提高现实一鉴开，双缝光影共徘徊——增强现实(AR)在K-12教育的实证案例之六
蔡苏1,2,3，王涛1,3，徐珺岩1,3
(1.南京师范学院教育学部教育技术大学,广州;2.上海师范学院“移动学习”教育部-中国联通联合实验室，上海;3.上海师范学院“VR/AR+教育”实验室，上海)
摘要
实验是教学的重要组成部份，而因为客观条件的限制，许多实验如化学光学实验，在寝室中无法让每个中学生亲自动手操作。提高现实(AR)技术可以通过虚实结合动态模拟实验现象并提供真实空间的自然交互，有效减少了认知难度，迸发了中学生学习兴趣。本文通过介绍上海师范学院“VR/AR+教育”实验室运用提高现实技术对光的双缝干涉探究性实验教学进行研究，展示了AR技术除了能展示现实中仪器设备高昂、操作危险的实验，也能通过自主操作培养中学生的探究能力。
关键词提高现实；化学；光学实验；教育技术
1提高现实与化学实验
化学实验是通过现象及推论来巩固和验证理论教学内容的手段,在教学中发挥着重要作用。但一些自然现象无法直接观察或因为器材、安全等诱因的限制，许多实验在课堂教学中无法举办，如光的双缝干涉、光电效应等实验。在传统教学中，这种实验以老师述说、学生记录记忆为主。而学校时期，中学生的想像力仍未发育完全，因而只通过老师讲授理解其中具象概念，对中学生理解知识具有一定挑战性，而且理解的个中误差会对后续知识的学习导致一定制约。[1]
提高现实(，简称AR)技术以其特有优势，能有效解决上述问题。提高现实技术将现实环境与虚拟景色结合在一起，致使用户可以直接观察在现实生活中无法直接观察的复杂空间关系和具象概念，而且与虚拟物体进行直接互动。而这一特点恰与以中学生为中心，要求中学生由被动接受者弄成信息加工主体的建构主义学习理论相吻合。另一方面，基于平板的联通学习是未来新的学习方法，提高现实技术与联通设备相结合有助于中学生自主学习的举办，对培养中学生的探究能力亦将大有益处。
2计算机辅助的双缝干涉实验教学
光的双缝干涉实验是小学数学教学的重要实验之一，中学生通过观察实验现象，理解光的干涉原理。但该实验器材高昂，部份中学资金短缺而未能选购；实验过程包含激光的使用物理实验室AR，其如操作不当，具有一定的危险性；订购了仪器设备的校区也只是由老师在讲台演示，中学生难以亲自进行实验或仅体验一次，对知识的深入理解与探究学习导致制约。
而计算机辅助实验能否突破时空和仪器设备的限制,将复杂的化学实验转换为可控有序的演变过程,清晰地呈现在中学生面前，填补中学生直观觉得的不足,增加其具象思维的难度,提高教学疗效。因而使用计算机辅助实验举办，可以提供愈发理想的教学环境。
2.1
基于平面Flash的化学仿真双缝干涉实验
基于Flash的化学仿真双缝干涉实验，可以突破客观条件的限制物理实验室AR，在构建模型后，通过给定参数进行求解获取数据，并转换输出格式以直观形式呈现[2]。但因为平面无法彰显立体空间的光线变化，可能对中学生理解导致一定的制约，对实验演示导致一定的限制。同时，该方式呈现的虚假实验场景与现实毫无关联，使用键盘、键盘的交互体验不太理想,可能难以挺好的迸发中学生学习热情。
2.2
基于3D仿真的双缝干涉实验演示
双缝干涉实验演示可通过三维图形编程实现，支持装置旋转、介质添加与数据处理，可以直观生动的进行动态演示、操作便捷，有利于加深中学生对双缝干涉实验的理解。[3]但因为该仿真实验呈现的也是完全虚拟的环境，且通过键盘、键盘等进行交互，属于非自然交互，实验疗效不太理想。
2.3
AR模拟双缝干涉实验
提高现实技术因为其特有的虚实结合性与自然交互性，可帮助光的双缝干涉实验有效举办。AR技术将虚拟模型与真实环境相结合，容许中学生在自己的桌子上直接使用右手进行实验操作；而且交互性强，中学生可以自主调节相关参数，观察相应实验现象借此可以增强对实验的还原度，减少思维难度，培养中学生的探究能力；AR开发环境还可以直观显示实验中各参数值，为中学生发觉双缝干涉实验的规律提供支持，有助于中学生把握相关数学概念和规律。而且提高现实技术与联通终端相结合，促使随时随地的学习与实验成为可能，有效满足中学生的探究欲望。
3“VR/AR+教育”实验室举办AR双缝干涉实验教学的实证案例
