基于AR技術(shù)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)研究與開(kāi)發(fā)

成超悅 劉佳 鄭靖軒 趙旭 李克凡

摘要：傳統(tǒng)中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過(guò)于抽象、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴、操作復(fù)雜等原因，學(xué)生們很難直觀的掌握其物理現(xiàn)象與原理。對(duì)此，基于Solidworks、3DS max、Unity3D等軟件，建立中學(xué)各個(gè)實(shí)驗(yàn)的立體模型，并制作實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的動(dòng)畫(huà)效果。將AR技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不全、實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限、實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺乏創(chuàng)造性等問(wèn)題，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生自主探究、創(chuàng)新思維，提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：中學(xué)實(shí)驗(yàn);AR虛擬;三維模型;Solidworks

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）05-0211-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 概述

在我國(guó)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過(guò)于抽象、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴、操作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)變量控制不易、實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)等原因，學(xué)生們很難清晰明了的理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與原理。尤其在我國(guó)偏遠(yuǎn)山區(qū)和部分經(jīng)濟(jì)發(fā)展較低的鄉(xiāng)村地區(qū)，教學(xué)設(shè)施落后，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)只能自己想象整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

為了學(xué)生的全面發(fā)展，同時(shí)能夠更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)教程的目的。對(duì)此，基于Solidworks、3DS max、Unity3D等軟件，建立中學(xué)各個(gè)實(shí)驗(yàn)的立體模型，并制作出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的動(dòng)畫(huà)效果，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款手機(jī)端AR物理仿真實(shí)驗(yàn)室APP，應(yīng)用手機(jī)端APP掃一掃中學(xué)課本上物理實(shí)驗(yàn)圖片實(shí)現(xiàn)虛擬物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

將AR技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，它能有效地改善傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)“老師難教、學(xué)生難理解”的現(xiàn)狀，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的諸多問(wèn)題：實(shí)驗(yàn)設(shè)備不齊全、實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限、等問(wèn)題，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生自主探究、創(chuàng)新思維，提高學(xué)生綜合素質(zhì)具有重要意義[1]。

2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

傳統(tǒng)中學(xué)實(shí)驗(yàn)一般是教師在課堂上通過(guò)操作演示讓學(xué)生看的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)演示指導(dǎo)學(xué)生對(duì)演示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察和分析。學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和老師引導(dǎo)分析問(wèn)題，學(xué)生能更深刻地理解物理概念和規(guī)律。但演示實(shí)驗(yàn)最重要的一點(diǎn)，是必須具有一定的可見(jiàn)度，要求保證所有學(xué)生均能清晰明了的觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)中絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)由于有些儀器尺寸不夠大，演示現(xiàn)象的變化量很微弱等原因，往往后面的學(xué)生看不清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于：

1）真實(shí)試驗(yàn)?zāi)芙o學(xué)生“真實(shí)感”，大量的數(shù)據(jù)結(jié)果也只能通過(guò)真實(shí)實(shí)驗(yàn)才能得到。實(shí)驗(yàn)可以增強(qiáng)學(xué)生的直觀感，便于理解實(shí)驗(yàn)中抽象的概念，使學(xué)生增加對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。

2）在學(xué)生動(dòng)手操作的過(guò)程中，會(huì)遇到現(xiàn)實(shí)生活中可能遇到的問(wèn)題，通過(guò)采取相應(yīng)措施并解決，在以后實(shí)際中遇到這類問(wèn)題時(shí)，便于解決。

3）實(shí)驗(yàn)前教師準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)器材、調(diào)試好儀器設(shè)備，一般還要對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)講解，甚至操作示范。實(shí)驗(yàn)教材也將實(shí)驗(yàn)原理、步驟甚至某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等寫(xiě)得一清二楚，使學(xué)生清楚明白實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程及其中注意事項(xiàng)[2]。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)在于：

1）有一些實(shí)驗(yàn)教師不便演示，如：汽車拐彎時(shí)摩擦力的方向、火車拐彎時(shí)所需的向心力、電流的形成、電子的躍遷等等。

2）有些實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠，演示實(shí)驗(yàn)得不到理想中的效果，如：布朗運(yùn)動(dòng)的模擬實(shí)驗(yàn)。

