交互式AR單縫衍射實(shí)驗(yàn)

蔡蘇 牛曉杰 徐雪迎 程露 柳昌灝

【摘 要】增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，作為在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上飛速發(fā)展并走向成熟應(yīng)用的新技術(shù)，在教學(xué)領(lǐng)域尤其是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中極具發(fā)展?jié)摿?。本文以高中物理單縫衍射實(shí)驗(yàn)為例，介紹了北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的一款交互式高中物理光學(xué)衍射應(yīng)用程序，同時(shí)介紹了實(shí)驗(yàn)室基于此AR教學(xué)案例進(jìn)行的實(shí)證研究；最后，對AR技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了討論與展望。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；高中物理；單縫衍射；仿真實(shí)驗(yàn)

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

【論文編號(hào)】1671-7384（2018）09-068-03

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與物理

物理是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，而當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)則存在一些困難。以單縫衍射實(shí)驗(yàn)為例，其中的抽象概念、微觀知識(shí)、復(fù)雜規(guī)律易造成初學(xué)者的學(xué)習(xí)困難；另外，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生通過科學(xué)探究過程掌握基本科學(xué)探究能力，而全國各地實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺失、實(shí)驗(yàn)操作危險(xiǎn)、實(shí)驗(yàn)效果差也成為學(xué)生自主探究的一大阻礙。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)的、逼真的、高解像度的3D場景，便于學(xué)習(xí)者進(jìn)行細(xì)致觀察，探索事物的本質(zhì)和規(guī)律[1]。此特點(diǎn)為有效解決上述問題提供了可能，使得學(xué)生無論在課堂上還是課后復(fù)習(xí)中都可以通過AR交互操作，強(qiáng)化復(fù)雜、微觀知識(shí)的理解與記憶。

AR在物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的研究案例

在物理學(xué)科中，光學(xué)現(xiàn)象難以觀察，光學(xué)知識(shí)較為抽象，光學(xué)實(shí)驗(yàn)通常操作復(fù)雜、器材昂貴易損毀、實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以觀測，因此虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的輔助作用較為顯著。然而，目前國內(nèi)外用于物理教學(xué)尤其是光學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真軟件多以演示為主，交互也多使用鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備，自然交互性差。北京理工大學(xué)的陳澤嬋、陳靖、嚴(yán)雷等人（2015）開發(fā)了基于Unity3D的移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，內(nèi)容包括凸透鏡成像規(guī)律探究、楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和光的平面反射實(shí)驗(yàn)。然而，該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在功能上并未超越虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，且對實(shí)驗(yàn)器材的控制必須通過觸摸屏控制，自然交互性不夠理想，且未對該應(yīng)用的使用效果即“激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)效果”[2]進(jìn)行實(shí)證研究。

北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室在物理AR教學(xué)領(lǐng)域做了大量實(shí)證案例。2013年，蔡蘇等人通過AR凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)課程，研究發(fā)現(xiàn)使用AR可對分?jǐn)?shù)較低學(xué)生產(chǎn)生更大影響[3]。2017年，蔡蘇等人的研究證明基于AR的體感教學(xué)軟件有助于學(xué)生理解磁場、磁感線等抽象知識(shí)，并改善學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的情感態(tài)度[4]。2018年，王濤等人對AR雙縫干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究也證實(shí)了AR在輔助教學(xué)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)等方面有著顯著作用[5]。

“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的單縫衍射AR案例

北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互式物理光學(xué)單縫衍射案例。它針對目前高中課程標(biāo)準(zhǔn)對于單縫衍射知識(shí)點(diǎn)的規(guī)定，建立光源、單縫和光屏模型，通過設(shè)置自然交互的虛擬按鈕再現(xiàn)單縫衍射實(shí)驗(yàn)的過程。該教學(xué)軟件在幫助高中生提升物理實(shí)驗(yàn)水平和逐步培養(yǎng)自主探究能力的同時(shí)，進(jìn)一步激發(fā)高中生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

在物理中波長體現(xiàn)為不同顏色的光，紅色為可見光范圍內(nèi)波長最大的光。本軟件選用紅色、藍(lán)色、紫色和白色作為光的顏色選項(xiàng)，當(dāng)點(diǎn)擊對應(yīng)顏色的按鈕時(shí)，條紋變換為相應(yīng)的顏色，并且中央亮紋的寬度也隨之變化。

