基于AR的物理實驗學具設計與實施

包明

摘 要：中學物理實驗一般是驗證性實驗，而傳統(tǒng)教育學具因現(xiàn)實條件、儲備、實施周期和保管等因素限制了其作用。隨著VR技術(shù)和智能設備的快速發(fā)展，AR技術(shù)在VR技術(shù)的基礎上實現(xiàn)了虛實結(jié)合的特征，彌補了VR學具沒有觸感體驗的缺陷。教師利用Unity或Unreal等虛擬物理引擎設計出逼真的可視化AR學具，通過AR開發(fā)工具將實驗課程知識快速融入到AR場景中。物理實驗的過程和操作都無需傳統(tǒng)學具，只需打印出相應的AR學具標識碼，即可開展實驗教學。用這種教學方式，無論是現(xiàn)實課堂還是偏遠地區(qū)的遠程課堂教學，都能提供更優(yōu)質(zhì)的服務。

關(guān)鍵詞：AR學具；增強現(xiàn)實；虛擬實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）5-0046-4

1 什么是AR學具

物理課中，學具作為重要的物理現(xiàn)象教學展示工具，它能將抽象的物理規(guī)律表現(xiàn)為具體的物理形態(tài)，為學生提供直接的觀察或觸控體驗。然而，傳統(tǒng)學具受其載具、安全、可實施性、成本等方面的現(xiàn)實情況難以實現(xiàn)一些常規(guī)無法實現(xiàn)的物理現(xiàn)象，導致學生在理解物理現(xiàn)象時存在較大的困難。

AR（Augmented Reality）是“增強現(xiàn)實”的簡稱，可將計算機實時渲染獲得的虛擬圖像信息疊加或覆蓋在真實世界相應的圖像識別區(qū)域之上，構(gòu)成虛擬空間與真實世界無縫融合的實時圖像。本質(zhì)上，AR是VR（Virtual Reality）和圖像識別技術(shù)在現(xiàn)實圖像上的運用。由VR技術(shù)提供仿真的虛擬空間3D圖像，圖像識別技術(shù)用于識別真實世界中的標定物，如一張二維碼圖像。AR程序從攝像頭上捕獲這個圖像后，能調(diào)用預定的VR中的三維動畫，自適應真實世界的尺寸后成像在投影機中，與攝像頭中的真實世界進行相應的虛實疊加成像。隨著AR技術(shù)的成熟，利用各種傳感器和可視化編輯教具設計，可將教學知識和AR工具相互結(jié)合，在現(xiàn)實的物理教學環(huán)境中快速、可編程化地實施。

2 AR學具的教育特征

AR學具在教育領域里的作用是符合皮亞杰教育學理論和建構(gòu)主義學習理論的。首先，AR學具包含豐富的建構(gòu)工具包和合理的表現(xiàn)環(huán)境，學生在操作中可以親自實踐而沒有現(xiàn)實環(huán)境的諸多限制。其次，對于物理學科知識，AR學具能突破傳統(tǒng)學具無法建構(gòu)或表現(xiàn)的物理現(xiàn)象。如初中物理中的磁場和磁感應線的教學中，利用AR加載體感教學軟件，將虛擬的磁場可視化，學生可通過AR學具與虛擬磁場進行實時交互。這是突破人類感知范圍的學習；如在初中物理的光線直線傳播的教學中，利用黑板、投影機、多組攝像頭可以構(gòu)建出地月日三星體系，學生可通過AR學具改變?nèi)叩奈恢藐P(guān)系從空間上認識日食和月食。這是突破空間局限的學習。近年來層出不窮的AR設備表明作為物理學具已逐步成熟，可以提升學生學習的效率和效果，也大幅增強了學生對抽象概念和可視化困難現(xiàn)象的直觀感知。在實踐中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀的AR學具一般具備以下幾個方面的性質(zhì)。

