蔡蘇 劉恩睿 張鵬

【摘 要】場是物理學中的重要概念，在生活中難以直接觀察。增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)和體感自然交互技術(shù)可以將這一類的內(nèi)容可視化，促進學生的概念理解和學習興趣。

【關鍵詞】增強現(xiàn)實；物理教學；磁場；場的可視化

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2018）06-072-03

物理學科中“場”的概念與教學問題

中學物理中，“場”是電磁學部分一個極為重要的概念，相對于其他概念，“場”更加抽象，也難以通過實驗觀察。以磁場為例，磁場是我們?nèi)粘Ｉ钪惺制毡榈默F(xiàn)象，也是教學當中的重點和難點。

將看不見、摸不著的磁場通過具體可感的形式展示給學生，傳統(tǒng)的實驗方法是通過鐵屑來模擬磁場的分布情況，但是這種實驗操作起來成本較高且容易帶來各種問題（比如鐵屑被磁鐵吸附、實驗后殘留物難以打掃等）。在實際的教學過程當中，多以教師演示學生觀看為主，甚至是直接使用視頻或者軟件模擬演示，學生少有參與和操作的機會。

增強現(xiàn)實技術(shù)與磁場的可視化

增強現(xiàn)實技術(shù)在教學中的作用主要體現(xiàn)在可將抽象內(nèi)容可視化、使用自然方式進行交互等。得益于AR 技術(shù)更強大和方便的交互性， 學生在學習中可以通過AR技術(shù)更直接、自然地探索知識。[1]

AR技術(shù)可以將虛擬對象和真實環(huán)境結(jié)合，讓學生仿佛“置身”于磁場當中，并且充分發(fā)揮計算機仿真技術(shù)的優(yōu)勢。事實上，將增強現(xiàn)實技術(shù)用于電磁場的可視化，在國內(nèi)外確實有相關的案例。

1.使用AR手段展示靜態(tài)可視化電磁場

在此方面較早的嘗試是Buchau等人[2]將AR用于電動力學的教學，計算三維空間內(nèi)的電磁場，并展示給學生。結(jié)果證明，通過AR技術(shù)展示的可視化電磁場能夠幫助學生把磁場的特征同物理對象聯(lián)系起來，理解電磁理論。

但這一類的模擬電磁場，還停留在靜態(tài)展示的層面，只是將AR技術(shù)作為媒體使用，展示不易觀察的事物，屬于AR技術(shù)的教學應用中最為基礎的一種用法。

2.基于AR技術(shù)的實時可視化電磁場

Matsutomo等人[3]更進一步實現(xiàn)了在AR技術(shù)下的實時磁感線圖像展示。在這種系統(tǒng)中，學習者可以隨時觀察到磁感線的實際分布、變化情況，理解不同類型磁場的特點，他們還設計了模擬的磁鐵、鐵塊等實驗器具用于學生的交互。[4]系統(tǒng)通過攝像頭捕捉到現(xiàn)實中的模擬條形磁鐵后，實時生成其周圍的磁感線分布情況。學生可以在真實空間中移動模擬的磁鐵，軟件將相應的磁感線分布變化情況實時描繪出來。

這種實時生成和帶有自然交互（學生操作真實空間中的“磁鐵”，實時觀察虛擬的磁感線變化）的可視化電磁場模擬案例，可以讓學生直接使用雙手進行操作，能夠促進學生對于物理概念和規(guī)律的掌握。

3.基于AR技術(shù)的電磁學實驗的教學效果

從幾個實際的案例可以看出，應用AR技術(shù)進行的模擬仿真已不再局限于使用鼠標控制這種較為傳統(tǒng)的形式。這樣設計的優(yōu)勢在于，用戶可以在沒有專門知識指導的情況下進行自主使用，而其使用的效果也得到了一定的證實，Ibá?ez等人[5]認為，AR可以有效促進學生對電磁場相關概念和現(xiàn)象的理解。使用AR技術(shù)進行電磁學習的學生，在學習成績方面要顯著好于不使用AR技術(shù)的學生。同時，使用AR技術(shù)學生的心流（心流是一種高度投入某項活動時全神貫注的積極情緒體驗）等級要更高，也就是說，學生在學習活動中的投入和專注度都要更好。

開展磁場可視化教學的實證案例

作為國內(nèi)最早開展課堂AR教學并持續(xù)探索的團隊，北京師范大學教育技術(shù)學院“VR/AR+教育”實驗室（http：//ar.bnu.edu.cn）設計和開發(fā)了基于AR技術(shù)和體感自然交互技術(shù)的磁場可視化應用。該應用不僅體現(xiàn)了AR技術(shù)的演示性優(yōu)勢，還結(jié)合了體感和自然交互技術(shù)的特性，為課堂教學帶來了很好的效果。[6]

