基于微信小程序的WebAR在醫(yī)用物理學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用探索

王伊文

摘? 要：WebAR作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)形式之一，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)提供了新的可能。本研究將微信小程序作為應(yīng)用終端，立足醫(yī)用物理課程的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)下的教學(xué)現(xiàn)狀和需求，嘗試結(jié)合WebAR技術(shù)與醫(yī)用物理學(xué)教學(xué)，構(gòu)建相關(guān)教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);WebAR;醫(yī)用物理學(xué);微信小程序

中圖分類號：G40-057? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2021）27-0127-03

近年來，信息技術(shù)正經(jīng)歷著快速發(fā)展，新一代科技革命以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為根本特征，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為其中一種高新技術(shù)手段，連續(xù)三年以影響高等教育變革的重要技術(shù)在地平線報(bào)告[1]中被提及，該技術(shù)正在與教育進(jìn)行融合，在教學(xué)中發(fā)揮越來越重要的作用。

與目前研究較多的移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不同，WebAR可以輕松地運(yùn)行在各個系統(tǒng)的Web瀏覽器上。在5G網(wǎng)絡(luò)的支持下，WebAR將繼續(xù)大力發(fā)展。本研究嘗試將WebAR運(yùn)用于醫(yī)用物理學(xué)課程教學(xué)中，針對該門課程設(shè)計(jì)教學(xué)資源，以微信小程序?yàn)槠脚_，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將創(chuàng)設(shè)的虛擬模型融合于真實(shí)的課程環(huán)境中，為學(xué)習(xí)者提供一種針對性較強(qiáng)的人機(jī)互動數(shù)字資源，為醫(yī)用物理學(xué)學(xué)科的教學(xué)創(chuàng)新帶來新的契機(jī)。

一、WebAR概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）的一個重要分支，其可以延伸用戶的視覺功能，增強(qiáng)用戶的視覺感受，并能于真實(shí)世界和虛擬信息相疊加的環(huán)境里進(jìn)行交互。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)主要有三種實(shí)現(xiàn)形式：基于專用硬件設(shè)備的AR、基于移動設(shè)備原生能力的AR、基于瀏覽器端的AR（WebAR）。基于專用硬件設(shè)備的AR常用于專業(yè)領(lǐng)域，如戶外運(yùn)動、3d游戲、醫(yī)療等[2-3]，其存在專用設(shè)備成本高、攜帶不方便的缺點(diǎn);基于移動設(shè)備原生能力的AR將各類增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場景增加到移動設(shè)備上，移動終端有著良好的便攜性和易用性，但不具有跨平臺性，需要占據(jù)用戶設(shè)備內(nèi)存，不易傳播。

由此，基于Web的AR技術(shù)開始逐漸萌芽，用戶可以利用網(wǎng)頁超鏈接機(jī)制將AR的功能嵌入到各種Web網(wǎng)頁中，并且能夠方便地進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、分享和傳播。這解決了專用設(shè)備成本高、不易攜帶以及開發(fā)App需要跨平臺、開發(fā)成本高，消耗用戶流量和內(nèi)存的問題，為實(shí)現(xiàn)AR應(yīng)用的大規(guī)模、跨平臺的傳播和分享奠定了基礎(chǔ)，為解決AR的普適化應(yīng)用難題提供了一種新的研究方向和技術(shù)可能。

二、醫(yī)用物理課程教學(xué)存在的相關(guān)問題

1. 課時少。醫(yī)用物理僅有32課時，但知識內(nèi)容眾多，因此教師在上課過程中僅能關(guān)注到課堂知識內(nèi)容，而無法拓展講解對于物理學(xué)的一些科普、物理學(xué)與醫(yī)學(xué)知識的融合等激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的內(nèi)容。2. 學(xué)生的理科基礎(chǔ)各不相同。醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生在物理方面部分基礎(chǔ)扎實(shí)、部分基礎(chǔ)薄弱，對知識的理解速度不同，教師在上課時無法進(jìn)行針對性的教學(xué)。3. 教學(xué)知識和醫(yī)學(xué)脫節(jié)。醫(yī)用物理學(xué)作為一門物理學(xué)與醫(yī)學(xué)相融合的學(xué)科，面向的是醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，但缺少醫(yī)學(xué)部分的內(nèi)容，將物理學(xué)知識作為主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，與物理專業(yè)學(xué)生所學(xué)習(xí)的大學(xué)物理課程相似，沒有體現(xiàn)出醫(yī)用物理學(xué)的學(xué)科特色。對于醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，無法結(jié)合自己的專業(yè)實(shí)際，也就不能完全理解物理學(xué)與醫(yī)學(xué)應(yīng)用之間的聯(lián)系。4. 授課方式單調(diào)。在目前的醫(yī)用物理課程教學(xué)中，幻燈片是常見的教學(xué)資源，知識的呈現(xiàn)形式較為單一，基本為文字圖片等二維素材，或是微課類的視頻教學(xué)資源。

三、WebAR在醫(yī)用物理課程教學(xué)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1. 融合教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)可視化教學(xué)資源。醫(yī)用物理學(xué)旨在授予學(xué)生比較系統(tǒng)的物理學(xué)知識，使學(xué)生能夠掌握物理的基本概念、原理及應(yīng)用。其中，部分物理概念和原理較為抽象，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)三維模型，可將抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容形象化、可視化，將原本枯燥、難以理解的學(xué)習(xí)內(nèi)容直接以三維立體的形式呈現(xiàn)出來，直觀的模型與原理演示有助于提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣，提高他們對知識內(nèi)容的認(rèn)知水平。

