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1概述

在我國傳統物理實驗教學中，由于實驗現象過于抽象、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象與原理。尤其在我國偏遠山區和部分經濟發展較低的鄉村地區，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。為了學生的全面發展，同時能夠更好地達到實驗教程的目的。對此，基于Solidworks、3DSmax、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虛擬物理實驗過程。將AR技術與傳統實驗教學相結合，它能有效地改善傳統教學中實驗“老師難教、學生難理解”的現狀，解決傳統實驗教學中存在的諸多問題：實驗設備不齊全、實驗環境受限、等問題，對培養學生自主探究、創新思維，提高學生綜合素質具有重要意義[1]。

2傳統實驗與虛擬實驗的對比

傳統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象觀察和分析。學生通過觀察實驗現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象。傳統演示實驗中絕大多數實驗由于有些儀器尺寸不夠大，演示現象的變化量很微弱等原因，往往后面的學生看不清實驗現象。傳統實驗的優點在于：1)真實試驗能給學生“真實感”，大量的數據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(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)[3]。

3虛擬實驗

虛擬實驗是一個建立在虛擬的實驗環境(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實結合，通過實驗來完成我們生活中不方便完成的實驗現象。虛擬實驗的優勢在于：1)提升教學效果。三維立體的表現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，最大限度地發揮出虛擬元器件資源的優勢，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境，使學習者有置身其中的感覺，能夠實現互動實驗教學。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，模擬不了現實中隨機遇到的問題。3)虛擬實驗系統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已有的經驗進行綜合應用。

4基于手機端的AR虛擬實驗室開發

傳統實驗與虛擬實驗都有其的優越性與不足之處，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；在演示實驗環節，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)[4]。項目中的模型渲染及格式轉換使用了3DSmax。3DSmax是基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件，廣泛應用于廣告、影視、工業設計、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3DSMax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。項目開發手機APP使用了Unity3D。Unity3D是可創建諸多類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，同時整合了AR開發插件——Vuforia，支持JavaScript、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為中學課程中所必學的實驗，現階段選出如下實驗：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、探究光的反射規律、探究平面鏡成像與物的關系、探究凹凸鏡成像的規律、連接簡單的串并聯電路、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為中學課程中所必學的實驗。(現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入手，進而深入研究。(現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)根據教材中的已有的實驗進行挑選，選出較為經典、不易理解的實驗，根據教材中實驗的圖片，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(1)中建立的模型，將其導入3DSmax，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)制作一個數據庫，將所做的全部實驗保存；研發一款手機端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，用戶可以在此提出意見，APP將不斷改進。4.4AR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3DSmax，進行渲染。對其顏色、材質、簡單旋轉動作進行命令；接著導入Unity3D，將其制作成動畫，導入數據庫保存。圖1為截取動畫的一張靜態圖。三維較于二維，有其優越性，在傳統教材下，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，有效地解決了傳統實驗中學生由于實驗現象過于抽象、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技術與傳統實驗教學相結合，改善了傳統教學中實驗“老師難教、學生難理解”的現狀。

參考文獻：

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

[2]鳥大琨,耿完禎,趙海發,等.虛擬實驗與傳統實驗在教學中的優勢互補[A].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.傳統有機化學實驗教學模式的弊端及其改革[J].內蒙古民族大學學報,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.3DSMax三維建模與動畫設計實踐教程[M].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[J].中國新技術新產,2019,399(17):19-20.

作者:成超悅 劉佳 鄭靖軒 趙旭 李克凡 單位:西安科技大學理學院