利用增強現實改進大學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.北京郵電大學理學院，北京 100876；2.北京郵電大學世紀學院，北京 102613）

0 引言

教育是國家和民族興旺發(fā)達的基石。如何緊跟時代的發(fā)展把最新、最先進的技術手段融入教育中，一直是教育行業(yè)者思考與探索的問題。具體到大學物理實驗的教學，隨著計算機技術和互聯網的發(fā)展，各種新的技術紛紛應用到了教學當中。例如：多媒體、虛擬實驗、數學仿真等技術。近些年來增強現實（Augmented Reality，AR）技術迅速發(fā)展，在很多領域都得到了成功應用。如何將增強現實與大學物理實驗課程有機結合，改進教學手段和方法，提高學生學習興趣和效率，成為大學物理實驗課程發(fā)展的一個新方向。

1 增強現實技術在教育應用中的研究現狀

1.1 增強現實技術

增強現實的概念在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，后來逐漸擴展到軍事訓練、醫(yī)療培訓［2］和教育［3］等專業(yè)領域中。Milgram等［4］在1994 年提出了現實環(huán)境和虛擬環(huán)境的連接關系，如圖1 所示?！叭魏卧谔囟ㄎ恢媒Y合現實與虛擬的技術”都可稱為增強現實技術，其中現實物體與虛擬信息都起非常重要的作用［5］。增強現實是廣義上虛擬現實（Virtual Reality，VR）的擴展，但又與虛擬現實不同，增強現實的主戰(zhàn)場是“現實世界”［6］，增強現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，是現實世界和虛擬信息的結合，設備輕便靈活，并不需要專業(yè)的VR眼鏡等設備來實現。增強現實使學習者能夠直觀感受復雜的空間關系和抽象概念，體驗現實世界中不可能出現的現象。與傳統(tǒng)教學相比，增強現實提高了教學的體驗感、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［7］，能夠激發(fā)學習者的學習興趣，提高學習者的學習效率［8］。

圖1 現實環(huán)境到虛擬環(huán)境的連接關系

1.2 在教育應用中的研究現狀

從2013 開始，增強現實技術逐漸走出了專業(yè)領域，在教育領域開始得到大規(guī)模的運用。比如李青等［9］在2013 年設計和開發(fā)了基于增強現實的移動學習工具，并結合“微波技術與天線”課程進行實證研究，經過調研發(fā)現高達85%的學生認為效果較好。魏小東等［10］在2014 年基于ARToolkit 工具包開發(fā)了增強現實教學的教育平臺“悅趣多”，通過在人大附中的試點，顯示“悅趣多”可以有效提高學生的創(chuàng)新力。McMahon等［11］在2016 年對增強現實技術應用于智力障礙、自閉癥學生的科學詞匯學習進行了研究，測試發(fā)現所有智力障礙、自閉癥學生通過增強現實都掌握了科學詞匯。李丹等［12］在2017 年基于增強現實構建了英語教學新模式，從多個方面對英語課堂的增強現實教學進行系統(tǒng)設計，使學生在擬真教學場景中，利用更多的感官使學習變得更加容易。Kim 等［13］在2018 年對增強現實應用于幼兒英語教育體系方面進行了研究，利用增強現實提供虛擬多媒體教育內容讓幼兒產生興趣。Lindner等［14］在2019 年開發(fā)了“地球—月球系統(tǒng)”數字實驗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，學生可以通過可視化理解復雜的主題。

2 物理實驗教學遇到的問題

2.1 學生對于預習缺乏興趣

預習對于物理實驗課程來說至關重要，學生預習得好壞直接決定了實驗教學的效果。目前國內大部分高校，均要求學生在做實驗之前完成實驗預習。但從實際效果來看并不理想，學生經常反映在預習的時候抓不住重點，容易產生畏難情緒、缺乏學習興趣，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雜的公式推導上，對于實驗步驟的掌握往往停留在紙面描述上。這讓學生在預習的時候感覺到非常枯燥，很難對即將進行的實驗充滿期待，也就缺少了主動學習的動力。部分學生只是按照老師的要求把相應的內容抄寫一遍，達不到預習應有的效果，影響了大學物理實驗課程的教學效果。

2.2 教師上課方式不夠生動

目前國內大部分高校的大學物理實驗課仍采用自然班的方式上課，因此在教學時教師經常需要同時指導多名同學，甚至同時指導多個實驗，很難做到及時回答每位學生的疑問，容易打擊學生學習的積極性，不利于引導他們自主學習。同時傳統(tǒng)的教學方式是上課后教師先通過PPT、視頻等教學手段詳細的講解實驗原理、操作步驟、數據測量、結果分析等內容之后，再讓學生開始動手實驗。這樣的上課方式讓學生在學習的時候對于抽象的概念難以理解，無法把實驗儀器和教學內容結合起來，甚至有些學生上完課，連儀器的原理都不清楚，只是機械的按照書上的步驟“照葫蘆畫瓢”完成實驗，達不到物理實驗課程的培養(yǎng)目標。

2.3 學習的時間和空間限制

實驗課程由于其自身的特殊性，需要專業(yè)的儀器設備才能進行，往往需要在實驗室完成，受限于物理實驗室的教學資源。為了擴展教學資源，很多學校都進行了有意義的探索［15］，但是也很難滿足所有學生的需求。隨著計算機科學的發(fā)展和進步，很多學校也對虛擬仿真實驗進行了研究，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)境也提高了學生的學習成本，例如VR 系統(tǒng)開發(fā)的實驗，往往需要先做仿真實驗。