3）有些實(shí)驗(yàn)效果不易觀察，如：波動(dòng)相位儀演示模擬波的傳播f時(shí)間太短，演示過(guò)程無(wú)法觀察波的周期、相位變化）、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量加速度（演示過(guò)程太快無(wú)法觀察某一特定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）[3]。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)是一個(gè)建立在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（平臺(tái)仿真）之上，注重的是實(shí)驗(yàn)操作的交互性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真性。虛擬實(shí)驗(yàn)的效果就在于能與現(xiàn)實(shí)結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)完成我們生活中不方便完成的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于：

1）提升教學(xué)效果。三維立體的表現(xiàn)形式讓抽象的實(shí)驗(yàn)過(guò)程逼真的演示出來(lái)，教師可以結(jié)合實(shí)際的教學(xué)需求，最大限度地發(fā)揮出虛擬元器件資源的優(yōu)勢(shì)，提升教學(xué)效果。

2）完成不可能的實(shí)驗(yàn)。幫助教師進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)演示。如受客觀條件影響較大的實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果不易觀察的實(shí)驗(yàn)，可以安全、直觀的展示出來(lái)。

3）增強(qiáng)課堂趣味性：借助對(duì)多媒體（音頻、視頻、圖像）技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、輸入輸出技術(shù)構(gòu)建了一種虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者有置身其中的感覺(jué)，能夠?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4）方便高效的教學(xué)輔助工具：各種大小實(shí)驗(yàn)應(yīng)有盡有，且無(wú)器材損耗，和實(shí)驗(yàn)室零距離，隨時(shí)隨地都可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

虛擬實(shí)驗(yàn)的不足在于：

1）實(shí)驗(yàn)真實(shí)感不強(qiáng)，鍵盤和鼠標(biāo)無(wú)法帶給學(xué)生真實(shí)的感覺(jué)。

2）虛擬實(shí)驗(yàn)是人們根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)出來(lái)的，人的認(rèn)知范圍決定實(shí)驗(yàn)的仿真程度，模擬不了現(xiàn)實(shí)中隨機(jī)遇到的問(wèn)題。

3）虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自身的局限性限制了學(xué)生的活動(dòng)空間，學(xué)生不能很好地根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合應(yīng)用。

4 基于手機(jī)端的AR虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)都有其的優(yōu)越性與不足之處，基于這兩種教學(xué)模式的改進(jìn)，提出一種新的教學(xué)方案：在教學(xué)上，仍運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)方案，教師在課前對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)的講解;在演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)手機(jī)端掃一掃教材圖片進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)的視頻，全面觀察到實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)過(guò)程。

4.1 所應(yīng)用的軟件

本項(xiàng)目中的3D初始建模使用了SolidWorks中的3D實(shí)體建模功能。使用Solidworks建模，可以加快設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和出詳圖的速度，改進(jìn)直觀顯示和交流，消除設(shè)計(jì)干涉問(wèn)題，檢查設(shè)計(jì)功能和性能（減少樣機(jī)的生產(chǎn)）[4]。

項(xiàng)目中的模型渲染及格式轉(zhuǎn)換使用了3DSmax。3DSmax是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫(huà)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域[5]。安裝插件（plugins）可提供3DS Max所沒(méi)有的功能以及增強(qiáng)原本的功能，強(qiáng)大的角色（Character）動(dòng)畫(huà)制作能力，可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)手機(jī)APP使用了Unity3D。Unity3D是可創(chuàng)建諸多類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)整合了AR開(kāi)發(fā)插件-Vuforia，支持Java Script、C#、Boo腳本語(yǔ)言[6]。

4.2 項(xiàng)目中的實(shí)驗(yàn)

1）物理實(shí)驗(yàn)：從初中和高中的教材出發(fā)為中學(xué)課程中所必學(xué)的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)階段選出如下實(shí)驗(yàn)：測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)速度、測(cè)量水平運(yùn)動(dòng)物體所受的滑動(dòng)摩擦力、測(cè)量固體和液體的密度、探究浮力大小與哪些因素有關(guān)、探究杠桿平衡條件、探究水沸騰與時(shí)間的關(guān)系、探究光的反射規(guī)律、探究平面鏡成像與物的關(guān)系、探究凹凸鏡成像的規(guī)律、連接簡(jiǎn)單的串并聯(lián)電路、探究電流與電壓電阻的關(guān)系、探究通電螺線管的外部磁場(chǎng)、探究物體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流、測(cè)量小燈泡的電功率。

2）化學(xué)實(shí)驗(yàn)：從初中和高中的教材出發(fā)為中學(xué)課程中所必學(xué)的實(shí)驗(yàn)。（現(xiàn)階段以物理實(shí)驗(yàn)為主，后期補(bǔ)充化學(xué)實(shí)驗(yàn)。）

