AR 理科教学 - vr在教育领域的应用案例分析

（三）AR 理科教学

有大量学者把AR 运用在理科教学中，以此增强学习者对现实情境的视觉感知能力。克拉瓦拉等人演示过一个天文学教学的例子，在AR 环境中老师和学生可通过旋转虚拟地球探究太阳和地球、白天和黑夜的关系。蔡苏等人将AR 和Kinect 体感设备相结合能使磁场可视化。学生在学习有关磁场的知识时，通过手势能与设备进行实时交互，从而了解磁场的分布和变化。维也纳理工大学研究人员就曾做过专门的力学教学展示，通过AR 物理引擎模拟力学领域的物理实验，分析物体质量、受力、运动路径等参数。但利用该系统教学需要配置较昂贵的头盔、立体眼镜等设备。

北京师范大学蔡苏团队研发的基于AR 的凸透镜成像实验通过实证探索了AR 技术对八年级学生物理学习效果以及深层次认知方面的影响。基于AR 的凸透镜成像教具通过使用三个不同的标记卡片来模拟蜡烛、凸透镜和荧光屏。当摄像机捕获到标记卡片时， 凸透镜的3D 模型与用于标记焦距和两倍焦距数据的平行数轴等参数都将显示在屏幕上。将蜡烛标记卡片和屏幕标记卡片分别放置于凸透镜标记卡片的两边，屏幕将基于蜡烛和凸透镜之间的距离自动呈现相关的图像，如果调节蜡烛和凸透镜之间的距离，屏幕上的图像将根据凸透镜成像规则实时变化。假设物距为u，像1u 1 + = v 1f 距为v，焦距为f。根据凸透镜成像的公式， 当u《f 时，成虚像；当u=f 时，光屏不呈现像；当u》f 时， 光屏会呈现实像。实验结果表明AR 对成绩较落后的学生具有更大的影响。

北京师范大学蔡苏团队研发的微观粒子交互式实验主要是对中学化学课程中基于增强现实的学习工具的补救性学习效果的研究。实验设计包含如表2 所示的四个部分。

该软件使用Java 语言开发，使用了NyArToolkit、Java3D 以及JMF（Java Media Framework，Java 媒体框架） 的软件包。通过捕获标签的位置来呈现不同的结构层次以及原子的各种组合。图5 和图6 展示了水和钻石两个实例的操作。如图5（a） 所示，屏幕中放入了两个氢原子和一个氧原子。当慢慢将两个氢原子向氧原子靠近时，一个水分子便形成了，如图5（b） 所示。学生可以拿起水分子靠近摄像头来观察它的结构，若将标签向上抬高， 即可看到屏幕出现一滴水滴，如图5（c） 和图5（d） 所示。

在认识和学习金刚石的内部结构时，探究活动要求学生使用碳原子构造金刚石晶体。首先，使用碳原子和化学键搭建金刚石的正四面体单元，如图6（a） 所示。此外，研究者将使用学生搭建的正四面体单元组建一个完整的金刚石结构，如图6（b）所示。学生可以从桌子上的另一个标签所呈现的物体得到提示，他们搭建的金刚石结构就是钻石的内部结构，这将化学和日常社会生活联系到了一起。

研究表明AR 工具可以较好地帮助学生记忆原子的结构。在传统课堂上，仅通过老师的简单指导，学生对于知识的理解程度和记忆持久性较低。但基于AR 的软件教学可调动学生积极性，促使其注意力更加集中。在直观地看到仿真模型并与其交互后，学生对所学知识的印象也更加深刻。AR 工具能提高学生在实验探究中的操作能力。相比于键盘、鼠标与计算机的操作， 直接通过AR技术提高活动参与感的这种方式对程序性知识的识记效果更好。同时，学生也对这个工具提出了一些建议，例如他们希望物质的模拟现象能更加逼真，另外还可以加入一些卡通或者动画元素使软件变得更有趣。

李淑惠等人实施了中学数学概率知识点中的经典抛硬币实验。实验工具为研究者开发的基于AR 的Android 平台上的应用程序——抛硬币。在游戏开始前，学生可以设定两个参数：间隔时间与识别时间。其中， 间隔时间是指摄像头两次识别硬币之间的最短间隔时间，识别时间为摄像头成功识别一次硬币的最短停留时间。游戏启动后，移动设备的摄像头能够捕捉并识别画面中硬币的正、反面状态，并在屏幕中显示相应的3D 模型以提示用户该硬币已被成功识别。一旦识别成功，系统会为硬币的当前状态自动计数，同时更新已识别的正、反面次数和频率。如图7 所示，系统左上角记录硬币的正、反面次数，右下角折线图可实时更新正面频率。将实验对象分为两人一组，分别负责硬币的抛掷和识别，进行多次数据统计。当学生退出游戏后，此次游戏的历史数据将被保存在数据库中。硬币抛的次数越多，其正、反面出现的概率就均越接近50%。这个实验既能快速统计大样本实验的数据， 又能让学生真正体验到游戏动作“抛”的感觉。研究结果表明，当使用AR 工具进行数学教学时，学生的学习积极性均有显著的提高。