基于AR的物理教學(xué)探析

鄧先君 喬翠蘭

(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430079)

在教育信息化背景下，“人工智能”“深度學(xué)習(xí)”“機(jī)器學(xué)習(xí)”“數(shù)據(jù)挖掘”“虛擬現(xiàn)實(shí)”等概念已經(jīng)在教育和教學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域多有滲透,教育與技術(shù)的融合進(jìn)一步加強(qiáng).作為新時(shí)代的教師,有必要對(duì)教育技術(shù)投注更多的關(guān)注和學(xué)習(xí),對(duì)相關(guān)技術(shù)做在教育實(shí)施層面工具性的理解和分析,充分理解并嘗試信息技術(shù)手段,辯證地做好教育落實(shí).接下來(lái)以AR為切入點(diǎn),結(jié)合VR,AR,MR,全息成像技術(shù)等,來(lái)討論感官技術(shù)對(duì)教學(xué)的影響.

1 VR AR MR簡(jiǎn)介

在古代,已經(jīng)有“莊周夢(mèng)蝶”的典故,也有“周公解夢(mèng)”的故事,人們對(duì)于夢(mèng)境和現(xiàn)實(shí)之間的思考,應(yīng)該是最早對(duì)“虛擬現(xiàn)實(shí)”的關(guān)注.而海市蜃樓,霓虹燈、自然光學(xué)現(xiàn)象也給人無(wú)限遐想,對(duì)于“像”的概念延續(xù)到光學(xué)概念和鏡像理論,這些也是“虛擬現(xiàn)實(shí)”.

在現(xiàn)代技術(shù)理論中,人們傾向于認(rèn)為VR 是綜合利用圖形系統(tǒng)和各種現(xiàn)實(shí)及控制接口設(shè)備,在計(jì)算機(jī)上生成的、可交互的三維環(huán)境中提供沉浸感覺(jué)的技術(shù).格里戈雷·博迪等在《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)》中指出虛擬現(xiàn)實(shí)有:沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和構(gòu)想性(Imagination)的“3I”特征[1].

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,簡(jiǎn)稱(chēng)AR)是廣義上虛擬現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)展.AR通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將虛擬的信息疊加到真實(shí)世界,真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)融合到同一個(gè)畫(huà)面中.VR 呈現(xiàn)的場(chǎng)景全部是計(jì)算機(jī)生成的虛擬畫(huà)面,而AR允許用戶(hù)看到真實(shí)世界以及融合于真實(shí)世界之中的虛擬對(duì)象[2],“增強(qiáng)”了現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn).混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)MR)則在技術(shù)概念范圍更大,不僅身兼AR和VR,還在協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上,開(kāi)創(chuàng)了更多新的技術(shù)手段,有一系列新的算法和實(shí)現(xiàn)方式.

無(wú)論是純粹的光學(xué)虛幻,還是“夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí),或在感官上無(wú)法區(qū)分的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù),最終還是逃不開(kāi)“真實(shí)”和“虛假”的基本對(duì)立命題.但是,從教育技術(shù)的角度來(lái)看,他們對(duì)于教育的技術(shù)支持都是相似的,不宜作嚴(yán)格的技術(shù)層面區(qū)分,可把它們統(tǒng)一作為支持教育的信息技術(shù)手段.以下行文中VR,AR,MR等相關(guān)技術(shù)手段,作為一個(gè)整體統(tǒng)一表述為AR,或者“AR及其相關(guān)技術(shù)”,不再區(qū)分說(shuō)明.

2 基于AR的教學(xué)設(shè)計(jì)

根據(jù)AR以及相關(guān)技術(shù)特點(diǎn),其應(yīng)用于教學(xué)有以下可能.

由于AR系列增強(qiáng)顯示相關(guān)技術(shù)擴(kuò)大并且豐富了視覺(jué)呈現(xiàn)的方式和存在的場(chǎng)合.除了能夠較為逼真地創(chuàng)造出沉浸式的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,還能夠在相對(duì)有限的空間里展示復(fù)雜多樣的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景.也就是說(shuō),可以把更多的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和需要觀(guān)察的教學(xué)對(duì)象通過(guò)AR技術(shù)移植到課堂環(huán)境中來(lái).

