成超悅 劉佳 鄭靖軒 趙旭 李克凡

摘要：傳統(tǒng)中學實驗教學中，由于實驗現(xiàn)象過于抽象、實驗儀器昂貴、操作復雜等原因，學生們很難直觀的掌握其物理現(xiàn)象與原理。對此，基于Solidworks、3DS max、Unity3D等軟件，建立中學各個實驗的立體模型，并制作實驗過程中的動畫效果。將AR技術與傳統(tǒng)實驗教學相結合，解決傳統(tǒng)實驗教學存在的實驗設備不全、實驗環(huán)境受限、實驗過程缺乏創(chuàng)造性等問題，對培養(yǎng)學生自主探究、創(chuàng)新思維，提高學生綜合素質(zhì)具有重要意義。

關鍵詞：中學實驗;AR虛擬;三維模型;Solidworks

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）05-0211-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 概述

在我國傳統(tǒng)物理實驗教學中，由于實驗現(xiàn)象過于抽象、實驗儀器昂貴、操作復雜、實驗變量控制不易、實驗周期較長等原因，學生們很難清晰明了的理解實驗現(xiàn)象與原理。尤其在我國偏遠山區(qū)和部分經(jīng)濟發(fā)展較低的鄉(xiāng)村地區(qū)，教學設施落后，學生在學習物理實驗時只能自己想象整個實驗過程。

為了學生的全面發(fā)展，同時能夠更好地達到實驗教程的目的。對此，基于Solidworks、3DS max、Unity3D等軟件，建立中學各個實驗的立體模型，并制作出實驗過程中的動畫效果，設計開發(fā)一款手機端AR物理仿真實驗室APP，應用手機端APP掃一掃中學課本上物理實驗圖片實現(xiàn)虛擬物理實驗過程。

將AR技術與傳統(tǒng)實驗教學相結合，它能有效地改善傳統(tǒng)教學中實驗“老師難教、學生難理解”的現(xiàn)狀，解決傳統(tǒng)實驗教學中存在的諸多問題：實驗設備不齊全、實驗環(huán)境受限、等問題，對培養(yǎng)學生自主探究、創(chuàng)新思維，提高學生綜合素質(zhì)具有重要意義[1]。

2 傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗的對比

傳統(tǒng)中學實驗一般是教師在課堂上通過操作演示讓學生看的實驗，通過演示指導學生對演示的實驗現(xiàn)象觀察和分析。學生通過觀察實驗現(xiàn)象和老師引導分析問題，學生能更深刻地理解物理概念和規(guī)律。但演示實驗最重要的一點，是必須具有一定的可見度，要求保證所有學生均能清晰明了的觀察實驗現(xiàn)象。傳統(tǒng)演示實驗中絕大多數(shù)實驗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，往往后面的學生看不清實驗現(xiàn)象。

傳統(tǒng)實驗的優(yōu)點在于：

1）真實試驗能給學生“真實感”，大量的數(shù)據(jù)結果也只能通過真實實驗才能得到。實驗可以增強學生的直觀感，便于理解實驗中抽象的概念，使學生增加對實驗的興趣。

2）在學生動手操作的過程中，會遇到現(xiàn)實生活中可能遇到的問題，通過采取相應措施并解決，在以后實際中遇到這類問題時，便于解決。

3）實驗前教師準備好實驗器材、調(diào)試好儀器設備，一般還要對實驗步驟進行詳細講解，甚至操作示范。實驗教材也將實驗原理、步驟甚至某些實驗現(xiàn)象等寫得一清二楚，使學生清楚明白實驗的全過程及其中注意事項[2]。

傳統(tǒng)實驗的缺點在于：

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

2）有些實驗耗時長，教學實驗時間不夠，演示實驗得不到理想中的效果，如：布朗運動的模擬實驗。

3）有些實驗效果不易觀察，如：波動相位儀演示模擬波的傳播f時間太短，演示過程無法觀察波的周期、相位變化）、打點計時器測量加速度（演示過程太快無法觀察某一特定的運動狀態(tài)）[3]。

3 虛擬實驗

虛擬實驗是一個建立在虛擬的實驗環(huán)境（平臺仿真）之上，注重的是實驗操作的交互性和實驗結果的仿真性。虛擬實驗的效果就在于能與現(xiàn)實結合，通過實驗來完成我們生活中不方便完成的實驗現(xiàn)象。

虛擬實驗的優(yōu)勢在于：

1）提升教學效果。三維立體的表現(xiàn)形式讓抽象的實驗過程逼真的演示出來，教師可以結合實際的教學需求，最大限度地發(fā)揮出虛擬元器件資源的優(yōu)勢，提升教學效果。

2）完成不可能的實驗。幫助教師進行課堂實驗演示。如受客觀條件影響較大的實驗、實驗周期較長的實驗、實驗結果不易觀察的實驗，可以安全、直觀的展示出來。

3）增強課堂趣味性：借助對多媒體（音頻、視頻、圖像）技術、虛擬仿真技術、傳感技術、輸入輸出技術構建了一種虛擬的實驗教學環(huán)境，使學習者有置身其中的感覺，能夠實現(xiàn)互動實驗教學。

4）方便高效的教學輔助工具：各種大小實驗應有盡有，且無器材損耗，和實驗室零距離，隨時隨地都可進行實驗。

虛擬實驗的不足在于：

1）實驗真實感不強，鍵盤和鼠標無法帶給學生真實的感覺。

2）虛擬實驗是人們根據(jù)真實實驗利用計算機語言編寫出來的，人的認知范圍決定實驗的仿真程度，模擬不了現(xiàn)實中隨機遇到的問題。

3）虛擬實驗系統(tǒng)自身的局限性限制了學生的活動空間，學生不能很好地根據(jù)已有的經(jīng)驗進行綜合應用。

4 基于手機端的AR虛擬實驗室開發(fā)

傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗都有其的優(yōu)越性與不足之處，基于這兩種教學模式的改進，提出一種新的教學方案：在教學上，仍運用傳統(tǒng)教學方案，教師在課前對實驗步驟和注意事項進行詳細的講解;在演示實驗環(huán)節(jié)，學生通過手機端掃一掃教材圖片進入該實驗的視頻，全面觀察到實驗的詳細過程。

4.1 所應用的軟件

本項目中的3D初始建模使用了SolidWorks中的3D實體建模功能。使用Solidworks建模，可以加快設計開發(fā)和出詳圖的速度，改進直觀顯示和交流，消除設計干涉問題，檢查設計功能和性能（減少樣機的生產(chǎn)）[4]。

項目中的模型渲染及格式轉換使用了3DSmax。3DSmax是基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染和制作軟件，廣泛應用于廣告、影視、工業(yè)設計、建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域[5]。安裝插件（plugins）可提供3DS Max所沒有的功能以及增強原本的功能，強大的角色（Character）動畫制作能力，可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。

項目開發(fā)手機APP使用了Unity3D。Unity3D是可創(chuàng)建諸多類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，同時整合了AR開發(fā)插件-Vuforia，支持Java Script、C#、Boo腳本語言[6]。

4.2 項目中的實驗

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

2）化學實驗：從初中和高中的教材出發(fā)為中學課程中所必學的實驗。（現(xiàn)階段以物理實驗為主，后期補充化學實驗。）

3）大學工程制圖：從大學簡明工程制圖人手，進而深入研究。（現(xiàn)階段以物理實驗為主，后期補充化學實驗。）

4.3 項目制作流程

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

2）根據(jù)（1）中建立的模型，將其導入3DS max，進行模型顏色的選擇、渲染以及簡單的旋轉等動作使得整個模型更加鮮活;學生可以手動來旋轉實驗的部位，以此更加了解實驗的過程。在這一階段，主要使得模型更加形象具體。

3）將建立好的模型導入Unity3D中，讓其固定一個軸，做出整個實驗的動畫效果并將重難點標出;并且可以通過人手來旋轉實驗各個方位，學生可以更為方便的了解實驗的全部過程，知道易錯點，在這一階段，主要制作實驗的整個動畫效果。

4）制作一個數(shù)據(jù)庫，將所做的全部實驗保存;研發(fā)一款手機端APP，用于“掃”出課本中的圖片。掃一掃課本中實驗的圖片，手機上即可顯示出該實驗的動畫（模型可以進行任意旋轉、放大等操作）。易于操作且簡單明了。單獨建立一個反饋區(qū)，用戶可以在此提出意見，APP將不斷改進。

4.4 AR實驗案例

在“觀察磁場對通電線圈的作用”一實驗中，建立各個實驗的器材，組合，導入3DS max，進行渲染。對其顏色、材質(zhì)、簡單旋轉動作進行命令;接著導人Unity3D，將其制作成動畫，導人數(shù)據(jù)庫保存。圖1為截取動畫的一張靜態(tài)圖。

三維較于二維，有其優(yōu)越性，在傳統(tǒng)教材下，學生只能通過老師的講解來理解實驗，這是非常困難的。將其制作成動畫，可以非常方便、直觀地看出實驗過程。如在本實驗中，可以清楚地看到通電線圈平面與磁感線的位置變化，方便學生理解重點及難點;可以手動對實驗的局部進行放大或縮小，以及旋轉的動作，使學生更加方便理解實驗。

5 結論

這種半虛擬的教學模式，有效地解決了傳統(tǒng)實驗中學生由于實驗現(xiàn)象過于抽象，操作復雜、實驗變量控制不易、實驗周期較長、實驗儀器昂貴而不能全面參與的困境;將中學教材中的實驗通過3D導入動畫，制作動畫效果，學生在使用時，只需運用手機掃一掃教材圖片即可;操作簡單易懂，實驗過程清晰明了，所需材料一部手機即可——既可以解決傳統(tǒng)教學實驗中的問題，又不需要投入過大，建立虛擬實驗室。設計的手機端AR物理仿真實驗室APP，有效的將AR技術與傳統(tǒng)實驗教學相結合，改善了傳統(tǒng)教學中實驗“老師難教、學生難理解”的現(xiàn)狀。

參考文獻：

[1]余建平，付佳.虛擬仿真與傳統(tǒng)實驗教學的結合[J].新教育時代電子雜志，2016（32）：18-19.

[2]鳥大琨，耿完禎，趙海發(fā)，等.虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗在教學中的優(yōu)勢互補[Al.2008年全國高等學校物理基礎課程教育學術研討會論文集[C].北京：中國物理學會教學委員會高校分委員會，2008：94-97.

[3]努娜，莫日根，傳統(tǒng)有機化學實驗教學模式的弊端及其改革[J]-內(nèi)蒙古民族大學學報，2009，15（4）：45-46.

[4]姜海軍.SolidWorks項目教程[M].西安：長安大學出版社，2010：7-9.

[5]伊新梅.3DS Max三維建模與動畫設計實踐教程[Ml.北京：清華大學出版社，2011：3-5.

[6]周海洋.基于Unity的高中化學AR教輔軟件的開發(fā)[J].中國新技術新產(chǎn)，2019，399（17）：19-20.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

收稿日期：2019-12-15

基金項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201910704041）

作者簡介：成超悅（1998-），女，陜西西安人，本科在讀，主要研究方向為AR。