖2 增強(qiáng)現(xiàn)實展示分光計三維模型

圖3 增強(qiáng)現(xiàn)實展示光的色散視頻

研究通過調(diào)查問卷的方式來評估增強(qiáng)現(xiàn)實APP對于預(yù)習(xí)的改善效果。問卷分別從預(yù)習(xí)時長、預(yù)習(xí)的趣味性、對于儀器操作的掌握情況、對于實驗原理的掌握情況4 個角度出發(fā)，對使用效果進(jìn)行調(diào)研。研究回收問卷30 份，根據(jù)作答的完整性，最終獲得實驗組有效問卷15 份，對照組有效問卷15 份。研究發(fā)現(xiàn)實驗組學(xué)生平均預(yù)習(xí)時長比對照組長25 min；實驗組67%的學(xué)生覺得實驗預(yù)習(xí)有趣，對照組為33%；實驗組80%的學(xué)生基本掌握儀器操作，對照組為67%；實驗組87%的學(xué)生基本掌握實驗原理，對照組為73%。從結(jié)果可知增強(qiáng)現(xiàn)實APP 確實有效地改善預(yù)習(xí)枯燥的缺點(diǎn)，讓學(xué)生更直觀地了解儀器構(gòu)造、實驗原理，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗的熱情，讓學(xué)生產(chǎn)生探索書本的興趣，從而高效地完成實驗課程的預(yù)習(xí)工作，解決學(xué)生對實驗預(yù)習(xí)缺乏興趣的問題。

3.2 改進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生熱情

在課堂中，教師結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實APP，通過掃描圖片或者儀器部件，可以直接在儀器上進(jìn)行實驗原理講解或者儀器結(jié)構(gòu)的展示，讓學(xué)生在現(xiàn)實環(huán)境中看到虛擬內(nèi)容，通過對虛擬內(nèi)容的操縱和旋轉(zhuǎn)，讓學(xué)生能夠在貼近自然交互的方式下進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索。同時通過設(shè)置增強(qiáng)現(xiàn)實展板，將實驗重點(diǎn)和難點(diǎn)以目標(biāo)圖片的形式展示在上面，當(dāng)教師無法及時指導(dǎo)時，學(xué)生可以通過增強(qiáng)現(xiàn)實APP，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。以分光計的調(diào)整與使用實驗為例，研究選取2018 級通信工程專業(yè)3 班和2 班為對象。其中3 班為實驗組利用增強(qiáng)現(xiàn)實APP 輔助教學(xué)，2 班為對照組利用傳統(tǒng)方式教學(xué)。

實驗組教學(xué)時，采用增強(qiáng)現(xiàn)實APP輔助教學(xué)的方式來進(jìn)行授課，教師通過增強(qiáng)現(xiàn)實APP在儀器上演示實驗原理和操作，例如：講解望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)時，教師利用手機(jī)攝像頭掃描分光計的望遠(yuǎn)鏡，相應(yīng)位置會顯示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型如圖4 所示，教師結(jié)合三維模型講解如何調(diào)節(jié)目鏡、物鏡。同時給學(xué)生設(shè)置增強(qiáng)現(xiàn)實展板，將實驗課程內(nèi)容設(shè)計成粗調(diào)、細(xì)調(diào)、頂角測量、最小偏向角測量等不同部分。

圖4 增強(qiáng)現(xiàn)實展示的望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部構(gòu)造

當(dāng)學(xué)生利用增強(qiáng)現(xiàn)實APP掃描對應(yīng)目標(biāo)圖片時，APP在圖片位置會自動播放對應(yīng)講解視頻，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)，如圖5 所示。

通過觀察并記錄了學(xué)生的上課表現(xiàn)，研究發(fā)現(xiàn)相對于對照組，實驗組的學(xué)生上課氣氛更加熱烈，學(xué)生們大都很感興趣，自發(fā)地進(jìn)行了大量的討論，學(xué)生表示通過圍繞實驗儀器展開實驗課程的方式，直觀地建立起原理和儀器之間的關(guān)系，理解起來更直觀、更輕松，利于和教師交流，同時掃描展板能自主學(xué)習(xí)的方式也得到了他們的歡迎，每位同學(xué)都進(jìn)行了嘗試。最終實驗組班級所有同學(xué)都順利地完成了實驗，而對照組的班級出現(xiàn)了有同學(xué)沒有完成實驗的情況。分析最后的成績分布，對增強(qiáng)現(xiàn)實APP 改善教學(xué)效果進(jìn)行了研究。兩組的成績分布情況，如圖6 所示，對照組成績基本符合正態(tài)分布，而實驗組成績明顯優(yōu)于對照組。實驗組90 分及以上的學(xué)生有5 人，對照組2 人；不及格人數(shù)對照組為2 人，實驗組為0。通過以上的研究可以看出增強(qiáng)現(xiàn)實APP既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，也能緩解教師的上課壓力，有效解決了教師上課不夠生動的問題，改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

