虚实融合的物理实验自主学习环境设计与实现*

段 延，倪 晨，吴天刚，方 恺，张 睿

（同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092）

一、引言

当今社会，全球正经历以信息、能源、材料、生物工程和空间技术等新技术为主导的科技革命。实验作为开展科学研究的重要手段，在新技术革命中发挥重要的先导作用。我国《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中明确指出要大力建设虚拟实验中心，构建高度仿真的虚拟实验环境，实现虚实结合、相互补充，提升实验教学水平。在互联网+教育的教学改革背景下，如何运用网络或移动网络为载体，创建教学内容丰富、适合自主学习、激发学生创新能力的数字化实验教学环境，已逐渐成为实验室建设及实验教学的关键问题。

近些年来，虚拟现实和增强现实等创新技术的涌现，为教育创新，尤其是实验教学技术的发展注入了新的活力。地平线报告（2016）高等教育版指出:自带设备及增强现实和虚拟现实等技术在未来的2～3年内将会在高等教育中占据突出的位置。移动增强现实技术（MAR）是指在iOS、Android等智能终端利用宽带移动通信技术，移动定位与状态感知技术、多媒体技术等为基础的増强现实技术，具有虚实结合，三维注册，实时互动性的特点[1][2]。研究发现，增强现实技术使学习信息的搜索更加便捷，交互更加自然，与移动学习相辅相成，集文本、图文、视频等多媒体的优势，提高学习有效性[3][4]。实验教学中利用增强现实技术，可构建虚实融合的物理实验自主学习环境，把实验现象呈现在学习者眼前，揭示关键，化解难点，增强体验者的真实性，提高学习者信息搜索的效率及实验仪器的认知深度，从多角度多方面学习知识，提升认知层面，激发学生创新能力，培养学生的科学素养，促进教学效果的提升。

二、设计原则

物理实验教学注重学生对实验过程的理解和科学态度的形成，并且希望通过各种物理实验活动来培养学生敏锐的观察能力、灵活的思维能力和娴熟的动手能力，养成严谨求实的科学作风，提高他们的科学素养[5]。物理实验的学习过程一般包括：确定实验目的，学习实验原理，熟悉实验仪器，观察实验现象，数据记录，计算与分析实验结果。其中，情境、资源、认知工具、支架和学生构成了虚实融合的物理实验自主学习环境的稳定要素，也构成了其基本框架[6]。框架如图1所示，根据学生们的学习目标，叠加具有时效性、互动性、内容丰富性的虚拟资源，如实验原理，实验仪器的注意事项，以及实验的应用拓展等。学生自然的进入最佳的情绪体验当中，促进学习者知识技能和经验之间的连接。自主学习环境模型中的目标性支架帮助学生明确自己的实验目的，问题性支架引导学生实验规划，以及工具性支架则帮助学生更好的完成实验步骤。环境中的三维模型展示、注意事项、应用拓展等构成了语义组织、信息获取、知识建构等认知工具，扩充学生的思维过程，培养学生的自主学习能力、思维能力、解决问题和创新的能力。设计依据以下教学理论。

1.情境性

图1 物理实验自主学习环境框架

情境认知理论的代表人物Brown、Collins与Duguid[7]认为：知识是具有情境性的，是活动、背景和文化产品的一部分，在活动、情境以及文化中不断被运用和发展。情境感知学习的最大特点是能够从学习者的周围收集环境信息以及工具设备信息,并为学习者提供与之相关的学习活动和内容。增强现实类学习环境营造一种基于真实的混合自主环境，其虚实结合，三维沉浸的独特优势容易激发学生的学习兴趣，全面的理解实验原理，灵活的探索教学内容的本质和规律。学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识的主动建构者，从而达到实验教学一贯倡导的培养学生自主性、创新性的教学，促进教学效果的最优化。

2.移动性

认知灵活性理论是由美国心理学家Spiro提出的，强调在教学中要避免抽象的概念讲解，而应将概念具体到一定的实例中，与具体情境联系起来[8]。该理论继承了建构主义关于学习的基本观点，并为移动学习提供了理论基础。在物理实验中，创建一个虚实融合的自主学习环境，学习者可以把概念与具体情境联系起来，引导他们建构新的理解，从多个角度理解概念。学习者不受时空限制观察实验现象，理解实验原理，与实验环境或设备进行实时交互，达到了自由自在、随时随地进行不同目的、不同方式的学习。