(1)將宇觀(guān)的教學(xué)場(chǎng)景通過(guò)AR相關(guān)技術(shù)融合到教學(xué)中

案例1:月食模擬[3]

通過(guò)VR Cardboard觀(guān)察月食現(xiàn)象,如圖1所示.從宇宙視角分析月食成因,探索宇宙中太陽(yáng)、月亮、地球的運(yùn)動(dòng)軌跡以及月食現(xiàn)象,幫助學(xué)生理解月食產(chǎn)生的原因.

圖1 月食模擬

類(lèi)似的,還有關(guān)于太陽(yáng)系的模擬等天文學(xué)和天體物理相關(guān)的實(shí)驗(yàn),在技術(shù)運(yùn)用上已經(jīng)比較成熟,常見(jiàn)于科技館的展廳.

克拉瓦拉等人演示過(guò)一個(gè)天文學(xué)教學(xué)的例子[4],在AR 環(huán)境中教師和學(xué)生可通過(guò)旋轉(zhuǎn)虛擬地球探究太陽(yáng)和地球、白天和黑夜的關(guān)系.

(2)將微觀(guān)的教學(xué)場(chǎng)景通過(guò)AR相關(guān)技術(shù)融合到教學(xué)中

案例2:化學(xué)金剛石[3]

結(jié)合PC或平板教學(xué),使用AR技術(shù)并通過(guò)自然交互方式操作碳原子,探究其如何結(jié)合成金剛石的過(guò)程.如圖2所示，在討論晶體結(jié)構(gòu)時(shí)的視覺(jué)呈現(xiàn).

圖2 晶體結(jié)構(gòu)

案例3:化學(xué)水分子[3]

結(jié)合PC或平板教學(xué),使用AR技術(shù)并通過(guò)自然交互方式操作氫原子和氧原子,探究其如何結(jié)合成水分子的過(guò)程.如圖3所示的水分子結(jié)構(gòu)展示.

圖3 水分子結(jié)構(gòu)

北京師范大學(xué)蔡蘇團(tuán)隊(duì)研發(fā)的微觀(guān)粒子交互式實(shí)驗(yàn),主要是對(duì)中學(xué)化學(xué)課程中基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)工具補(bǔ)救性學(xué)習(xí)效果的研究[5].

對(duì)于原子分子結(jié)構(gòu)的AR相關(guān)技術(shù)應(yīng)用,能夠更好地幫助學(xué)生較為直觀(guān)地完成模型建構(gòu),并且能夠多角度、全視角地觀(guān)察分子、原子結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu),相比較傳統(tǒng)的球棒結(jié)構(gòu)模型,雖然對(duì)于學(xué)生動(dòng)手能力或者直接的空間架構(gòu)能力有一定的削弱,但是能夠更動(dòng)態(tài)直觀(guān),并且結(jié)構(gòu)體驗(yàn)感更強(qiáng).

(3)將危險(xiǎn)的教學(xué)場(chǎng)景通過(guò)AR相關(guān)技術(shù)融合到教學(xué)中

物理中的一些高壓放電現(xiàn)象,閃電的形成等教學(xué)實(shí)驗(yàn),如果在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中實(shí)驗(yàn)控制條件嚴(yán)苛,且容易造成危害.通過(guò)AR實(shí)驗(yàn)來(lái)做教學(xué)展示,不僅在原理上能夠更豐富地說(shuō)明,而且更逼真,不會(huì)太多地降低實(shí)驗(yàn)的感官體驗(yàn).

化學(xué)生物學(xué)中的一些有毒氣體的制備或需要用到有毒制劑的實(shí)驗(yàn),也可以利用AR實(shí)驗(yàn)來(lái)做無(wú)害且無(wú)損實(shí)驗(yàn)效果的功能展示.美國(guó)Z Space公司已經(jīng)在生物學(xué)中的人體解剖、器官構(gòu)造方面展開(kāi)相關(guān)的VR教學(xué)應(yīng)用.