1.基于AR和體感自然交互技術(shù)的磁場可視化應用

此案例使用AR技術(shù)來顯示可視化的磁場，并采用微軟公司的Kinect作為交互設備。Kinect是一種可以使用身體動作來控制的體感交互設備。它可以捕捉人的肢體動作，用于計算機程序的交互，被廣泛應用于娛樂、教育等領域。在本案例中，學生通過Kinect設備可以實現(xiàn)用自己的雙手移動對應磁鐵的移動。該應用主要包括四個部分：如圖 1-（a）所示，帶有一個磁鐵和一個小磁針的磁場模型1；如圖 1-（b）所示，帶有一個磁鐵和小磁針的磁感線模型2；如圖 1-（c）所示，帶有兩個磁鐵和小磁針的S-N模型；如圖 1-（d）所示，帶有兩個磁鐵和小磁針的N-N模型。

程序運用畢奧-薩伐爾定律，計算出每個點的磁場強度和方向。使用該應用時，需要將Kinect體感設備連接到電腦，借助Kinect上的攝像頭，學生即可在程序的實驗界面中通過手的移動來操作磁鐵的移動，并實時觀察磁場分布的變化情況及磁場中小磁針的偏向，探究不同情況下磁感線的分布情況，總結(jié)規(guī)律。

2.研究過程

本應用在首都師范大學附屬中學進行了實證研究，實驗對象為八年級的40名學生，隨機分為A（控制組，不使用AR技術(shù)）和B（實驗組，使用AR技術(shù)）兩組。在學習過程中，每4位學生進行合作探究學習。

課程的整體設置包括教師引導、探究式學習活動和教師總結(jié)環(huán)節(jié)，兩組僅在探究式學習活動方面存在差別：控制組學生完全依靠磁鐵和小磁針進行探究，實驗組學生借助基于AR和體感自然交互的磁場可視化應用進行探究。

在研究過程中，進行了前、中、后三次關于磁場相關知識的測驗，分別安排在上課前、課堂探究活動結(jié)束后以及實驗結(jié)束半個月之后，并對實驗組學生進行了關于AR程序的態(tài)度問卷調(diào)查。同時，也對實驗學校的一線物理教師進行了訪談，征求教師的相關意見。

3.研究結(jié)果

從三次測試的結(jié)果看，在前測中兩組學生的平均分數(shù)基本相同，沒有體現(xiàn)出差異。在探究活動后進行的測驗以及半個月之后進行的后測當中，實驗組學生的成績都要高過控制組的學生。這個結(jié)果表明，基于AR和體感自然交互的磁場可視化應用可以幫助學生在課堂上掌握磁場和磁感線的相關知識，對其當場的學習效果有積極影響，也能夠幫助學生在課后進行學習效果的保持。對測試卷中的不同題型（畫圖題、判斷題）進行分別統(tǒng)計，也得到了相同的結(jié)論。通過對部分重點概念性題目（例如，磁場是否真實存在、磁感線是否真實存在）的單獨分析發(fā)現(xiàn)，使用了AR技術(shù)的學生對磁場概念的理解更加準確。

調(diào)查問卷的結(jié)果顯示，學生對于新接觸的技術(shù)和軟件程序保持了積極和樂觀的態(tài)度。同時，一線物理教師的訪談結(jié)果表明，基于AR和自然交互技術(shù)的探究式學習活動提升了學生的學習興趣，能夠取得良好的教學效果。這樣的結(jié)論與國際上的相關研究較一致，在電磁場的可視化這個知識內(nèi)容上，AR和體感自然交互的應用是有效的。

總 結(jié)

中學理科教學中還存在大量和磁場類似的，難以在現(xiàn)實中觀察的重要概念、現(xiàn)象，這就使AR技術(shù)在具體學科應用中有了用武之地。當然，任何一種技術(shù)在教育中的應用，都需要相關的研究人員、設計開發(fā)人員、教學設計人員、學科專家和一線教師的共同參與，把握真實的課堂教學和學習需求，才能更好推進信息技術(shù)與教育教學的深度融合。

參考文獻

蔡蘇，薛曉茹，張晗. 增強現(xiàn)實 （AR） 在 K-12 教育的應用實踐[J]. 中小學信息技術(shù)教育， 2017（11）： 71-75.

Buchau A， Rucker W M， W?ssner U， et al. Augmented reality in teaching of electrodynamics[J]. COMPEL-The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering， 2009， 28（4）： 948-963.

Matsutomo S， Miyauchi T， Noguchi S， et al. Real-time visualization system of magnetic field utilizing augmented reality technology for education[J]. IEEE transactions on Magnetics， 2012， 48（2）： 531-534.

Matsutomo S， Mitsufuji K， Hiasa Y， et al. Real time simulation method of magnetic field for visualization system with augmented reality technology[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2013， 49（5）： 1665-1668.

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