基于AR的物理教学探析

邓先君 乔翠兰

(华中师范大学物理科学与技术学院 湖北 武汉 430079)

在教育信息化背景下，“人工智能”“深度学习”“机器学习”“数据挖掘”“虚拟现实”等概念已经在教育和教学的各个领域多有渗透,教育与技术的融合进一步加强.作为新时代的教师,有必要对教育技术投注更多的关注和学习,对相关技术做在教育实施层面工具性的理解和分析,充分理解并尝试信息技术手段,辩证地做好教育落实.接下来以AR为切入点,结合VR,AR,MR,全息成像技术等,来讨论感官技术对教学的影响.

1 VR AR MR简介

在古代,已经有“庄周梦蝶”的典故,也有“周公解梦”的故事,人们对于梦境和现实之间的思考,应该是最早对“虚拟现实”的关注.而海市蜃楼,霓虹灯、自然光学现象也给人无限遐想,对于“像”的概念延续到光学概念和镜像理论,这些也是“虚拟现实”.

在现代技术理论中,人们倾向于认为VR 是综合利用图形系统和各种现实及控制接口设备,在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术.格里戈雷·博迪等在《虚拟现实技术》中指出虚拟现实有:沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity)和构想性(Imagination)的“3I”特征[1].

增强现实(Augmented Reality,简称AR)是广义上虚拟现实的扩展.AR通过计算机技术将虚拟的信息叠加到真实世界,真实的环境和虚拟的物体实时融合到同一个画面中.VR 呈现的场景全部是计算机生成的虚拟画面,而AR允许用户看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟对象[2],“增强”了现实中的体验.混合现实(Mixed Reality，简称MR)则在技术概念范围更大,不仅身兼AR和VR,还在协调的基础上,开创了更多新的技术手段,有一系列新的算法和实现方式.

无论是纯粹的光学虚幻,还是“梦想照进现实”的增强现实,或在感官上无法区分的混合现实技术,最终还是逃不开“真实”和“虚假”的基本对立命题.但是,从教育技术的角度来看,他们对于教育的技术支持都是相似的,不宜作严格的技术层面区分,可把它们统一作为支持教育的信息技术手段.以下行文中VR,AR,MR等相关技术手段,作为一个整体统一表述为AR,或者“AR及其相关技术”,不再区分说明.

2 基于AR的教学设计

根据AR以及相关技术特点,其应用于教学有以下可能.

由于AR系列增强显示相关技术扩大并且丰富了视觉呈现的方式和存在的场合.除了能够较为逼真地创造出沉浸式的虚拟实验环境,还能够在相对有限的空间里展示复杂多样的实验场景.也就是说,可以把更多的实验场景和需要观察的教学对象通过AR技术移植到课堂环境中来.

(1)将宇观的教学场景通过AR相关技术融合到教学中

案例1:月食模拟[3]

通过VR Cardboard观察月食现象,如图1所示.从宇宙视角分析月食成因,探索宇宙中太阳、月亮、地球的运动轨迹以及月食现象,帮助学生理解月食产生的原因.

图1 月食模拟

类似的,还有关于太阳系的模拟等天文学和天体物理相关的实验,在技术运用上已经比较成熟,常见于科技馆的展厅.

克拉瓦拉等人演示过一个天文学教学的例子[4],在AR 环境中教师和学生可通过旋转虚拟地球探究太阳和地球、白天和黑夜的关系.

(2)将微观的教学场景通过AR相关技术融合到教学中

案例2:化学金刚石[3]

结合PC或平板教学,使用AR技术并通过自然交互方式操作碳原子,探究其如何结合成金刚石的过程.如图2所示，在讨论晶体结构时的视觉呈现.

图2 晶体结构

案例3:化学水分子[3]

结合PC或平板教学,使用AR技术并通过自然交互方式操作氢原子和氧原子,探究其如何结合成水分子的过程.如图3所示的水分子结构展示.

图3 水分子结构

北京师范大学蔡苏团队研发的微观粒子交互式实验,主要是对中学化学课程中基于增强现实的学习工具补救性学习效果的研究[5].

对于原子分子结构的AR相关技术应用,能够更好地帮助学生较为直观地完成模型建构,并且能够多角度、全视角地观察分子、原子结构的动态结构,相比较传统的球棒结构模型,虽然对于学生动手能力或者直接的空间架构能力有一定的削弱,但是能够更动态直观,并且结构体验感更强.