(4)將思想實(shí)驗(yàn)、模型化的教學(xué)場(chǎng)景通過(guò)AR相關(guān)技術(shù)融合到教學(xué)中

案例4:模擬電場(chǎng)線(xiàn)[3]

結(jié)合平板教學(xué),展示同種、異種電荷的電場(chǎng)線(xiàn),并由學(xué)生自行操作帶電粒子進(jìn)入到電場(chǎng)中對(duì)電場(chǎng)實(shí)時(shí)影響，如圖4所示為電場(chǎng)的模擬.

圖4 電場(chǎng)的模擬

案例5:磁場(chǎng)可視化[3]

使用AR Kinect體感設(shè)備將不可見(jiàn)的磁場(chǎng)可視化出來(lái),并可通過(guò)自然交互探究在不同條件下磁場(chǎng)的相互作用，如圖5所示為磁場(chǎng)的模擬.

圖5 磁場(chǎng)的模擬

將為描述方便而人為引入的“電場(chǎng)線(xiàn)”“磁感線(xiàn)”“光線(xiàn)”等物理概念通過(guò)AR讓學(xué)生直觀(guān)的感知,進(jìn)而豐富“沉浸感”和“交互式”教學(xué)體驗(yàn),營(yíng)造富于“構(gòu)建”的教學(xué)氛圍.

以上4個(gè)部分,我們看到了AR相關(guān)技術(shù)對(duì)于現(xiàn)象環(huán)境的感官呈現(xiàn)支持,在一些具體的案例中我們可以看到基于新技術(shù)的視覺(jué)呈現(xiàn)方面的優(yōu)勢(shì).AR 應(yīng)用于教育還處于不成熟的碎片化介入階段,對(duì)于主題的研究設(shè)計(jì)也依然有很多亟待開(kāi)發(fā)的部分.

3 基于AR的物理教學(xué)設(shè)計(jì)設(shè)想——以“碰撞”為例

“碰撞”屬于動(dòng)量守恒定律的實(shí)例應(yīng)用,帶有原理鞏固、規(guī)律分析和習(xí)題課性質(zhì).內(nèi)容上,由于要體現(xiàn)動(dòng)量守恒定律的普適性,教學(xué)內(nèi)容安排相對(duì)豐富,包括常規(guī)一維碰撞的能量分析,二維碰撞的動(dòng)量守恒分析,微觀(guān)粒子散射的介紹.是對(duì)動(dòng)量、能量、矢量的綜合處理.方便從AR技術(shù)角度適合做比較全面的教學(xué)設(shè)想,且具備一定的教學(xué)代表性.

3.1 基于AR技術(shù)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)定

我們寄希望于通過(guò)AR技術(shù),對(duì)于碰撞現(xiàn)象做更為豐富全面動(dòng)態(tài)性的教學(xué)場(chǎng)景和物理參量設(shè)計(jì)展示.

第一,通過(guò)AR技術(shù)完成教材陳述的“碰撞是十分普遍的現(xiàn)象,特別是在了解微觀(guān)粒子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的過(guò)程中,碰撞起著重要的作用”的普遍性展示;第二,借助AR相關(guān)技術(shù)完成碰撞過(guò)程中的維度拓展,在二維矢量空間的建構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的處理方面多做展示;第三,通過(guò)AR相關(guān)技術(shù)做類(lèi)似于汽車(chē)質(zhì)量檢測(cè)的碰撞,做數(shù)學(xué)模型的檢測(cè),討論大質(zhì)量物體與小質(zhì)量物體之間的碰撞模型計(jì)算,增強(qiáng)學(xué)科情感態(tài)度體驗(yàn).