圖6 實驗組和對照組所有學(xué)生成績分布

3.3 拓展學(xué)習(xí)時空，增強(qiáng)教學(xué)效果

在實驗課外，學(xué)生可以借助增強(qiáng)現(xiàn)實APP對課堂的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。不需要借助復(fù)雜或者昂貴的設(shè)備，學(xué)生只需要一臺智能手機(jī)或者平板，通過安裝軟件就可以隨時隨地進(jìn)行物理實驗的學(xué)習(xí)，突破了傳統(tǒng)的物理實驗學(xué)習(xí)模式的瓶頸，讓物理實驗做到“隨心學(xué)，隨時學(xué)”。同時也鼓勵學(xué)生在課后進(jìn)行創(chuàng)新，參與增強(qiáng)現(xiàn)實教學(xué)資源的建設(shè)，通過讓學(xué)生參與創(chuàng)造的方式，讓他們提高了學(xué)習(xí)的層次，從一個傳授者的角度來進(jìn)行思考和學(xué)習(xí)，從而更全面更深入地掌握知識。

對實驗組的部分同學(xué)進(jìn)行了的訪談，更深入地了解他們對于增強(qiáng)現(xiàn)實在課堂之外學(xué)習(xí)的看法和建議。例如，某同學(xué)反映當(dāng)他把利用增強(qiáng)現(xiàn)實APP輔助教學(xué)的視頻發(fā)到了朋友圈時，引起了很多其他同學(xué)的興趣，他們進(jìn)行了熱烈的討論，無形中對物理實驗的知識進(jìn)行了傳播；還有同學(xué)建議在未來5G 網(wǎng)絡(luò)支持下，可以把所有的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計都放在云端，學(xué)生只需要安裝一個很小的客戶端就可以獲取海量的增強(qiáng)現(xiàn)實教學(xué)資源，順應(yīng)新時代下教育發(fā)展的趨勢。通過了解學(xué)生最真實的想法，可以看出他們對增強(qiáng)現(xiàn)實充滿了興趣，愿意在課外使用增強(qiáng)現(xiàn)實APP進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，有效拓展了他們的學(xué)習(xí)時空，并擴(kuò)大了課程內(nèi)容的傳播，增強(qiáng)了教學(xué)的效果。

4 結(jié)語

增強(qiáng)現(xiàn)實作為一種新興的技術(shù)手段，給教師提供了新的方式來表達(dá)事物的聯(lián)系，對于抽象的物理概念和復(fù)雜儀器結(jié)構(gòu)的教學(xué)很有啟發(fā)意義。借助智能手機(jī)的普及，增強(qiáng)現(xiàn)實的推廣并不需要投入太多的經(jīng)費(fèi)，低廉方便地擴(kuò)展了學(xué)生學(xué)習(xí)物理實驗的時間和空間，同時也給物理實驗教學(xué)內(nèi)容的傳播提供了新的思路。正是由于增強(qiáng)現(xiàn)實的這些特點(diǎn)，使得它非常適合應(yīng)用于大學(xué)物理實驗課程，對于改進(jìn)大學(xué)物理實驗課程有著巨大的能量和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

與許多創(chuàng)新技術(shù)一樣，增強(qiáng)現(xiàn)實的教育價值不僅在于技術(shù)的使用，而更多地在于設(shè)計、實施以及如何融入學(xué)習(xí)環(huán)境中。這樣就對制作教學(xué)資源的開發(fā)者提出了更高的要求，首先必須熟練地運(yùn)用各種技術(shù)例如：增強(qiáng)現(xiàn)實軟件的開發(fā)、視頻制作、3D建模、三維動畫制作等，其次又必須有豐富的物理實驗課程的教學(xué)經(jīng)驗，才可以把上述的技術(shù)合理、有效地融入學(xué)習(xí)環(huán)境中。而目前國內(nèi)相關(guān)的研究和項目并未普及，還處于探索和研究階段，希望通過本探究讓更多的研究者參與進(jìn)來，進(jìn)一步探索增強(qiáng)現(xiàn)實在大學(xué)物理實驗課程中的應(yīng)用。