增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)一鑒開(kāi) 雙縫光影共徘徊

蔡蘇　王珺濤　徐巖

【摘 要】實(shí)驗(yàn)是教學(xué)的重要組成部分，而由于客觀條件的限制，許多實(shí)驗(yàn)如物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)，在教室中難以讓每位學(xué)生親自動(dòng)手操作。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)可以通過(guò)虛實(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并提供真實(shí)空間的自然交互，有效降低了認(rèn)知難度，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。本文通過(guò)介紹北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)光的雙縫干涉探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行研究，展示了AR技術(shù)不僅能展示現(xiàn)實(shí)中儀器設(shè)備昂貴、操作危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，也能通過(guò)自主操作培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；物理；光學(xué)實(shí)驗(yàn)；教育技術(shù)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2018）05-065-03

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與物理實(shí)驗(yàn)

在傳統(tǒng)教學(xué)中，如光的雙縫干涉、光電效應(yīng)等物理實(shí)驗(yàn)，以老師講述、學(xué)生記錄并記憶為主。而中學(xué)時(shí)期，學(xué)生的想象力尚未發(fā)育完全，因此只通過(guò)老師講授理解其中抽象概念，對(duì)學(xué)生理解知識(shí)具有一定挑戰(zhàn)性，并且理解的個(gè)中偏差會(huì)對(duì)后續(xù)知識(shí)的學(xué)習(xí)造成一定阻礙。[1]

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）技術(shù)以其特有優(yōu)勢(shì)，能有效解決上述問(wèn)題。AR技術(shù)將現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬景象結(jié)合在一起，使得用戶可以直接觀察在現(xiàn)實(shí)生活中難以直接觀察的復(fù)雜空間關(guān)系和抽象概念，并且與虛擬物體進(jìn)行直接互動(dòng)。而這一特性恰與以學(xué)生為中心，要求學(xué)生由被動(dòng)接受者變成信息加工主體的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論相吻合。另一方面，基于平板的移動(dòng)學(xué)習(xí)是未來(lái)新的學(xué)習(xí)方式，AR技術(shù)與移動(dòng)設(shè)備相結(jié)合有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的開(kāi)展，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力亦有裨益。

計(jì)算機(jī)輔助的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)

光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)之一，學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理解光的干涉原理。但該實(shí)驗(yàn)器材昂貴，部分學(xué)校資金匱乏而無(wú)法購(gòu)買(mǎi)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程包含激光的使用，如操作不當(dāng)，具有一定的危險(xiǎn)性；購(gòu)買(mǎi)了儀器設(shè)備的學(xué)校也只是由老師在講臺(tái)演示，學(xué)生無(wú)法親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或僅體驗(yàn)一次，對(duì)知識(shí)的深入理解與探究學(xué)習(xí)造成阻礙。

而計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲黄茣r(shí)空和儀器設(shè)備的限制， 將復(fù)雜的物理實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為可控有序的演化過(guò)程， 清晰地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，彌補(bǔ)學(xué)生直觀感覺(jué)的不足，降低其抽象思維的難度，提升教學(xué)效果。

1. 基于平面Flash的物理仿真雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

基于Flash的物理仿真雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，可以突破客觀條件的限制，在建立模型后，通過(guò)給定參數(shù)進(jìn)行求解獲取數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換輸出格式以直觀方式呈現(xiàn)[2]。但由于平面難以展現(xiàn)立體空間的光線變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)演示造成一定的限制。同時(shí)，該方法呈現(xiàn)的虛假實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)毫無(wú)關(guān)聯(lián)，使用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)的交互體驗(yàn)不太理想，可能無(wú)法很好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。

2.基于3D仿真的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)演示

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)演示可通過(guò)三維圖形編程實(shí)現(xiàn)，支持裝置旋轉(zhuǎn)、介質(zhì)添加與數(shù)據(jù)處理，可以直觀生動(dòng)地進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示，操作方便，有利于加深學(xué)生對(duì)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的理解。[3]但由于該仿真實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)的也是完全虛擬的環(huán)境，屬于非自然交互，實(shí)驗(yàn)效果不太理想。

3.AR模擬雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

AR技術(shù)由于其特有的虛實(shí)結(jié)合性與自然交互性，可幫助光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)有效開(kāi)展。AR技術(shù)將虛擬模型與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合，允許學(xué)生在自己的課桌上直接使用雙手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；并且交互性強(qiáng)，學(xué)生可以自主調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，觀察相應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以此提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的還原度，降低思維難度，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力；AR開(kāi)發(fā)環(huán)境還可以直觀顯示實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)值，為學(xué)生發(fā)現(xiàn)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的規(guī)律提供支持，有助于學(xué)生掌握相關(guān)物理概念和規(guī)律。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與移動(dòng)終端相結(jié)合，使得隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)成為可能，有效滿足學(xué)生的探究欲望。