2.1 學習接口

AR學具要成為學具必須嵌入學習目標，使其學習內(nèi)容的呈現(xiàn)需要體現(xiàn)增強現(xiàn)實的優(yōu)勢。AR學具在課程框架下為師生提供合適的學習目標，這些目標被分解為通過預設規(guī)則賦值到學具中去，并根據(jù)互動變化提供可編輯的物理信號[1]。

2.2 多通道交互

在虛擬學習環(huán)境中，學生與AR學具的交互活動是教學的重要組成部分。AR學具使得學習者受到多維度的感官刺激，擴充了其知識內(nèi)化的信道數(shù)量[2]。同時，它承擔著呈現(xiàn)和傳播教學內(nèi)容的職能。學習者直接通過AR學具提供給人類的多感知接口進行實時交互。

2.3 情感支撐

近十年來，智能手機的飛速發(fā)展并向校園的滲透已是大勢所趨。在移動環(huán)境中學生對智能手持設備的依賴性日益加深，而負責AR學具運作的虛擬學習環(huán)境系統(tǒng)完全可以用一部智能手機來承擔。它利用多種傳感器可檢測到學生的學習狀態(tài)和學習進度，從而及時地釋放學習激勵機制和學習引導步驟來促使學生把精力和注意力放在虛擬學習環(huán)境中。同時，這種機制也釋放了教師在課堂上的授課壓力，將更多精力放在學科內(nèi)容的傳授上，這種機制是傳統(tǒng)學具所不具備的。

2.4 沉浸感

AR學具除了給學生帶來知識和操作的技能外，還能給學習者帶來一種身臨其境的感受。這不同于簡單學具，而是沉浸式環(huán)境將物理學科知識融入到真實世界中。AR學具的學習接口越接近現(xiàn)實，學習者的大腦越容易陷于其中。在311日本地震海嘯發(fā)生后，曾有兩位日本學者指導幾個九年級學生根據(jù)虛擬學習模型設定他們所處的校園就位于事故核電站12公里外，根據(jù)當?shù)氐娘L向等天氣因素，用AR學具收集虛擬的輻射放射值數(shù)據(jù)。這個考察實驗過后，他們發(fā)現(xiàn)AR學具不單是帶給學生對核物理的基礎認知，也改變了學生對現(xiàn)實世界中核災難的理性態(tài)度。

2.5 可追溯性

通常情況下，學習活動直接或間接地需要協(xié)調(diào)者的組織。不論是課堂引導還是家庭輔導，學生希望自己的學習成果和學習階段能被教育者跟蹤并獲得肯定。AR學具除了能實現(xiàn)跟蹤學習成果，還可根據(jù)學生的學習狀態(tài)動態(tài)調(diào)整虛擬實驗的難度和廣度，并將學習結(jié)果反饋給教學組織者以及學生，促成AR學具環(huán)境中各要素之間的信息溝通。

3 AR學具的設計

AR工具從誕生以來就一直在為教育產(chǎn)品服務，國內(nèi)外已有多家科技公司推出自身的AR軟件或一體化的硬件系統(tǒng)，并不斷降低開發(fā)難度和周期來吸引教師參與到AR學具的內(nèi)容建設中?，F(xiàn)在的AR學具已不需要教師再去理解底層SDK接口，只需將AR模塊利用開發(fā)工具植入到虛擬交互平臺中，并設計邏輯為AR模塊賦予物理特性。因此，選擇一款有合理物理引擎的設計AR平臺是首要工作。而教師在設計或編輯AR學具時應注意從觸感、物理環(huán)境和融合三個方面圍繞學習內(nèi)容進行打造，兩個方面缺一不可。

3.1 觸感

觸感體驗是人類認知世界的基本方式。支持物理世界真實交互的AR學具能夠以真實的觸感、自然的實時交互降低學習者操控體驗的時空隔閡。相比單純以視聽方式表示的知識，具化的知識能夠取得更加牢固的建構(gòu)效果。AR學具應該具備傳統(tǒng)學具那樣能支撐足夠信息的物理現(xiàn)象，以接近自然的方式反饋給學生。教師在設計實驗時可充分借助智能手機或平板電腦的多種傳感器，讓學生在操縱學具時獲得空間方向、動作觸感、重力反饋等細節(jié)變化的支持。

