基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的電磁學(xué)教學(xué)研究

鄭譽(yù)煌 卜國(guó)富 肖俐華

摘? 要：電磁學(xué)在高中物理中是一個(gè)重點(diǎn)，里面的概念比較抽象，學(xué)生普遍反映難學(xué)。該文提出了在電磁學(xué)教學(xué)過(guò)程中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并著重討論了面向物理模型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)流程和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對(duì)物理教學(xué)反思?；?DsMax設(shè)計(jì)物理模型，ARCore作為開(kāi)發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的核心組件，Unity 3D作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，在Android手機(jī)上運(yùn)行這個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件。實(shí)踐表明，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的電磁學(xué)教學(xué)模式能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度。

關(guān)鍵詞：電磁學(xué)? 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)? 物理教學(xué)? 靜電場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7;G434? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(xué)對(duì)于很多同學(xué)而言，是難度比較大的部分。電磁學(xué)包括靜電場(chǎng)、恒定電流、磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)、交流電等內(nèi)容。以靜電場(chǎng)這一章為例，這章主要內(nèi)容介紹靜電場(chǎng)力的性質(zhì)和能的性質(zhì)，以及帶電粒子在非勻強(qiáng)電場(chǎng)和均勻電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。學(xué)好靜電場(chǎng)的關(guān)鍵是要對(duì)點(diǎn)電荷、靜電場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)線、電場(chǎng)強(qiáng)度的疊加、勻強(qiáng)電場(chǎng)、靜電力做功、電勢(shì)能、等勢(shì)面、電勢(shì)差、靜電平衡時(shí)導(dǎo)體上電荷的分布等這些抽象的物理量有準(zhǔn)確的理解。每當(dāng)教學(xué)進(jìn)入這部分內(nèi)容時(shí)，學(xué)生普遍覺(jué)得這部分物理概念多、抽象，且難以理解，例如電場(chǎng)線是畫(huà)在電場(chǎng)中一條條有方向的曲線，曲線上每點(diǎn)的切線方向表示該電的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向，電場(chǎng)線不是實(shí)際存在的線，而是為了形象地描述電場(chǎng)而假想的線，是一個(gè)不存在的物理理想模型。而物理又是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，在實(shí)際教學(xué)中，這些人為抽象出來(lái)的概念只是停留在紙面，而與現(xiàn)實(shí)世界完全隔離，不利于同學(xué)們加強(qiáng)概念的辨析和理解，不利于同學(xué)們結(jié)合生活的實(shí)際理解這些知識(shí)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，為AR）當(dāng)前正在迅速發(fā)展的技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景，如游戲娛樂(lè)、工業(yè)制造、醫(yī)療保健等，其中教育是一個(gè)非常有前途的應(yīng)用領(lǐng)域。AR增加用戶(hù)的沉浸感，并使得用戶(hù)直接將有用的虛擬內(nèi)容疊加到現(xiàn)實(shí)世界上。AR可以把教學(xué)游戲化，使學(xué)生學(xué)習(xí)更加接近真實(shí)環(huán)境，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[1]。

為此，該文基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套電磁學(xué)教學(xué)軟件，并將其用于實(shí)際教學(xué)中。這套軟件能在課堂空間內(nèi)隨時(shí)隨地地演示電磁學(xué)的相關(guān)概念和實(shí)驗(yàn)，有利于同學(xué)們深入理解概念，為物理教學(xué)提供了一個(gè)較好的教學(xué)手段[2-3]。

2? 基于AR的電磁學(xué)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)

基于AR的電磁學(xué)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)主要包括3部分組成：AR開(kāi)發(fā)環(huán)境、AR開(kāi)發(fā)軟件工具包（AR SDK）、3D建模軟件[4-5]。

（1）AR開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Unity3D。Unity3D能夠創(chuàng)建實(shí)時(shí)、可視化的2D和3D動(dòng)畫(huà)、游戲或其他教學(xué)軟件。Unity3D采用所見(jiàn)即所得的開(kāi)發(fā)模式，而且開(kāi)發(fā)所需的資源非常豐富。利用Unity3D引擎和C#編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目軟件的UI界面設(shè)計(jì)和同學(xué)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(jié)合少量編程，使軟件開(kāi)發(fā)比較快速。Unity3D具有一次開(kāi)發(fā)，多平臺(tái)發(fā)布的優(yōu)勢(shì)，既可以在Windows運(yùn)行，也可以在Android或iOS的手機(jī)端運(yùn)行，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。

（2）AR SDK采用ARCore。AR SDK是一種能夠幫助程序員快速開(kāi)發(fā)的AR程序的集成AR開(kāi)發(fā)框架和操作平臺(tái)。ARCore是由美國(guó)谷歌公司提供的免費(fèi)AR SDK。ARCore具有運(yùn)動(dòng)跟蹤、環(huán)境理解、光學(xué)評(píng)估等核心功能。ARCore能讓手機(jī)能夠感知其環(huán)境、理解現(xiàn)實(shí)世界并與信息進(jìn)行交互。ARCore支持Android和iOS兩大主流手機(jī)平臺(tái)。ARCore提供了對(duì)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(xué)里面的概念和模型需要3D模型展現(xiàn)，而Unity3D不能創(chuàng)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(duì)Unity3D的兼容性也很好。選擇3DsMax建立3D模型，因?yàn)?DsMax能夠?qū)С龆喾N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(dǎo)入U(xiǎn)nity3D進(jìn)行后續(xù)工作，操作簡(jiǎn)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(shù)據(jù)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(yōu)勢(shì)是支持法線和貼圖坐標(biāo)，貼圖以及坐標(biāo)信息都可以存入FBX文件中，文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后不需要再重新貼圖以及調(diào)整貼圖坐標(biāo)。

