基于增强现实的电磁学教学研究

郑誉煌 卜国富 肖俐华

摘  要：电磁学在高中物理中是一个重点，里面的概念比较抽象，学生普遍反映难学。该文提出了在电磁学教学过程中引入增强现实技术，并着重讨论了面向物理模型的增强现实开发流程和增强现实对物理教学反思。基于3DsMax设计物理模型，ARCore作为开发增强现实的核心组件，Unity 3D作为增强现实的开发环境，在Android手机上运行这个增强现实教学软件。实践表明，基于增强现实的电磁学教学模式能提高学生的学习兴趣，降低学生学习难度。

关键词：电磁学  增强现实  物理教学  静电场

中图分类号：G633.7;G434                 文獻标识码：A                   文章编号：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

高中物理的电磁学对于很多同学而言，是难度比较大的部分。电磁学包括静电场、恒定电流、磁场、电磁感应、交流电等内容。以静电场这一章为例，这章主要内容介绍静电场力的性质和能的性质，以及带电粒子在非匀强电场和均匀电场中的运动。学好静电场的关键是要对点电荷、静电场、电场强度、电场线、电场强度的叠加、匀强电场、静电力做功、电势能、等势面、电势差、静电平衡时导体上电荷的分布等这些抽象的物理量有准确的理解。每当教学进入这部分内容时，学生普遍觉得这部分物理概念多、抽象，且难以理解，例如电场线是画在电场中一条条有方向的曲线，曲线上每点的切线方向表示该电的电场强度的方向，电场线不是实际存在的线，而是为了形象地描述电场而假想的线，是一个不存在的物理理想模型。而物理又是一门实验学科，在实际教学中，这些人为抽象出来的概念只是停留在纸面，而与现实世界完全隔离，不利于同学们加强概念的辨析和理解，不利于同学们结合生活的实际理解这些知识。

增强现实（Augmented Reality，为AR）当前正在迅速发展的技术，具有广阔的应用前景，如游戏娱乐、工业制造、医疗保健等，其中教育是一个非常有前途的应用领域。AR增加用户的沉浸感，并使得用户直接将有用的虚拟内容叠加到现实世界上。AR可以把教学游戏化，使学生学习更加接近真实环境，提高了学生的学习兴趣[1]。

为此，该文基于增强现实技术开发了一套电磁学教学软件，并将其用于实际教学中。这套软件能在课堂空间内随时随地地演示电磁学的相关概念和实验，有利于同学们深入理解概念，为物理教学提供了一个较好的教学手段[2-3]。

2  基于AR的电磁学教学软件开发

基于AR的电磁学教学软件开发主要包括3部分组成：AR开发环境、AR开发软件工具包（AR SDK）、3D建模软件[4-5]。

（1）AR开发环境采用Unity3D。Unity3D能够创建实时、可视化的2D和3D动画、游戏或其他教学软件。Unity3D采用所见即所得的开发模式，而且开发所需的资源非常丰富。利用Unity3D引擎和C#编程语言实现该项目软件的UI界面设计和同学们与3D模型之间的交互功能。Unity3D充分利用图形化操作的手段结合少量编程，使软件开发比较快速。Unity3D具有一次开发，多平台发布的优势，既可以在Windows运行，也可以在Android或iOS的手机端运行，节省开发成本和时间。

（2）AR SDK采用ARCore。AR SDK是一种能够帮助程序员快速开发的AR程序的集成AR开发框架和操作平台。ARCore是由美国谷歌公司提供的免费AR SDK。ARCore具有运动跟踪、环境理解、光学评估等核心功能。ARCore能让手机能够感知其环境、理解现实世界并与信息进行交互。ARCore支持Android和iOS两大主流手机平台。ARCore提供了对Unity3D的支持包，两者的兼容性很好。

（3）3D建模软件采用3DsMax。电磁学里面的概念和模型需要3D模型展现，而Unity3D不能创建3D模型，所以使用其他软件建立这些3D模型。3DsMax是一款主流且功能全面的3D建模工具软件，对Unity3D的兼容性也很好。选择3DsMax建立3D模型，因为3DsMax能够导出多种格式的文件，且Unity3D能夠很好地支持这些格式，建立好的模型可以直接导入Unity3D进行后续工作，操作简单、工作高效。3D模型的格式首选是FBX。FBX模型格式是一种通用模型格式，支持所有主要的三维数据元素以及二维、音频和视频媒体元素。FBX格式作为一种3D通用模型文件，其最大的优势是支持法线和贴图坐标，贴图以及坐标信息都可以存入FBX文件中，文件导入Unity3D后不需要再重新贴图以及调整贴图坐标。