3.2 具體的AR實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系列: 關(guān)于碰撞的展示、設(shè)想

(1) 布朗運(yùn)動(dòng)的AR技術(shù)呈現(xiàn).通過(guò)液體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)對(duì)于懸浮其中的固體小顆粒在不同切面上的撞擊數(shù)目不同,觀(guān)察小顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)路徑;

(2) 宇觀(guān)層面的碰撞呈現(xiàn).“彗星撞地球”的場(chǎng)景;

(3) 汽車(chē)的質(zhì)量檢測(cè)碰撞實(shí)驗(yàn);

(4) 汽車(chē)和小質(zhì)量物體的碰撞實(shí)驗(yàn);

(5) 微觀(guān)粒子, LHC (Large Hadron Collider) 中的微觀(guān)粒子碰撞;

(6)α粒子散射實(shí)驗(yàn);

(7) 二維、三維粒子碰撞的動(dòng)量合成矢量圖.

3.3 實(shí)驗(yàn)與教學(xué)的結(jié)合

例如,數(shù)據(jù)分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)合:一個(gè)質(zhì)量為m1,速度為v1的小球,與一個(gè)質(zhì)量為m2的靜止小球在光滑水平面上發(fā)生彈性碰撞,如圖6所示.

圖6 運(yùn)動(dòng)小球m1與靜止小球m2碰撞

動(dòng)量守恒,則有

(1)

動(dòng)能守恒,則有

(2)

聯(lián)立有

(3)

(4)

結(jié)果分析:

(1) 如果m1=m2，二者交換速度;

(2) 如果m1

(3) 如果m1?m2，m1速度幾乎不變,m2以?xún)杀兜膙1被撞出去.

教師引導(dǎo):這些結(jié)果在實(shí)際生活中有何體現(xiàn)?此處可引入AR相關(guān)實(shí)驗(yàn).

學(xué)生:斯洛克臺(tái)球有時(shí)候白球占據(jù)被擊打的小球位置,交換速度;籃球撞地球;車(chē)禍屬于第三點(diǎn),所以車(chē)禍很危險(xiǎn),大家需小心.

拓展探究一:

質(zhì)量為m1，速度為v1的小球，與質(zhì)量為m2，速度為v2的小球，在水平面上一維彈性碰撞,如圖7所示，有

圖7 兩個(gè)運(yùn)動(dòng)小球碰撞

(5)

(6)

將式(5)、(6)重新構(gòu)造得

(7)

即

或

其物理意義是:

碰撞后B相對(duì)于A的速度與碰撞前B相對(duì)于A的速度大小相等,方向相反;

或碰撞后A相對(duì)于B的速度與碰撞前A相對(duì)于B的速度大小相等,方向相反.

故從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的視角看一維彈性碰撞有:

【結(jié)論1】對(duì)于一維彈性碰撞, 若以其中某物體為參考系, 則另一物體碰撞前后速度大小不變, 方向相反 (即以原速率彈回) .相對(duì)運(yùn)動(dòng)部分的參考系變換建議借助AR感官呈現(xiàn).

結(jié)合式(5)、(7)解得

(8)

此即第一部分式(3)、(4)的一般形式.

拓展探究二:

教師引導(dǎo):在第一部分,得出了彈性碰撞的兩組方程,對(duì)于非彈性碰撞,由于不知道能量關(guān)系,所以沒(méi)有介入能量方程.

問(wèn):我們能不能討論非彈性碰撞的問(wèn)題呢?引入能量損失最大的碰撞,定義為完全非彈性碰撞.

探究討論:建立“廣義碰撞模型”

教師引導(dǎo):

由圖8所示，在光滑水平面上，質(zhì)量為m1的小球以速度v1與贅有輕彈簧、質(zhì)量為m2的小球碰撞，m2的初速度為v2.m2后面贅一個(gè)輕質(zhì)彈簧,通過(guò)彈簧的彈力作用將常規(guī)碰撞的短時(shí)沖擊內(nèi)力給緩釋出來(lái),在時(shí)間上延長(zhǎng),以分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化及能量轉(zhuǎn)化.這種模型化的處理當(dāng)然通過(guò)AR比直接的想象應(yīng)該稍微具體,或許能夠促進(jìn)更多學(xué)生的更深刻理解.

