利用增强现实改进大学物理实验课程的探究

汪 成，冉建平，周雅晴，徐知劼，徐章洋，赵梓轶

（1.北京邮电大学理学院，北京 100876；2.北京邮电大学世纪学院，北京 102613）

0 引言

教育是国家和民族兴旺发达的基石。如何紧跟时代的发展把最新、最先进的技术手段融入教育中，一直是教育行业者思考与探索的问题。具体到大学物理实验的教学，随着计算机技术和互联网的发展，各种新的技术纷纷应用到了教学当中。例如：多媒体、虚拟实验、数学仿真等技术。近些年来增强现实（Augmented Reality，AR）技术迅速发展，在很多领域都得到了成功应用。如何将增强现实与大学物理实验课程有机结合，改进教学手段和方法，提高学生学习兴趣和效率，成为大学物理实验课程发展的一个新方向。

1 增强现实技术在教育应用中的研究现状

1.1 增强现实技术

增强现实的概念在1990 年由美国波音公司研究员Caudell［1］提出，一开始主要用于波音公司的培训，后来逐渐扩展到军事训练、医疗培训［2］和教育［3］等专业领域中。Milgram等［4］在1994 年提出了现实环境和虚拟环境的连接关系，如图1 所示。“任何在特定位置结合现实与虚拟的技术”都可称为增强现实技术，其中现实物体与虚拟信息都起非常重要的作用［5］。增强现实是广义上虚拟现实（Virtual Reality，VR）的扩展，但又与虚拟现实不同，增强现实的主战场是“现实世界”［6］，增强现实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，是现实世界和虚拟信息的结合，设备轻便灵活，并不需要专业的VR眼镜等设备来实现。增强现实使学习者能够直观感受复杂的空间关系和抽象概念，体验现实世界中不可能出现的现象。与传统教学相比，增强现实提高了教学的体验感、沉浸感、趣味性和互动性，是一种更好的寓教于乐的娱教技术［7］，能够激发学习者的学习兴趣，提高学习者的学习效率［8］。

图1 现实环境到虚拟环境的连接关系

1.2 在教育应用中的研究现状

从2013 开始，增强现实技术逐渐走出了专业领域，在教育领域开始得到大规模的运用。比如李青等［9］在2013 年设计和开发了基于增强现实的移动学习工具，并结合“微波技术与天线”课程进行实证研究，经过调研发现高达85%的学生认为效果较好。魏小东等［10］在2014 年基于ARToolkit 工具包开发了增强现实教学的教育平台“悦趣多”，通过在人大附中的试点，显示“悦趣多”可以有效提高学生的创新力。McMahon等［11］在2016 年对增强现实技术应用于智力障碍、自闭症学生的科学词汇学习进行了研究，测试发现所有智力障碍、自闭症学生通过增强现实都掌握了科学词汇。李丹等［12］在2017 年基于增强现实构建了英语教学新模式，从多个方面对英语课堂的增强现实教学进行系统设计，使学生在拟真教学场景中，利用更多的感官使学习变得更加容易。Kim 等［13］在2018 年对增强现实应用于幼儿英语教育体系方面进行了研究，利用增强现实提供虚拟多媒体教育内容让幼儿产生兴趣。Lindner等［14］在2019 年开发了“地球—月球系统”数字实验APP，研究地球和月球之间距离变化的影响，展示两个天体之间重心的三维动画，学生可以通过可视化理解复杂的主题。

2 物理实验教学遇到的问题

2.1 学生对于预习缺乏兴趣

预习对于物理实验课程来说至关重要，学生预习得好坏直接决定了实验教学的效果。目前国内大部分高校，均要求学生在做实验之前完成实验预习。但从实际效果来看并不理想，学生经常反映在预习的时候抓不住重点，容易产生畏难情绪、缺乏学习兴趣，例如：对于实验仪器没有直观的了解，对于实验原理的理解也只停留在复杂的公式推导上，对于实验步骤的掌握往往停留在纸面描述上。这让学生在预习的时候感觉到非常枯燥，很难对即将进行的实验充满期待，也就缺少了主动学习的动力。部分学生只是按照老师的要求把相应的内容抄写一遍，达不到预习应有的效果，影响了大学物理实验课程的教学效果。