3）大學(xué)工程制圖：從大學(xué)簡(jiǎn)明工程制圖人手，進(jìn)而深入研究。（現(xiàn)階段以物理實(shí)驗(yàn)為主，后期補(bǔ)充化學(xué)實(shí)驗(yàn)。）

4.3 項(xiàng)目制作流程

1）根據(jù)教材中的已有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行挑選，選出較為經(jīng)典、不易理解的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)教材中實(shí)驗(yàn)的圖片，想象出實(shí)驗(yàn)儀器的立體模型并進(jìn)行分解。在Solidworks的界面中首先畫(huà)出一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的草圖，進(jìn)行尺寸標(biāo)注，將其拉縮成為一個(gè)立體，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割等操作，最終做成一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的立體模型。以此類推，做出每一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器的模型。在這一階段，主要是挑選出圖片并進(jìn)行模型的建立。

2）根據(jù)（1）中建立的模型，將其導(dǎo)入3DS max，進(jìn)行模型顏色的選擇、渲染以及簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作使得整個(gè)模型更加鮮活;學(xué)生可以手動(dòng)來(lái)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的部位，以此更加了解實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。在這一階段，主要使得模型更加形象具體。

3）將建立好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，讓其固定一個(gè)軸，做出整個(gè)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫(huà)效果并將重難點(diǎn)標(biāo)出;并且可以通過(guò)人手來(lái)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)各個(gè)方位，學(xué)生可以更為方便的了解實(shí)驗(yàn)的全部過(guò)程，知道易錯(cuò)點(diǎn)，在這一階段，主要制作實(shí)驗(yàn)的整個(gè)動(dòng)畫(huà)效果。

4）制作一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，將所做的全部實(shí)驗(yàn)保存;研發(fā)一款手機(jī)端APP，用于“掃”出課本中的圖片。掃一掃課本中實(shí)驗(yàn)的圖片，手機(jī)上即可顯示出該實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫(huà)（模型可以進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)、放大等操作）。易于操作且簡(jiǎn)單明了。單獨(dú)建立一個(gè)反饋區(qū)，用戶可以在此提出意見(jiàn)，APP將不斷改進(jìn)。

4.4 AR實(shí)驗(yàn)案例

在“觀察磁場(chǎng)對(duì)通電線圈的作用”一實(shí)驗(yàn)中，建立各個(gè)實(shí)驗(yàn)的器材，組合，導(dǎo)入3DS max，進(jìn)行渲染。對(duì)其顏色、材質(zhì)、簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行命令;接著導(dǎo)人Unity3D，將其制作成動(dòng)畫(huà)，導(dǎo)人數(shù)據(jù)庫(kù)保存。圖1為截取動(dòng)畫(huà)的一張靜態(tài)圖。

三維較于二維，有其優(yōu)越性，在傳統(tǒng)教材下，學(xué)生只能通過(guò)老師的講解來(lái)理解實(shí)驗(yàn)，這是非常困難的。將其制作成動(dòng)畫(huà)，可以非常方便、直觀地看出實(shí)驗(yàn)過(guò)程。如在本實(shí)驗(yàn)中，可以清楚地看到通電線圈平面與磁感線的位置變化，方便學(xué)生理解重點(diǎn)及難點(diǎn);可以手動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的局部進(jìn)行放大或縮小，以及旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，使學(xué)生更加方便理解實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)論

這種半虛擬的教學(xué)模式，有效地解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象過(guò)于抽象，操作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)變量控制不易、實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴而不能全面參與的困境;將中學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)通過(guò)3D導(dǎo)入動(dòng)畫(huà)，制作動(dòng)畫(huà)效果，學(xué)生在使用時(shí)，只需運(yùn)用手機(jī)掃一掃教材圖片即可;操作簡(jiǎn)單易懂，實(shí)驗(yàn)過(guò)程清晰明了，所需材料一部手機(jī)即可——既可以解決傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，又不需要投入過(guò)大，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室。設(shè)計(jì)的手機(jī)端AR物理仿真實(shí)驗(yàn)室APP，有效的將AR技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，改善了傳統(tǒng)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)“老師難教、學(xué)生難理解”的現(xiàn)狀。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

收稿日期：2019-12-15

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910704041）

作者簡(jiǎn)介：成超悅（1998-），女，陜西西安人，本科在讀，主要研究方向?yàn)锳R。