(3)将危险的教学场景通过AR相关技术融合到教学中

物理中的一些高压放电现象,闪电的形成等教学实验,如果在真实的实验场景中实验控制条件严苛,且容易造成危害.通过AR实验来做教学展示,不仅在原理上能够更丰富地说明,而且更逼真,不会太多地降低实验的感官体验.

化学生物学中的一些有毒气体的制备或需要用到有毒制剂的实验,也可以利用AR实验来做无害且无损实验效果的功能展示.美国Z Space公司已经在生物学中的人体解剖、器官构造方面展开相关的VR教学应用.

(4)将思想实验、模型化的教学场景通过AR相关技术融合到教学中

案例4:模拟电场线[3]

结合平板教学,展示同种、异种电荷的电场线,并由学生自行操作带电粒子进入到电场中对电场实时影响，如图4所示为电场的模拟.

图4 电场的模拟

案例5:磁场可视化[3]

使用AR Kinect体感设备将不可见的磁场可视化出来,并可通过自然交互探究在不同条件下磁场的相互作用，如图5所示为磁场的模拟.

图5 磁场的模拟

将为描述方便而人为引入的“电场线”“磁感线”“光线”等物理概念通过AR让学生直观的感知,进而丰富“沉浸感”和“交互式”教学体验,营造富于“构建”的教学氛围.

以上4个部分,我们看到了AR相关技术对于现象环境的感官呈现支持,在一些具体的案例中我们可以看到基于新技术的视觉呈现方面的优势.AR 应用于教育还处于不成熟的碎片化介入阶段,对于主题的研究设计也依然有很多亟待开发的部分.

3 基于AR的物理教学设计设想——以“碰撞”为例

“碰撞”属于动量守恒定律的实例应用,带有原理巩固、规律分析和习题课性质.内容上,由于要体现动量守恒定律的普适性,教学内容安排相对丰富,包括常规一维碰撞的能量分析,二维碰撞的动量守恒分析,微观粒子散射的介绍.是对动量、能量、矢量的综合处理.方便从AR技术角度适合做比较全面的教学设想,且具备一定的教学代表性.

3.1 基于AR技术的教学目标设定

我们寄希望于通过AR技术,对于碰撞现象做更为丰富全面动态性的教学场景和物理参量设计展示.

第一,通过AR技术完成教材陈述的“碰撞是十分普遍的现象,特别是在了解微观粒子的结构与性质的过程中,碰撞起着重要的作用”的普遍性展示;第二,借助AR相关技术完成碰撞过程中的维度拓展,在二维矢量空间的建构和数学模型的处理方面多做展示;第三,通过AR相关技术做类似于汽车质量检测的碰撞,做数学模型的检测,讨论大质量物体与小质量物体之间的碰撞模型计算,增强学科情感态度体验.

3.2 具体的AR实验教学设计

实验系列: 关于碰撞的展示、设想

(1) 布朗运动的AR技术呈现.通过液体分子的无规则运动对于悬浮其中的固体小颗粒在不同切面上的撞击数目不同,观察小颗粒的不规则运动路径;

(2) 宇观层面的碰撞呈现.“彗星撞地球”的场景;

(3) 汽车的质量检测碰撞实验;

(4) 汽车和小质量物体的碰撞实验;

(5) 微观粒子, LHC (Large Hadron Collider) 中的微观粒子碰撞;

(6)α粒子散射实验;

(7) 二维、三维粒子碰撞的动量合成矢量图.

3.3 实验与教学的结合

例如,数据分析的实验结合:一个质量为m1,速度为v1的小球,与一个质量为m2的静止小球在光滑水平面上发生弹性碰撞,如图6所示.

图6 运动小球m1与静止小球m2碰撞

动量守恒,则有

(1)

动能守恒,则有

(2)

联立有

(3)

(4)

结果分析:

(1) 如果m1=m2，二者交换速度;

(2) 如果m1

(3) 如果m1≫m2，m1速度几乎不变,m2以两倍的v1被撞出去.

教师引导:这些结果在实际生活中有何体现?此处可引入AR相关实验.

学生:斯洛克台球有时候白球占据被击打的小球位置,交换速度;篮球撞地球;车祸属于第三点,所以车祸很危险,大家需小心.