3 增強現實應用于物理實驗教學

為了探索性研究利用增強現實來解決上述問題，使用Unity引擎和Vuforia插件［18］，開發(fā)了分光計的調整與使用實驗的增強現實APP。該增強現實APP 基于圖像識別技術，當手機攝像頭識別到目標圖片時，將設計好的虛擬模型、視頻、動畫等疊加到真實世界，在手機屏幕上呈現一個現實世界與虛擬信息的混合體。在2018 級通信工程專業(yè)中選取了部分學生進行試用，經過一個學期的探究發(fā)現增強現實APP 可以解決物理實驗課程教學中遇到的一些問題，下面結合實際使用情況進行說明。

3.1 改善預習環(huán)節(jié)，便于學生理解

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

實驗組利用增強現實APP輔助預習，對照組按照傳統(tǒng)方式預習。學生使用增強現實APP輔助預習時，當手機攝像頭掃描到對應內容時會自動展示三維模型或者講解視頻。例如：當手機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，配合著手機的移動，可以360°觀察儀器的各個部位。當手機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，移動手機不會影響觀看，使得觀看視頻更加方便。

圖2 增強現實展示分光計三維模型

圖3 增強現實展示光的色散視頻

研究通過調查問卷的方式來評估增強現實APP對于預習的改善效果。問卷分別從預習時長、預習的趣味性、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)，對使用效果進行調研。研究回收問卷30 份，根據作答的完整性，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)現實驗組學生平均預習時長比對照組長25 min；實驗組67%的學生覺得實驗預習有趣，對照組為33%；實驗組80%的學生基本掌握儀器操作，對照組為67%；實驗組87%的學生基本掌握實驗原理，對照組為73%。從結果可知增強現實APP 確實有效地改善預習枯燥的缺點，讓學生更直觀地了解儀器構造、實驗原理，激發(fā)學生學習物理實驗的熱情，讓學生產生探索書本的興趣，從而高效地完成實驗課程的預習工作，解決學生對實驗預習缺乏興趣的問題。

3.2 改進教學環(huán)節(jié)，激發(fā)學生熱情

在課堂中，教師結合增強現實APP，通過掃描圖片或者儀器部件，可以直接在儀器上進行實驗原理講解或者儀器結構的展示，讓學生在現實環(huán)境中看到虛擬內容，通過對虛擬內容的操縱和旋轉，讓學生能夠在貼近自然交互的方式下進行學習和探索。同時通過設置增強現實展板，將實驗重點和難點以目標圖片的形式展示在上面，當教師無法及時指導時，學生可以通過增強現實APP，進行自主學習。以分光計的調整與使用實驗為例，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現實APP 輔助教學，2 班為對照組利用傳統(tǒng)方式教學。

實驗組教學時，采用增強現實APP輔助教學的方式來進行授課，教師通過增強現實APP在儀器上演示實驗原理和操作，例如：講解望遠鏡的調節(jié)時，教師利用手機攝像頭掃描分光計的望遠鏡，相應位置會顯示其內部結構的三維模型如圖4 所示，教師結合三維模型講解如何調節(jié)目鏡、物鏡。同時給學生設置增強現實展板，將實驗課程內容設計成粗調、細調、頂角測量、最小偏向角測量等不同部分。

圖4 增強現實展示的望遠鏡內部構造

當學生利用增強現實APP掃描對應目標圖片時，APP在圖片位置會自動播放對應講解視頻，方便學生自主學習，如圖5 所示。

通過觀察并記錄了學生的上課表現，研究發(fā)現相對于對照組，實驗組的學生上課氣氛更加熱烈，學生們大都很感興趣，自發(fā)地進行了大量的討論，學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習的方式也得到了他們的歡迎，每位同學都進行了嘗試。最終實驗組班級所有同學都順利地完成了實驗，而對照組的班級出現了有同學沒有完成實驗的情況。分析最后的成績分布，對增強現實APP 改善教學效果進行了研究。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 分及以上的學生有5 人，對照組2 人；不及格人數對照組為2 人，實驗組為0。通過以上的研究可以看出增強現實APP既能提高學生的學習主動性，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，改善了學生的學習效果。

圖6 實驗組和對照組所有學生成績分布

3.3 拓展學習時空，增強教學效果

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

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

4 結語

增強現實作為一種新興的技術手段，給教師提供了新的方式來表達事物的聯系，對于抽象的物理概念和復雜儀器結構的教學很有啟發(fā)意義。借助智能手機的普及，增強現實的推廣并不需要投入太多的經費，低廉方便地擴展了學生學習物理實驗的時間和空間，同時也給物理實驗教學內容的傳播提供了新的思路。正是由于增強現實的這些特點，使得它非常適合應用于大學物理實驗課程，對于改進大學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)新技術一樣，增強現實的教育價值不僅在于技術的使用，而更多地在于設計、實施以及如何融入學習環(huán)境中。這樣就對制作教學資源的開發(fā)者提出了更高的要求，首先必須熟練地運用各種技術例如：增強現實軟件的開發(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經驗，才可以把上述的技術合理、有效地融入學習環(huán)境中。而目前國內相關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來，進一步探索增強現實在大學物理實驗課程中的應用。