主要开发流程如图1所示。首先，在Unity3D中新建项目中导入AR Core，同时删除Unity3D中的Scene自带一个Main Camera对象，改用AR Core的ARCamera和ImageTarget对象，并设置特征平面。其次，导入FBX格式的3D模型，值得注意的是3DsMax默认导出的FBX文件导入到Unity3D中的默认缩放因子是0.01，而Unity3D默认单位为米，开发中需要根据实际调整。最后，是程序的编译运行和上机调试，该项目在Unity3D上使用USB接口进行Android真机调试。

图2是我们静电场和磁场教学的AR演示例子。在教材讲到静电场和磁场的相关知识点时，AR设备（如手机）的摄像头检测到物理模型的特征平面图，则AR教学软件会自动出现这些物理模型的立体图，而且学生可以通过屏幕控制立体模型的参数，如静电场的电力线显示数目或磁场强度的大小等。

3  基于AR的电磁学教学模式反思

通过引入AR技术来讲授静电场和磁场，学生们通过AR技术可以进入一个虚拟物理模型与现实课室相融合的教学环境，学生能够动态地进行交互式操作与学习。基于AR的电磁学教学模式有以下优势[6-7]。

（1）三维显示抽象的物理模型。AR技术能将抽象、晦涩难懂的物理模型以生动、直观、全面、交互的方式呈现在学生面前，特别是这些模型是融合在学生所在课室环境中，让学生带来一种沉浸式体验。由课本或黑板上的2D平面模型转换为3D立体模型，整体提升认知和理解，有利于学生理解与记忆。

（2）提高了学生的学习参与度。AR技术可以让学生和抽象的物理模型互动，提高了学生学习兴趣，大大提高了学生学习的参与度。使学生积极参与到沉浸式的学习环境中去学习知识，充分调动学生的学习热情。同时，所教的学生还处于活泼好动的青春期，AR技术可以将物理模型和知识以游戏化的方式表达出来，活跃了教学气氛。

（3）降低实验损耗、提高实验效率。传统演示磁力线的实验是采用“铁粉+磁铁”，这种模式实验效率低，而且不便于携带，损耗较大。电场线的实验演示更加难以实现。而AR技术可以很方便地把这两种抽象的理论模型变成虚拟模型，并让学生AR环境中操作它们，实验效果与理论效果完全一致，而且不会出现实验损耗，还节约了实验时间。

然而，基于AR技术的教学还存在一些问题，最主要是AR教学软件的开发成本和AR设备的采购成本比较高。虽然市面上有一些基于AR的物理教学软件，但是这些都是通用的，而且要在特定的AR硬件平台上运行。若老师们要开发自主的物理教学软件，这个开发成本和开发时间是比较大的。另外，支持AR设备在市面上参差不齐，每台AR设备价格在几千元到上万元之间。若要在每个课室都装备这样的AR设备，一次性投资是比较大的。

4  结语

在该研究文中，我们展示了采用AR技术在物理课堂讲授静电场和磁场的案例，并且介绍了AR教学软件的开发流程，并对基于AR技术的教学模式做了反思。在研发过程中有两个难题：一是如何设计更加真实的3D模型;二是如何提高3D模型和人与环境的交互功能。优秀的3D模型设计需要大量和细致设计工作，而3D模型的交互，特别是流畅度离不开AR设备的支持。在今后的研究中，我们将进一步研发更多基于AR技术的教学软件，并且收集更多学生的学习反馈意见，让老师们能够可以结合AR教学调整他们的课堂教学安排，使得AR技术在课堂上发挥它巨大作用。

参考文献

[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] 谭康，张成清.“研学后教”理念下高中物理习题课教学课前备课——以粤教版物理选修3-1“带电粒子在电场磁场中的运动”为例[J].湖南中学物理，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] 高伟，王昱霖，郭瑾.国外虚拟现实与增强现实技术教育研究热点及启示[J].开放学习研究，2020，25（2）：47-54，62.

[5] 杨路，王松，刘逸豪.基于增强现实技术的沉浸式交互应用设计[J].廊坊师范学院学报：自然科学版，2020，20（1）：19-23.

[6] 朱肖龙.基于AR的加工中心虚拟仿真教学系统的开发[D].山东建筑大学，2019.

[7] 周玲，陈强.城市地下管网增强现实系统研究[J].计算机工程与应用，2020，56（1）：251-256.