3.交互性

美国视听教育家戴尔1946年写了一本书 《视听教学法》，其中提出学习者的学习路径包括做的经验，观察的经验，抽象的经验三个层次，是“具体经验”——“抽象经验”的经验之塔[9]。增强现实自主学习环境因其虚实结合、三维沉浸和实时交互的特点，对抽象的科学原理或科学过程有机地融合在同一场景，从而达到“经验之塔”三个层次经验的交融，学习者可以根据自身偏好自主选择，实现自身学习效果最优化[10]。如图2所示，是自主学习环境模型与经验之塔的融合体现。通过对模型属性的交互，学习者获得“做的经验”，三维沉浸的优势让学习者获得“观察的经验”，通过对实验中某些抽象概念，原理，或科学过程的可视化展现，获得“抽象的经验”，促进学习者在学习过程中的深度参与，促进教学效果的实现。

图2 程序与经验之塔融合

三、实现过程

虚实融合的物理实验自主学习环境的构建主要分为四个阶段。如图3所示。第一阶段为需求分析。分析学习环境的功能，收集所需素材，配置底层编译环境。第二阶段为设计阶段，规划环境整体布局，设计素材呈现，AR功能实现及交互方式。第三阶段为开发阶段。制作三维模型，配置环境变量，编写交互代码。第四阶段是调试与发布。经调试修改，发布到Android平台。

图3 总体设计流程

1.开发工具

我们所用到的开发工具如下：①Autodesk 3ds Max 2017，由Autodesk公司开发的三维动画渲染和制作软件，提供了迄今为止功能最强大、种类最丰富的工具集。我们利用其制作物理实验仪器三维仿真模型。②EasyAR SDK，是全平台AR引擎，支持PC和移动设备等多个平台，不会显示水印，也没有识别次数限制，支持基于硬解码的视频（包括透明视频和流媒体）的播放，支持二维码识别，支持多目标同时跟踪。EasyAR SDK for U-nity3D（unitypackage）允许用户在Unity 3D开发环境中快速开发出增强现实应用,简化开发过程。③Unity 3D，最初创建于丹麦的Unity Technologies公司，能较好地支持主流三维建模软件如Maya、3DsMax等，支持PC、Mac、iOS、Android等几乎所有的平台，移植便捷，3D图形性能出众。在手机平台，Unity几乎成为3D游戏开发的标准工具[11]。

2.开发过程

我们把制作的三维仿真模型保存为FBX格式，FBX文件可以作为多个软件的中间格式，跨平台，包含材质、动画、灯光等，方便在Unity3D中二次开发。在U-nity3D开发平台中，配置Android SDK和NDK，以及Java JDK，搭建Android平台开发环境。导入EasyAR SDK，配置增强现实开发环境。仿真模型的交互，虚实场景的呈现，以及模型的二次开发都在Unity3D中实现，最终设置Bundle Identifier，整合在Android平台上。例如我们把螺线管的三维仿真模型导入到Unity3D中，设置其长度匝数等基本参数，根据毕奥萨伐尔定律：

通过Unit3D画线插件Vectrosity编写new Vector-Line语句画出螺线管的磁感线，如图4所示，通过把电流的值赋给slider.value达到滑动条改变电流参数控制磁感线的效果。通过把目标图片导入到ImageTarget目录下，绑定EasyImageTargetBehaviour脚本，并在json文件中编写相应代码实现匹配过程。调用GUI.Button和unity3D中UI功能实现界面的优化和场景的转换。利用Application.OpenURL实现学习资源的链接，Application.platform调用Android的返回退出键以及触屏缩放功能。

图4 通电螺线管磁场开发

3.效果实现

在虚实融合的自主学习环境下，物理学习过程如下图5和图6所示。在实验室环境下，学生利用智能手机或者平板电脑的摄像头扫描实验各仪器元件，一经匹配即可进入增强现实学习环境。当扫描到实验仪器时，预设的物理三维模型自动叠加在仪器视图上。可以帮助学生理解相关理论模型。实验中，学生进入关键步骤或操作重要仪器时，系统会及时弹出“注意事项”标签，显示实验参数的范围以及相应的注意事项，给与学生们实时提醒，避免毁坏实验元件。人机交互方式便捷，学生们通过输入变量观察实验效果，也可通过放大缩小旋转操作多角度进行观察。自主学习环境包含有丰富的学习资源，学生们可以观看实验视频，浏览讲义，实验自测等，按需选择学习内容。学生也可以扫教材上的相关原理图，进入自主学习环境。