“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

作為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展課堂AR教學(xué)并持續(xù)探索的團(tuán)隊(duì)，北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了基于AR技術(shù)的雙縫干涉儀DSIAR（Double Slit Interference-AR），該應(yīng)用不僅體現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演示性優(yōu)勢(shì)，還有效利用了其自然交互的特性，為課堂教學(xué)帶來(lái)了很好的效果。

1. DSIAR概覽

DSIAR可在移動(dòng)設(shè)備或者PC機(jī)上運(yùn)行。軟件構(gòu)建主要是將3DS Max建立的雙縫干涉的激光源、雙縫和光屏的3D模型移植到Unity 3D環(huán)境中，并添加交互行為的代碼。通過(guò)Vuforia插件， DSIAR可以將現(xiàn)實(shí)與虛擬疊加，構(gòu)建實(shí)時(shí)的交互環(huán)境。

處理過(guò)程可分為大致三個(gè)階段：捕獲真實(shí)場(chǎng)景、追蹤定位卡片、虛擬環(huán)境渲染。該應(yīng)用的執(zhí)行需要三種不同卡片，如圖1所示。三種卡片對(duì)應(yīng)激光源、雙縫和光屏三種實(shí)驗(yàn)器材，當(dāng)鏡頭捕獲到卡片時(shí)，分別呈現(xiàn)虛擬的的激光源、雙縫和光屏，并根據(jù)用戶的操作計(jì)算相應(yīng)參數(shù)（包括雙縫間的距離，雙縫與屏的距離），且參數(shù)的改變可實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

2.用戶操作

使用該軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需打開(kāi)手機(jī)啟動(dòng)程序，在自己的桌子上（現(xiàn)實(shí)空間中）依次擺放三張卡片，在出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)界面后，用手直接移動(dòng)卡片，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及相應(yīng)參數(shù)的變化，獲取數(shù)據(jù)，從中歸納總結(jié)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)雙縫間距為d，狹縫與屏的距離為L(zhǎng)，光的波長(zhǎng)為λ，相鄰兩個(gè)亮條紋或暗條紋間的距離為△x，則雙縫實(shí)驗(yàn)公式為△x=λL/d，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。

（1）當(dāng)d， L不變時(shí)，△x隨λ的增大而增大、隨λ的減小而減小。

（2）當(dāng)λ， d不變時(shí)，△x隨L的增大而增大、隨L的減小而減小。

（3）當(dāng)λ， L不變時(shí)，△x隨d的增大而減小、隨d的減小而增大。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)評(píng)估該應(yīng)用的可靠性與實(shí)用性。我們隨機(jī)抽取從未使用過(guò)AR技術(shù)的一名老師與三名學(xué)生進(jìn)行調(diào)查。首先，對(duì)應(yīng)用及其功能進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并給每人三十分鐘時(shí)間熟悉及體驗(yàn)該應(yīng)用。接著，對(duì)其進(jìn)行采訪，詢問(wèn)其對(duì)于該應(yīng)用的感受及建議。通過(guò)訪談，我們得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)卡片移動(dòng)造成的現(xiàn)象改變是符合現(xiàn)實(shí)的。在體驗(yàn)過(guò)后，老師表達(dá)了想在課堂使用該應(yīng)用的愿望，“它對(duì)本節(jié)課的學(xué)習(xí)提供了巨大幫助，有了它，內(nèi)容不再是無(wú)趣和抽象的了”。

（2）所有學(xué)生都認(rèn)為該應(yīng)用是新奇和有趣的。對(duì)學(xué)生而言，虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境是新穎奇特的。他們說(shuō)“這是全新的交互方式，我可以用手直接在真實(shí)空間中操縱物體”；“我從未通過(guò)這種應(yīng)用來(lái)學(xué)習(xí)，如果可以將它用在日常學(xué)習(xí)，那應(yīng)該會(huì)很有趣”。該應(yīng)用吸引學(xué)生們的注意力，并給他們留下深刻的印象。但該應(yīng)用對(duì)學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生的影響有待于進(jìn)一步的大樣本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

總 結(jié)

本文探究了AR技術(shù)與智能設(shè)備在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。AR技術(shù)的虛實(shí)結(jié)合性和交互性可幫助實(shí)驗(yàn)的有效開(kāi)展，吸引學(xué)生注意與激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生參與度，并使得隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)成為可能。

物理學(xué)科有大量實(shí)驗(yàn)，意味著在物理領(lǐng)域增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｔ谖磥?lái)的物理教學(xué)中， 我們應(yīng)深度發(fā)掘?qū)W科規(guī)律， 借助VR/AR學(xué)習(xí)環(huán)境， 構(gòu)建技術(shù)平臺(tái)支撐下的新型教學(xué)模式， 使其有效輔助教師進(jìn)行教學(xué)，并綜合不同教學(xué)手段，達(dá)到更優(yōu)的學(xué)習(xí)效果。[4]