主要開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。首先，在Unity3D中新建項(xiàng)目中導(dǎo)入AR Core，同時(shí)刪除Unity3D中的Scene自帶一個(gè)Main Camera對(duì)象，改用AR Core的ARCamera和ImageTarget對(duì)象，并設(shè)置特征平面。其次，導(dǎo)入FBX格式的3D模型，值得注意的是3DsMax默認(rèn)導(dǎo)出的FBX文件導(dǎo)入到Unity3D中的默認(rèn)縮放因子是0.01，而Unity3D默認(rèn)單位為米，開(kāi)發(fā)中需要根據(jù)實(shí)際調(diào)整。最后，是程序的編譯運(yùn)行和上機(jī)調(diào)試，該項(xiàng)目在Unity3D上使用USB接口進(jìn)行Android真機(jī)調(diào)試。

圖2是我們靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)教學(xué)的AR演示例子。在教材講到靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，AR設(shè)備（如手機(jī)）的攝像頭檢測(cè)到物理模型的特征平面圖，則AR教學(xué)軟件會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)這些物理模型的立體圖，而且學(xué)生可以通過(guò)屏幕控制立體模型的參數(shù)，如靜電場(chǎng)的電力線顯示數(shù)目或磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小等。

3? 基于AR的電磁學(xué)教學(xué)模式反思

通過(guò)引入AR技術(shù)來(lái)講授靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)，學(xué)生們通過(guò)AR技術(shù)可以進(jìn)入一個(gè)虛擬物理模型與現(xiàn)實(shí)課室相融合的教學(xué)環(huán)境，學(xué)生能夠動(dòng)態(tài)地進(jìn)行交互式操作與學(xué)習(xí)。基于AR的電磁學(xué)教學(xué)模式有以下優(yōu)勢(shì)[6-7]。

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

（2）提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度。AR技術(shù)可以讓學(xué)生和抽象的物理模型互動(dòng)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度。使學(xué)生積極參與到沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境中去學(xué)習(xí)知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同時(shí)，所教的學(xué)生還處于活潑好動(dòng)的青春期，AR技術(shù)可以將物理模型和知識(shí)以游戲化的方式表達(dá)出來(lái)，活躍了教學(xué)氣氛。

（3）降低實(shí)驗(yàn)損耗、提高實(shí)驗(yàn)效率。傳統(tǒng)演示磁力線的實(shí)驗(yàn)是采用“鐵粉+磁鐵”，這種模式實(shí)驗(yàn)效率低，而且不便于攜帶，損耗較大。電場(chǎng)線的實(shí)驗(yàn)演示更加難以實(shí)現(xiàn)。而AR技術(shù)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(xué)生AR環(huán)境中操作它們，實(shí)驗(yàn)效果與理論效果完全一致，而且不會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)損耗，還節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

然而，基于AR技術(shù)的教學(xué)還存在一些問(wèn)題，最主要是AR教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)成本和AR設(shè)備的采購(gòu)成本比較高。雖然市面上有一些基于AR的物理教學(xué)軟件，但是這些都是通用的，而且要在特定的AR硬件平臺(tái)上運(yùn)行。若老師們要開(kāi)發(fā)自主的物理教學(xué)軟件，這個(gè)開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間是比較大的。另外，支持AR設(shè)備在市面上參差不齊，每臺(tái)AR設(shè)備價(jià)格在幾千元到上萬(wàn)元之間。若要在每個(gè)課室都裝備這樣的AR設(shè)備，一次性投資是比較大的。

4? 結(jié)語(yǔ)

在該研究文中，我們展示了采用AR技術(shù)在物理課堂講授靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)的案例，并且介紹了AR教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)流程，并對(duì)基于AR技術(shù)的教學(xué)模式做了反思。在研發(fā)過(guò)程中有兩個(gè)難題：一是如何設(shè)計(jì)更加真實(shí)的3D模型;二是如何提高3D模型和人與環(huán)境的交互功能。優(yōu)秀的3D模型設(shè)計(jì)需要大量和細(xì)致設(shè)計(jì)工作，而3D模型的交互，特別是流暢度離不開(kāi)AR設(shè)備的支持。在今后的研究中，我們將進(jìn)一步研發(fā)更多基于AR技術(shù)的教學(xué)軟件，并且收集更多學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋意見(jiàn)，讓老師們能夠可以結(jié)合AR教學(xué)調(diào)整他們的課堂教學(xué)安排，使得AR技術(shù)在課堂上發(fā)揮它巨大作用。

參考文獻(xiàn)

[1] Minaskan N， Rambach J， Pagani A， et al. Augmented Reality in Physics Education： Motion Understanding Using an Augmented Airtable[C]//International Conference on Virtual Reality and Augmented Reality.2019：116-125.

[2] 譚康，張成清.“研學(xué)后教”理念下高中物理習(xí)題課教學(xué)課前備課——以粵教版物理選修3-1“帶電粒子在電場(chǎng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”為例[J].湖南中學(xué)物理，2019，34（11）：77-79，50.

[3] Pittman C， LaViola J J. Determining Design Requirements for AR Physics Education Applications[C]//2019 IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces （VR）.2019：1126-1127.

[4] 高偉，王昱霖，郭瑾.國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育研究熱點(diǎn)及啟示[J].開(kāi)放學(xué)習(xí)研究，2020，25（2）：47-54，62.

[5] 楊路，王松，劉逸豪.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式交互應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2020，20（1）：19-23.

[6] 朱肖龍.基于AR的加工中心虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[D].山東建筑大學(xué)，2019.

[7] 周玲，陳強(qiáng).城市地下管網(wǎng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2020，56（1）：251-256.