3.2 物理環(huán)境

以理想模型或極端環(huán)境為先決條件的物理概念經(jīng)常需要借助直觀的學具來表現(xiàn)，但傳統(tǒng)學具有先天的缺陷，一個方面是難以提供真實的物理環(huán)境，另一方面是缺乏動態(tài)的物理交互機制，尤其是學生在學習極端物理條件下或常態(tài)時間下難以獲得的狀態(tài)、環(huán)境和場景時，AR學具可輕易突破這個限制，用生動的視覺和聽覺來引導學生。例如，在極高壓、極低壓或極高溫、極低溫等極端環(huán)境中的現(xiàn)象，AR學具不僅可直觀呈現(xiàn)且能安全地允許學生去操作改變物體的物理狀態(tài)，觀察它們是如何受到物理環(huán)境的改變。再例如，教師在演示牛頓第一定律時，當改變AR學具周圍的介質(zhì)為真空時，即摩擦系數(shù)為零，那么這個現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的理想實驗則在AR學具中實現(xiàn)了。學生可以在虛擬環(huán)境中“真實”體驗無摩擦環(huán)境下力與運動之間的關(guān)系。這對降低學生的認知負擔、簡化認知難度可提供積極的作用。

3.3 融合

AR學具能夠創(chuàng)造特定的學習情境，規(guī)避了現(xiàn)實體驗中可能帶來的非課程因素。對物理實驗來說，AR學具可以保證學習者絕對安全的同時，提供逼真的操作體驗，也能夠訓練學習者的操作熟練度，提高他們進行真實實驗、實踐的效率。AR學具也能夠支持多種類型的情境學習，在智能手機、平板電腦等移動設備的支持下，AR學具可以脫離教室，在更廣闊的空間范圍內(nèi)發(fā)揮作用[3]。例如，借助移動設備的GPS、電子羅盤等傳感器，AR學具能夠讓學生動手控制帆船的逆風前行獲得力的分解能力，讓學生感知真實的體驗而不是枯燥的平行四邊形法則。

除了上述的三個性質(zhì)外，AR學具還應符合傳統(tǒng)學具的基本設計要求。具備可靠的操作性、良好的操作平臺和可編輯化都是提升AR學具品質(zhì)的重要方面。

4 AR實驗的開發(fā)

本文以“電路設計”實驗為基礎設計了一個AR實驗學具。

4.1 開發(fā)目標

“電路設計”實驗是學生認識和學習電路知識的重要方式。真實的電路實驗限制條件較多，安全性也成為一些老師或校方的顧忌。而普通的虛擬實驗則缺乏真實實驗帶來的觸感和物理環(huán)境。AR學具結(jié)合了兩者的優(yōu)勢，可支撐中學生階段所有的電路實驗。因此，AR學具的設計目標是以中學階段的基本或較復雜的電路為藍本，在虛擬環(huán)境中可以呈現(xiàn)模擬真實電路的通電狀態(tài)和結(jié)果。當學生改變電路元件或電路時，電路中的物理狀態(tài)應發(fā)生相應的變化并反饋合理的結(jié)果。

4.2 開發(fā)工具

虛擬教具設計階段需要進行數(shù)字資源的設計、操控交互設計與互動程序等方面的設計。早期缺乏物理引擎的學具素材外觀的設計非常簡陋，且與現(xiàn)實場景幾乎沒有交互，這導致AR教具反而會引起學生的誤解和反感。因此，建議采用的SDK開發(fā)工具是谷歌公司的ARCore，學具及場景的建模使用Unity引擎。

Unity是當前主流的虛擬引擎，有3D建模能力的教師可以根據(jù)需求自行開發(fā)學具模型，相關(guān)的學術(shù)論文也有，本文不一一贅述。因ARCore運算能力較高，加載學具的現(xiàn)實設備必須是安卓7.0或以上版本的智能設備，人機交互界面就是手機或平板電腦的觸摸顯示屏。手機將虛擬教具與手機后置攝像頭實時拍攝的標識物和場景進行實時GPU運算，ARCore負責將標識物替換為虛擬教具，并按預定的物理規(guī)則與場景進行渲染融合。這包括三個方面：