2.2 教师上课方式不够生动

目前国内大部分高校的大学物理实验课仍采用自然班的方式上课，因此在教学时教师经常需要同时指导多名同学，甚至同时指导多个实验，很难做到及时回答每位学生的疑问，容易打击学生学习的积极性，不利于引导他们自主学习。同时传统的教学方式是上课后教师先通过PPT、视频等教学手段详细的讲解实验原理、操作步骤、数据测量、结果分析等内容之后，再让学生开始动手实验。这样的上课方式让学生在学习的时候对于抽象的概念难以理解，无法把实验仪器和教学内容结合起来，甚至有些学生上完课，连仪器的原理都不清楚，只是机械的按照书上的步骤“照葫芦画瓢”完成实验，达不到物理实验课程的培养目标。

2.3 学习的时间和空间限制

实验课程由于其自身的特殊性，需要专业的仪器设备才能进行，往往需要在实验室完成，受限于物理实验室的教学资源。为了扩展教学资源，很多学校都进行了有意义的探索［15］，但是也很难满足所有学生的需求。随着计算机科学的发展和进步，很多学校也对虚拟仿真实验进行了研究，但是无论是基于LabVIEW，Matlab等软件的仿真实验［16］，还是最新的基于VR 系统开发的虚拟实验［17］，都必须要借助于计算机或者专门的VR眼镜才可以使用，在普及和易用性上存在着一些困难，同时完全虚拟的环境也提高了学生的学习成本，例如VR 系统开发的实验，往往需要先做仿真实验。

3 增强现实应用于物理实验教学

为了探索性研究利用增强现实来解决上述问题，使用Unity引擎和Vuforia插件［18］，开发了分光计的调整与使用实验的增强现实APP。该增强现实APP 基于图像识别技术，当手机摄像头识别到目标图片时，将设计好的虚拟模型、视频、动画等叠加到真实世界，在手机屏幕上呈现一个现实世界与虚拟信息的混合体。在2018 级通信工程专业中选取了部分学生进行试用，经过一个学期的探究发现增强现实APP 可以解决物理实验课程教学中遇到的一些问题，下面结合实际使用情况进行说明。

3.1 改善预习环节，便于学生理解

学生在预习实验时，利用增强现实APP扫描书本上实验原理、实验仪器等内容，手机会在对应位置自动显示仪器的三维模型、实验原理视频等教学内容。通过增强现实技术，可以使书本中枯燥的内容三维化、动态化的展示在学生的面前，实现了“哪里不会扫哪里”。以分光计的调整与使用实验为例，研究选取2018 级通信工程专业4 班30 名学生为对象，其中实验组15 人，对照组15 人。

实验组利用增强现实APP辅助预习，对照组按照传统方式预习。学生使用增强现实APP辅助预习时，当手机摄像头扫描到对应内容时会自动展示三维模型或者讲解视频。例如：当手机摄像头扫描书上分光计图片时，图片位置会生成一个分光计的三维模型，如图2 所示，配合着手机的移动，可以360°观察仪器的各个部位。当手机摄像头扫描利用最小偏向角测量折射率的图片时，图片位置会自动播放光的色散的原理视频，如图3 所示，同时视频自动贴合于图片，移动手机不会影响观看，使得观看视频更加方便。

图2 增强现实展示分光计三维模型

图3 增强现实展示光的色散视频

研究通过调查问卷的方式来评估增强现实APP对于预习的改善效果。问卷分别从预习时长、预习的趣味性、对于仪器操作的掌握情况、对于实验原理的掌握情况4 个角度出发，对使用效果进行调研。研究回收问卷30 份，根据作答的完整性，最终获得实验组有效问卷15 份，对照组有效问卷15 份。研究发现实验组学生平均预习时长比对照组长25 min；实验组67%的学生觉得实验预习有趣，对照组为33%；实验组80%的学生基本掌握仪器操作，对照组为67%；实验组87%的学生基本掌握实验原理，对照组为73%。从结果可知增强现实APP 确实有效地改善预习枯燥的缺点，让学生更直观地了解仪器构造、实验原理，激发学生学习物理实验的热情，让学生产生探索书本的兴趣，从而高效地完成实验课程的预习工作，解决学生对实验预习缺乏兴趣的问题。

3.2 改进教学环节，激发学生热情

在课堂中，教师结合增强现实APP，通过扫描图片或者仪器部件，可以直接在仪器上进行实验原理讲解或者仪器结构的展示，让学生在现实环境中看到虚拟内容，通过对虚拟内容的操纵和旋转，让学生能够在贴近自然交互的方式下进行学习和探索。同时通过设置增强现实展板，将实验重点和难点以目标图片的形式展示在上面，当教师无法及时指导时，学生可以通过增强现实APP，进行自主学习。以分光计的调整与使用实验为例，研究选取2018 级通信工程专业3 班和2 班为对象。其中3 班为实验组利用增强现实APP 辅助教学，2 班为对照组利用传统方式教学。