2. 激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)。首先，學(xué)習(xí)者在通過接觸教學(xué)資源中的知識內(nèi)容開展學(xué)習(xí)時，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)資源與其他多媒體學(xué)習(xí)資源庫相比，能夠最大限度增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)體驗(yàn);其次，需要為學(xué)習(xí)者提供相關(guān)例題以及實(shí)際醫(yī)學(xué)中的適用案例，分析各個理論上的知識點(diǎn)如何運(yùn)用在試題以及實(shí)際生活中，激發(fā)學(xué)習(xí)者的好奇心，使學(xué)習(xí)者可以根據(jù)自己的興趣和需要，開展自主學(xué)習(xí)以及探究性學(xué)習(xí);最后，通過測試題進(jìn)行反饋，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)反饋結(jié)果，對未完全掌握的知識內(nèi)容繼續(xù)開展學(xué)習(xí)活動。

3. 增加教學(xué)評價(jià)模式。通過微信小程序可以方便地獲得各種學(xué)習(xí)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，這些監(jiān)控為督促學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)、養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、提高學(xué)習(xí)的質(zhì)量提供了保障，同時也是教師對學(xué)習(xí)者進(jìn)行個性化教育的一個非常有效的手段[4]。學(xué)習(xí)者的賬號中可以保存各知識板塊的測試題并得到錯題反饋，教師可以通過學(xué)習(xí)者的測試成績、學(xué)習(xí)時長、交互參與度等數(shù)據(jù)，利用信息技術(shù)進(jìn)行綜合評價(jià)，使其成為完整教學(xué)評價(jià)的一部分參考。由此，設(shè)計(jì)了教學(xué)資源的六個主要功能板塊。如圖1所示為基于六個主要功能板塊設(shè)計(jì)的小程序功能結(jié)構(gòu)。

①模型演示與交互——根據(jù)課本圖片和教師教案，將單元中涉及到的二維圖片以三維模型的形式進(jìn)行可視化展示，并支持學(xué)習(xí)者對模型中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，觀察模型的實(shí)時變化以提高對知識內(nèi)容的認(rèn)知水平，為學(xué)生提供在物理空間多角度觀察和交互的操作。②概念介紹與原理講解——采用視頻和音頻相結(jié)合的方式，對知識點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)介紹，學(xué)生可重復(fù)觀看以確保理解概念及原理。③醫(yī)學(xué)實(shí)例拓展——將物理學(xué)知識點(diǎn)與醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例結(jié)合在一起，如流體和藥物通過毛細(xì)血管擴(kuò)散有關(guān)、超聲波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用等，以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。④相關(guān)知識推薦——學(xué)生掃描書本圖片后，屏幕上出現(xiàn)該圖片的現(xiàn)象演示模型以及相關(guān)知識點(diǎn)，如掃描伯努利方程的原理圖片后出現(xiàn)伯努利方程的部分應(yīng)用，以此增加知識點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性與梯度性，使學(xué)生能夠更好地進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。⑤例題探究與分析——在學(xué)生對知識點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)后，提供相關(guān)的例題以提高學(xué)生對知識的掌握程度。例題與單元知識點(diǎn)息息相關(guān)，學(xué)生可通過對例題的探究對知識擁有進(jìn)一步的理解與掌握，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究性學(xué)習(xí)。⑥測試與反饋——向?qū)W生提供測試試題與反饋，學(xué)生可通過測試的反饋了解自己對該單元的學(xué)習(xí)掌握情況，對尚未掌握或仍存有疑惑的部分可進(jìn)行再次學(xué)習(xí)，以達(dá)到完全理解和掌握的狀態(tài)。

四、結(jié)語

本文對醫(yī)用物理學(xué)目前存在的課程問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，設(shè)計(jì)了基于WebAR的醫(yī)用物理教學(xué)資源，旨在進(jìn)一步教學(xué)改進(jìn)醫(yī)用物理學(xué)，為學(xué)習(xí)者提供新形式的教學(xué)資源。將三維模型以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的形式呈現(xiàn)給學(xué)習(xí)者，并且提供與模型的實(shí)時交互，為學(xué)生提供直觀的演示、沉浸體驗(yàn)有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對知識的記憶，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解，提高教學(xué)效果。并且，讓學(xué)生參與到對知識的主動發(fā)現(xiàn)和主動構(gòu)建的過程中，提高學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)能力，同時也提供給學(xué)習(xí)者一種個性化的學(xué)習(xí)方式。

5G時代來臨，基于瀏覽器端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)突破了過去幾年的困境，解決了部分移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)無法解決的問題，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)帶來新的實(shí)現(xiàn)形式以及承載方式。本文中以微信小程序?yàn)樵揥ebAR教學(xué)資源的載體，微信小程序擁有優(yōu)質(zhì)的開發(fā)性能，設(shè)計(jì)者能夠快速利用微信小程序搭建學(xué)習(xí)體系[5]，從開發(fā)角度，降低了教學(xué)資源的開發(fā)難度，這將有助于一線教師直接參與教學(xué)資源的設(shè)計(jì)與開發(fā)，對課程有著積極影響。

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（薦稿人：武荷嵐，同濟(jì)大學(xué)副教授）

（責(zé)任編輯：汪旦旦）