作为国外最早举办课堂AR教学并持续探求的团队，杭州师范学院教育技术大学“VR/AR+教育”实验室（）设计和开发了基于AR技术的双缝干涉仪DSIAR(Slit-AR)，该应用除了彰显了提高现实技术的演示性优势，还有效借助了其自然交互的特点，为课堂教学带了挺好的疗效。
3.1
DSIAR概览
DSIAR可在联通设备或则PC机上运行。软件建立主要是将3DSMax的构建双缝干涉的激光源、双缝和光屏的3D模型移植到Unity3D环境中，并添加交互行为的代码。通过插件,DSIAR可以将现实与虚拟叠加，建立实时的交互环境。
处理过程可分为大致三个阶段：捕获真实场景、追踪定位卡片、虚拟环境渲染。该应用的执行须要三种不同卡片，如图1所示。三种卡片对应激光源、双缝和光屏三种实验器材，当镜头捕获到卡片时，分别呈现虚拟的的激光源、双缝和光屏，并按照用户的操作估算相应参数（包括双缝间的距离，双缝与屏的距离），且参数的改变可实时显示下来。
图1DSIAR卡片标记
3.2
用户操作
使用该软件进行实验时，只需打开手机启动程序，在自己的椅子上（现实空间中）依次摆放三张卡片，在出现实验界面后，用手直接联通卡片，观察实验现象及相应参数的变化，获取数据，从中归纳总结双缝干涉实验的规律。
实验中，设双缝宽度为d，狭缝与屏的距离为L，光的波长为λ，相邻两个亮白色或暗白色间的距离为△x，则双缝实验公式为△x=λL/d，实验现象如图2所示。
（1）当d,L不变时，△x随λ的减小而减小，反之，△x随λ的减少而减少。
（2）当λ,d不变时，△x随L的减小而减小，反之，△x随L的减少而减少。
（3）当λ,L不变时，△x随d的减小而降低，反之，△x随d的减少而减小。
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图2AR光的双缝干涉实验现象
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3.3
实验结果
通过预实验评估该应用的可靠性与实用性。我们随机抽取未曾使用过AR技术的一名老师与三名中学生进行调查。首先，对应用及其功能进行简单介绍，并给每人三十分钟时间熟悉及体验该应用。接着，对其进行专访，寻问其对于该应用的体会及建议。通过采访，我们得出以下推论：
（1）通过卡片联通引起的现象改变是符合现实的。
在体验之后，老师抒发了想在课堂里使用该应用的心愿，“它对本节课的学习提供了巨大帮助，有了它，内容不再是无聊和具象的了”，老师觉得该应用的模拟与现实相匹配。
（2）所有中学生都觉得该应用是新奇和有趣的。
对中学生而言，虚实结合的环境是新颖独特的。她们说“这是全新的交互方法，我可以用手直接在真实空间中操纵物体”；“我未曾通过这些应拿来学习，假如可以将它用在日常学习，那应当会很有趣”。该应用吸引中学生们的注意力，并给她们留下深刻的印象。但该应用对学习疗效形成的影响有待于进一步的大样本实验验证相关结果。
4总结
本文探究了提高现实技术与智能设备在双缝干涉实验中的应用。AR技术的虚实结合性和交互性可帮助实验的有效举办，吸引中学生注意与迸发学习兴趣，提升中学生参与度，并促使随时随地的学习成为可能。
化学学科有大量实验，意味着在数学领域提高现实技术发展潜力巨大。在未来的数学教学中,我们应深度开掘学科规律,利用VR/AR学习环境,建立技术平台支撑下的新型教学模式,致使其有效辅助班主任进行教学，并综合不同教学手段，达到更优的学习疗效。[4]
参考文献
[1]WangT.,ZhangH.,XueX.R.,CaiS.(2018)-Basedin-Slit.In:AuerM.,ZutinD.(eds)&of.Notesinand,vol22.,Cham.701-707
[2]祝玉亮.(2011).基于Flash的中学数学仿真实验的设计与实现.(博士论文,广东师范学院).
[3]陈梅,&王健.(2016).基于杨氏双缝干涉实验的演示.电子技术,45(11).1-3
[4]蔡苏,张晗,薛晓茹,王涛,王沛文,&张泽.(2017).提高现实(ar)在教学中的应用案例评析.中国电化教育(3),1-9.
美编丨徐雪迎
总编丨徐珺岩
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