當(dāng)波長一定時(shí)，單縫窄的中央條紋寬，各條紋間距大。此實(shí)驗(yàn)可以對單縫的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)。單縫變窄，衍射現(xiàn)象明顯，條紋間距變大；反之亦然。值得注意的是，當(dāng)單縫距離大到一定程度，衍射現(xiàn)象不發(fā)生，此時(shí)光沿直線傳播，光屏上只有一條亮紋。

由于受到衍射角θ的影響，光屏到單縫之間距離越小，條紋間距越大。因此在此軟件中通過移動(dòng)兩張識(shí)別圖之間的距離，導(dǎo)致衍射條紋的變化。二者距離越近，衍射現(xiàn)象越明顯，條紋間距越大；反之亦然。

開展AR單縫衍射教學(xué)的實(shí)證案例

本研究采用對比實(shí)證研究，設(shè)置對照班和實(shí)驗(yàn)班，從知識(shí)、過程與方法、情感三個(gè)維度建立模型，結(jié)合對師生的訪談，研究AR仿真實(shí)驗(yàn)程序的使用對于教學(xué)目標(biāo)達(dá)成的影響。

1.教學(xué)過程

選取河北省滄州市吳橋縣第二初級(jí)中學(xué)作為實(shí)驗(yàn)學(xué)校，設(shè)置實(shí)驗(yàn)班（A班）和對照班（B班），每班35人。A班和B班的授課教師均為具備授課經(jīng)驗(yàn)的課題組成員。兩個(gè)班級(jí)同時(shí)開展課程，時(shí)間均為100分鐘。授課教師創(chuàng)設(shè)情境、引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手探究并思考交流。實(shí)驗(yàn)班在探究環(huán)節(jié)采用本課題組自主研制的AR程序，對照班則由教師演示在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)探究來完成教學(xué)。為控制變量，除探究環(huán)節(jié)所用工具不同外，其余條件（例如教師使用圖片、教學(xué)媒體、教學(xué)環(huán)節(jié)等）均保持一致。

2.結(jié)果討論

本次實(shí)驗(yàn)共下發(fā)問卷70份，回收70份，有效問卷68份。

在知識(shí)方面，實(shí)驗(yàn)班成績優(yōu)于對照班，選擇和填空題成績明顯高于對照班，且組內(nèi)差距較小。表明AR交互程序能夠提升學(xué)生的知識(shí)掌握程度；在過程與方法方面，對實(shí)驗(yàn)探究題的前后測成績進(jìn)行了配對樣本T檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明交互式AR程序的使用能夠在一定程度上有益于學(xué)生科學(xué)探究方法的掌握與應(yīng)用；在情感態(tài)度方面，實(shí)驗(yàn)前后，三個(gè)維度的平均值都有一定程度上升，然而在認(rèn)知和情感兩個(gè)維度，前后測無顯著差異，而在行為傾向上則有顯著差異。

總體來說，AR技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)課堂中的應(yīng)用在整體上可以提升教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度，對課堂教學(xué)具備促進(jìn)作用。需要強(qiáng)調(diào)的是，若要在真實(shí)教學(xué)情境中合理應(yīng)用AR程序，需要重視與AR程序相對應(yīng)的教學(xué)資源、教學(xué)活動(dòng)以及教學(xué)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

總 結(jié)

AR的物理應(yīng)用在學(xué)段與范圍上完成了全方位覆蓋。從基礎(chǔ)教育到高等教育，在物理學(xué)科的不同分支上，都可見AR融入課堂、輔助教學(xué)、實(shí)現(xiàn)教學(xué)效率最大化的案例。AR與物理學(xué)科的深入融合不僅體現(xiàn)在教學(xué)過程中對物理現(xiàn)象和規(guī)律的具體、形象的展示，還通過自然交互在物理學(xué)科要求的探究式學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作中得到了充分彰顯。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，AR內(nèi)容制作的成本和門檻會(huì)繼續(xù)降低，這也為AR走進(jìn)物理課堂提供了更多機(jī)遇。

即便如此，AR的物理應(yīng)用也多處于研究與試驗(yàn)階段。大部分應(yīng)用案例是以展示內(nèi)容為主，存在著學(xué)習(xí)者與教學(xué)材料交互不夠豐富、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)不夠深入等問題。未來的物理AR應(yīng)用，應(yīng)該更加重視技術(shù)與學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度結(jié)合、學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)。要生成一套完整的教學(xué)模式和AR環(huán)境設(shè)計(jì)原則，使其充分服務(wù)于教和學(xué)，也需要相關(guān)的技術(shù)人員、教學(xué)設(shè)計(jì)人員、學(xué)科專家和更多一線教師共同參與，為新型虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境中所涉及的問題提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

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