圖8m1通過(guò)輕質(zhì)彈簧與m2碰撞

過(guò)程分析:

圖9 壓縮至最短

(2) 達(dá)到共同速度后,m1繼續(xù)減速,m2繼續(xù)加速, 二者之間的距離由最小值開(kāi)始變大.如圖10所示，彈簧對(duì)系統(tǒng)做正功,彈簧彈性勢(shì)能開(kāi)始釋放出來(lái).如圖10所示,當(dāng)彈簧恢復(fù)到原長(zhǎng)時(shí),系統(tǒng)動(dòng)能再次回到初值,此時(shí)二者速度關(guān)系為式(8);

圖10 恢復(fù)原長(zhǎng)

圖11 伸長(zhǎng)量最大

【結(jié)論2】對(duì)于一維完全非彈性碰撞, 系統(tǒng)的動(dòng)能損失最大, 此時(shí), 相互作用的兩個(gè)物體具有共同速度.

4 關(guān)于AR技術(shù)教學(xué)應(yīng)用之展望思考

《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》指出：“超前布局前沿技術(shù)、顛覆性技術(shù)” “加強(qiáng)全息顯示、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)和前沿布局,構(gòu)筑新賽場(chǎng)先發(fā)主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)”[6].國(guó)務(wù)院、發(fā)改委、工信部、文化部及各級(jí)地方政府均制定了相關(guān)的配套文件,對(duì)VR技術(shù)進(jìn)行政策鼓勵(lì), VR 受到了前所未有的支持[7].從技術(shù)層面、社會(huì)層面以及教育層面對(duì)新技術(shù)的好奇和嘗試感,促進(jìn)了AR技術(shù)在教學(xué)工作中的應(yīng)用.美國(guó)的Z Space公司已經(jīng)有大量基于虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)備和教學(xué)支持.北京師范大學(xué)VR/AR+教育實(shí)驗(yàn)室在三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境、VR/AR教育應(yīng)用、STEM教育等方面作了大量具體的教育研究,給出了相當(dāng)驚艷的教學(xué)案例.華中師范大學(xué)國(guó)家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心(NERCEL)在未來(lái)教室建設(shè)方面和基于教育技術(shù)的深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域也做出了相應(yīng)的工作.

物理模型的教學(xué)選擇和科學(xué)探究追求的AR呈現(xiàn)在未來(lái)教育中或可具體體現(xiàn),借助VR/AR 學(xué)習(xí)環(huán)境,構(gòu)建技術(shù)平臺(tái)支撐下的新型教學(xué)模式,探求VR/AR 學(xué)習(xí)環(huán)境如何支持學(xué)與教, 以提升學(xué)生在課堂教學(xué)中的學(xué)習(xí)效果,通過(guò)重塑學(xué)習(xí)方式回歸教育本質(zhì),為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和教學(xué)改革提供支持.

但程序設(shè)計(jì)和操控體系后的教育預(yù)設(shè)對(duì)客觀(guān)的影響值得我們從教育心理學(xué)角度審慎思考,也值得我們?yōu)榻虒W(xué)擔(dān)憂(yōu).不能親歷真實(shí)感,教育的開(kāi)放性和教育的個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)操作可能都會(huì)受影響.

在實(shí)驗(yàn)室更新過(guò)程中,很多的小學(xué)甚至大學(xué),把那些木制的、玻璃的、“老舊”的實(shí)驗(yàn)器材丟在垃圾堆中,校園工廠(chǎng)不復(fù)存在,不再有基本的小實(shí)驗(yàn)儀器的自我設(shè)計(jì)和自我生產(chǎn),學(xué)生和教師對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)儀器存在莫大的疏離感.但是真實(shí)的實(shí)驗(yàn)研究,科學(xué)探究的本質(zhì)還是要回歸真實(shí).

教育信息化依然是教育創(chuàng)新的必由之路,在教育現(xiàn)代化和創(chuàng)新過(guò)程中,需要大量新技術(shù)的支持，正像AR在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用一樣，同時(shí)要注重新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的融合，使其發(fā)揮更大的作用，增進(jìn)技術(shù)的教育價(jià)值.