实验组教学时，采用增强现实APP辅助教学的方式来进行授课，教师通过增强现实APP在仪器上演示实验原理和操作，例如：讲解望远镜的调节时，教师利用手机摄像头扫描分光计的望远镜，相应位置会显示其内部结构的三维模型如图4 所示，教师结合三维模型讲解如何调节目镜、物镜。同时给学生设置增强现实展板，将实验课程内容设计成粗调、细调、顶角测量、最小偏向角测量等不同部分。

图4 增强现实展示的望远镜内部构造

当学生利用增强现实APP扫描对应目标图片时，APP在图片位置会自动播放对应讲解视频，方便学生自主学习，如图5 所示。

通过观察并记录了学生的上课表现，研究发现相对于对照组，实验组的学生上课气氛更加热烈，学生们大都很感兴趣，自发地进行了大量的讨论，学生表示通过围绕实验仪器展开实验课程的方式，直观地建立起原理和仪器之间的关系，理解起来更直观、更轻松，利于和教师交流，同时扫描展板能自主学习的方式也得到了他们的欢迎，每位同学都进行了尝试。最终实验组班级所有同学都顺利地完成了实验，而对照组的班级出现了有同学没有完成实验的情况。分析最后的成绩分布，对增强现实APP 改善教学效果进行了研究。两组的成绩分布情况，如图6 所示，对照组成绩基本符合正态分布，而实验组成绩明显优于对照组。实验组90 分及以上的学生有5 人，对照组2 人；不及格人数对照组为2 人，实验组为0。通过以上的研究可以看出增强现实APP既能提高学生的学习主动性，也能缓解教师的上课压力，有效解决了教师上课不够生动的问题，改善了学生的学习效果。

图6 实验组和对照组所有学生成绩分布

3.3 拓展学习时空，增强教学效果

在实验课外，学生可以借助增强现实APP对课堂的学习内容进行学习。不需要借助复杂或者昂贵的设备，学生只需要一台智能手机或者平板，通过安装软件就可以随时随地进行物理实验的学习，突破了传统的物理实验学习模式的瓶颈，让物理实验做到“随心学，随时学”。同时也鼓励学生在课后进行创新，参与增强现实教学资源的建设，通过让学生参与创造的方式，让他们提高了学习的层次，从一个传授者的角度来进行思考和学习，从而更全面更深入地掌握知识。

对实验组的部分同学进行了的访谈，更深入地了解他们对于增强现实在课堂之外学习的看法和建议。例如，某同学反映当他把利用增强现实APP辅助教学的视频发到了朋友圈时，引起了很多其他同学的兴趣，他们进行了热烈的讨论，无形中对物理实验的知识进行了传播；还有同学建议在未来5G 网络支持下，可以把所有的教学内容设计都放在云端，学生只需要安装一个很小的客户端就可以获取海量的增强现实教学资源，顺应新时代下教育发展的趋势。通过了解学生最真实的想法，可以看出他们对增强现实充满了兴趣，愿意在课外使用增强现实APP进行自主学习，有效拓展了他们的学习时空，并扩大了课程内容的传播，增强了教学的效果。

4 结语

增强现实作为一种新兴的技术手段，给教师提供了新的方式来表达事物的联系，对于抽象的物理概念和复杂仪器结构的教学很有启发意义。借助智能手机的普及，增强现实的推广并不需要投入太多的经费，低廉方便地扩展了学生学习物理实验的时间和空间，同时也给物理实验教学内容的传播提供了新的思路。正是由于增强现实的这些特点，使得它非常适合应用于大学物理实验课程，对于改进大学物理实验课程有着巨大的能量和发展潜力。

与许多创新技术一样，增强现实的教育价值不仅在于技术的使用，而更多地在于设计、实施以及如何融入学习环境中。这样就对制作教学资源的开发者提出了更高的要求，首先必须熟练地运用各种技术例如：增强现实软件的开发、视频制作、3D建模、三维动画制作等，其次又必须有丰富的物理实验课程的教学经验，才可以把上述的技术合理、有效地融入学习环境中。而目前国内相关的研究和项目并未普及，还处于探索和研究阶段，希望通过本探究让更多的研究者参与进来，进一步探索增强现实在大学物理实验课程中的应用。