拓展探究一:

质量为m1，速度为v1的小球，与质量为m2，速度为v2的小球，在水平面上一维弹性碰撞,如图7所示，有

图7 两个运动小球碰撞

(5)

(6)

将式(5)、(6)重新构造得

(7)

即

或

其物理意义是:

碰撞后B相对于A的速度与碰撞前B相对于A的速度大小相等,方向相反;

或碰撞后A相对于B的速度与碰撞前A相对于B的速度大小相等,方向相反.

故从相对运动的视角看一维弹性碰撞有:

【结论1】对于一维弹性碰撞, 若以其中某物体为参考系, 则另一物体碰撞前后速度大小不变, 方向相反 (即以原速率弹回) .相对运动部分的参考系变换建议借助AR感官呈现.

结合式(5)、(7)解得

(8)

此即第一部分式(3)、(4)的一般形式.

拓展探究二:

教师引导:在第一部分,得出了弹性碰撞的两组方程,对于非弹性碰撞,由于不知道能量关系,所以没有介入能量方程.

问:我们能不能讨论非弹性碰撞的问题呢?引入能量损失最大的碰撞,定义为完全非弹性碰撞.

探究讨论:建立“广义碰撞模型”

教师引导:

由图8所示，在光滑水平面上，质量为m1的小球以速度v1与赘有轻弹簧、质量为m2的小球碰撞，m2的初速度为v2.m2后面赘一个轻质弹簧,通过弹簧的弹力作用将常规碰撞的短时冲击内力给缓释出来,在时间上延长,以分析运动状态变化及能量转化.这种模型化的处理当然通过AR比直接的想象应该稍微具体,或许能够促进更多学生的更深刻理解.

图8m1通过轻质弹簧与m2碰撞

过程分析:

图9 压缩至最短

(2) 达到共同速度后,m1继续减速,m2继续加速, 二者之间的距离由最小值开始变大.如图10所示，弹簧对系统做正功,弹簧弹性势能开始释放出来.如图10所示,当弹簧恢复到原长时,系统动能再次回到初值,此时二者速度关系为式(8);

图10 恢复原长

图11 伸长量最大

【结论2】对于一维完全非弹性碰撞, 系统的动能损失最大, 此时, 相互作用的两个物体具有共同速度.

4 关于AR技术教学应用之展望思考

《“十三五”国家信息化规划》指出：“超前布局前沿技术、颠覆性技术” “加强全息显示、虚拟现实等新技术基础研发和前沿布局,构筑新赛场先发主导优势”[6].国务院、发改委、工信部、文化部及各级地方政府均制定了相关的配套文件,对VR技术进行政策鼓励, VR 受到了前所未有的支持[7].从技术层面、社会层面以及教育层面对新技术的好奇和尝试感,促进了AR技术在教学工作中的应用.美国的Z Space公司已经有大量基于虚拟现实的设备和教学支持.北京师范大学VR/AR+教育实验室在三维虚拟学习环境、VR/AR教育应用、STEM教育等方面作了大量具体的教育研究,给出了相当惊艳的教学案例.华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心(NERCEL)在未来教室建设方面和基于教育技术的深度学习领域也做出了相应的工作.

物理模型的教学选择和科学探究追求的AR呈现在未来教育中或可具体体现,借助VR/AR 学习环境,构建技术平台支撑下的新型教学模式,探求VR/AR 学习环境如何支持学与教, 以提升学生在课堂教学中的学习效果,通过重塑学习方式回归教育本质,为培养创新型人才和教学改革提供支持.

但程序设计和操控体系后的教育预设对客观的影响值得我们从教育心理学角度审慎思考,也值得我们为教学担忧.不能亲历真实感,教育的开放性和教育的个性化的实验操作可能都会受影响.

在实验室更新过程中,很多的小学甚至大学,把那些木制的、玻璃的、“老旧”的实验器材丢在垃圾堆中,校园工厂不复存在,不再有基本的小实验仪器的自我设计和自我生产,学生和教师对于真实实验仪器存在莫大的疏离感.但是真实的实验研究,科学探究的本质还是要回归真实.

教育信息化依然是教育创新的必由之路,在教育现代化和创新过程中,需要大量新技术的支持，正像AR在教学领域的应用一样，同时要注重新技术与传统技术的融合，使其发挥更大的作用，增进技术的教育价值.