（1）運動跟蹤（Motion Tracking）：ARCore 可以準確感知手機在移動時的位置和姿態(tài)，并準確放置虛擬學具。（2）表面檢測（Surface Detection）： ARCore 可以將虛擬學具合理地放置在環(huán)境中，并將其錨定到水平表面，如點陣模板。（3）光源感知（Light Estimation）：ARCore 能夠感知現(xiàn)實世界的光照情況，然后在程序中生成一個虛擬點光源使所有的虛擬學具能夠形成相對方位的陰影。

此外，ARCore還能快速、穩(wěn)定地進行運動追蹤，具有基本邊界的平面估算，可自適應學具與現(xiàn)實場景的大小匹配和邊界進出。教師或開發(fā)人員無需擔心AR學具會出現(xiàn)比例失調(diào)或超出視野范圍等錯誤。

4.3 學具的交互響應設計

交互響應則是學具實現(xiàn)物理功能的接口，教師需要為AR學具模型增加3D響應區(qū)域。在Unity3D引擎中，響應區(qū)域的激活檢測一般采用碰撞檢測法，即在學具模型的Physics屬性中增加Oncontroller Colliderhit事件邏輯。當不同的虛擬AR學具或現(xiàn)實物體與其接觸或接近時就能觸發(fā)某個事件邏輯中的值，從而指向某種渲染效果或事件來引發(fā)虛擬的物理效應，如圖1所示。

可改變其虛擬實驗的物理結(jié)果

5 AR的課程實施

在現(xiàn)實場景中，AR學具的物理載體有帶配套的二維碼標識物和點陣模板（圖2），其中，標識物上注明其代表的虛擬教具的名稱和基本物理參數(shù)等。學生在點陣模板上放置標識物，激活電路開關(guān)后在手機屏幕上就能看到。例如，電器設備標識物可以是電源、電燈泡、電動機或金屬球等；控制類型的標識物可以是電阻、電容或開關(guān)等（圖3）；觀測類型的標識物可以是電流計、電壓計或計數(shù)器等。

以設計一個帶開關(guān)且可改變功率大小的直流電風扇為例，學生用電池標記物可以放置在點陣模板上的某個位置，然后在手機觸屏上可選擇虛擬電路線進行描繪，則可呈現(xiàn)如圖4所示的電路圖。ARCore能根據(jù)電池的正負極動態(tài)地展示電流的方向。

顯然，圖4顯示的電路過于復雜且缺乏邏輯性。教師此時可以讓學生在嘗試失敗后引導學生先簡化電路，再放置電開關(guān)標識物和電阻標識物在一個回路中，如圖5所示。

此外，在AR學具的虛擬課堂中，教師要充分發(fā)揮物理的學科特色，用物理知識的豐富性和深刻性打動學生，這是激發(fā)他們的學習興趣，進而學好物理的根本。AR學具的目的是提高學生學習的積極性，讓學生重演物理知識的發(fā)生過程。而教師和虛擬實驗環(huán)境的目的是引導學生去揭示物理知識的發(fā)生原因、經(jīng)歷物理知識的形成過程以及感受物理知識的作用等[4]，使物理虛擬實驗課程成為學生的“亞研究”“再創(chuàng)造”的過程。AR學具為中學物理實驗課程授課方式提供了一種嶄新的視角，也為虛擬學具的共享、共建、共用提供了新的平臺，還是未來物理實驗課程在遠程教育發(fā)展上的重要分支。

參考文獻：

[1]陳向東.增強現(xiàn)實學具的開發(fā)與應用——以“AR電路學具”為例[J].中國電化教育，2014（9）：105-110.

[2][3]喬辰.增強現(xiàn)實學具的開發(fā)與應用[D].上海：華東師范大學碩士學位論文，2014.

[4]吳加澍.中學物理教師的學科教學知識[J].物理教學， 2012（12）：5-10.