图5 自主学习环境下学习过程

图6 实践效果图

四、实践应用评价

我们随机抽取了20名学生对虚实融合的自主学习环境下的物理实验学习过程满意度进行了调查，问卷采用李克特量表设计，共有6个选项，从非常满意到非常不满意，分值对应由高到低排列[12][13]。问卷调查包括内容有效性，结构的接受度以及体验的满意度三个方面的内容[14]。内容有效性反应学生对学习环境提供的物理实验内容是否满意，结构接受性显示学生对虚实融合表现形式的态度，体验满意度则反应学生对这一学习环境的满意程度。依据简明性、逻辑性、明确性等原则，根据不同的调查目的，我们设计了不同的题目，利用均值表现学生对虚实融合的物理实验自主学习环境的平均意向或态度。问卷的Cronbacha α信度系数为0.904,这表明调查结果可靠。另外我们随机访谈了8位学生，整个过程中，我们随时观察和记录学生的表现。

1.问卷分析

如表1是对结构的描述性统计，“我会将这个程序介绍给我的同学”均值最高（M=5.30），而“我喜欢这个程序的颜色”均值最低（M=4.95）。此结果表明，学生对程序的接受度较高，愿意介绍给其他人，而其内部的颜色需要稍作修改，尽可能的让学生的注意力都集中在内容的呈现上，更好的完成物理实验。

表1 接受性统计

如表2是对程序内容的描述性统计，在这个表中，平均得分皆在5分以上，这表明绝大多数学生认为程序中的内容和实验相关，有助于他们理解物理概念，对他们完成实验有很大的帮助。

表2 内容的有效性统计

如表3是对满意度的描述性统计，在这个表中，“增强现实让物理实验变得更有趣”和“我希望更多的物理实验能运用到增强现实技术”得分均为5.80，表明学生对在物理实验中引入增强现实有很大的热情，并且大部分学生认为程序开拓了他们的思维空间和想象力，增加了实验的兴趣，表明他们的满意度达到了预期的效果。

表3 满意度统计

2.访谈分析

访谈分析可获得完全的访谈数据，问句内容较有弹性，又可随时补充和反问，有助于深入了解问题。研究表明，仅5个用户会发现约80%的产品可用性问题（Virzi 1992和 Nielsen J,1992）[15][16]，10个参与者可以找到 82%到85%的可用性问题。我们随机访谈了8位学生，并观察和记录学生在实验教学过程的表现。。从学生的记忆，期望和动机，行为，意义，情感5个方面设计了访谈的5个问题，如下所示：

（1）这个程序令人印象深刻的地方是什么？（记忆）

（2）您对这个程序的进一步期望是什么？（期望和动机）

（3）程序使用灵活吗？（行为）

（4）你觉得这个程序对你最大的帮助是什么？（意义）

（5）请描述你的整体感觉，一些关键字就可以了（情感）

访谈结果表明，学生们认为这个程序提高了他们的学习兴趣,使他们更方便地搜索信息。他们认为磁线增加空间感,注意事项帮助他们更好地完成实验步骤。在情感方面,学生很有成就感,因为这个程序很简单,操作方便。他们也希望其他实验可以加入这个模型中。但他们也提出了一些建议，比如界面需要美化，实物的匹配度没有图片的匹配度高等。

学生们通过自带设备的方式，将实验中遇到的问题在虚实融合的自主学习环境中解决，从而达到形象、生动、高效的实验教学目的。访谈得出的结果和问卷的结果都符合我们的期望值，而且学生提供宝贵的建议和数据对我们进一步完善我们的模型有很大的帮助。

五、总结与展望

实践表明，在移动学习中加入增强现实技术，创建一个符合情境的，富有成效的，愉悦的和互动式的虚实融合的物理实验自主环境，有助于激发学生的学习兴趣，提高认知水平，达到培养自主学习及创新实践能力的目的。随着计算机网络、人工智能等技术的快速发展，以培养学生的自主学习、自主实验、自主创新能力为目标的自主实验学习环境将日趋完善，逐渐形成互联网+教育背景下的新型实验教学模式，成为实验教学改革和卓越人才培养的有效途径。

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