(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

體感交互技術在中學物理教學中的應用

桑妍蓉陸建隆①

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

將體感交互技術應用于中學物理教學，不僅可以幫助教師創(chuàng)設更真實的物理情境,還能優(yōu)化學生的實驗體驗。本文結合具體案例，探討體感交互技術在中學物理教學中的應用。

體感交互;中學物理教學；應用案例

1 體感交互技術概述

體感交互技術又稱動作感應控制技術,是指實現人們不需要直接接觸設備就可以通過肢體動作、眼球轉動、聲音等控制周邊裝置,讓人們身臨其境地與多媒體設備進行交互的技術，被稱為“第三次人機交互革命的原點”。

任天堂2007年推出的Wii和微軟2010年推出的Kinect，使體感交互技術第一次走進公眾視野,這兩款商業(yè)化產品帶來了“體感游戲”這一游戲的新玩法,并且取得了非常不錯的口碑,其中最經典的莫過于“打網球”和“切水果”的游戲。玩家只需要站在電視機前揮動手臂,便可以完成與體感交互設備的互動。主機會分辨玩家做出的動作并與游戲場景進行整合,玩家就可以用簡單的肢體動作進行游戲。相比于機械操作或觸摸式操作,這種人機交互方式更為簡單、自然。

體感交互技術使人們在控制多媒體方式的自然度上達到了一個新的高度，采用體感交互技術時人們無須為實現人機互動而進行額外的學習,減輕了人們對鼠標、鍵盤等非自然的操控方式的依賴,緩解了手指與鼠標、鍵盤的緊張關系,在一定程度上解開了其對用戶自由的限制,使用戶有更多的精力關注于任務本身，并能實現更快速的互動。

2 體感交互技術應用于教學的優(yōu)勢

(1)優(yōu)化學習體驗，激發(fā)學習動機

教師能夠利用體感交互設備整合多樣的教學內容,創(chuàng)設更真實的物理情境,讓學生不再需要憑空想象或是只能觀察投影幕布上的圖像,而是能夠與物理情境進行互動,更直觀地了解物理情境中的各個細節(jié),多種感官并用，增強了物理情境的真實感,使學生更容易沉浸到物理的世界中去。同時,新穎的操作方式會讓學生更愿意親自動手試一試,由此激發(fā)學生的學習興趣。通過利用這種新穎的多媒體技術可以讓教師的教學方式更加多樣,增加課堂的趣味性以及互動性,深深吸引學生的注意力,營造活躍但不散亂的課堂氣氛,進一步激發(fā)學生的學習積極性。

(2)加強師生互動，實現生生互動

師生互動在物理課堂上往往表現為言語互動或行為互動,這兩種互動的最終目的都是進行認知互動。采用體感交互技術的課堂可以有效促進師生間的行為互動,即教師和學生可以同時對同一個對象進行操作,在學生操作的過程中,教師可以幫助學生指出錯誤,引導學生進行正確的操作。這種技術同樣可以應用于多個學生之間,同一小組的學生可以同時控制一臺體感交互設備,實現同時操作功能,增強學生的合作意識。

(3)增加控制距離，升級電子白板

如今許多學校都已引進電子白板代替?zhèn)鹘y(tǒng)投影幕布，電子白板的優(yōu)勢是教師可以直接通過觸摸點擊白板進行操作,即將傳統(tǒng)的鼠標鍵盤控制轉變?yōu)橛|摸控制,讓教師和學生關注的對象一致化。但電子白板仍存在一些問題,比如教師還是需要到講臺上觸摸電子白板才能對其進行操作,無法完全將教師從講臺上解放出來。但是結合了Kinect的體感交互式電子白板則完美地解決了這一問題,教師只需要通過簡單的手勢就能實現PPT的翻頁、圈劃、擦除等動作,教師可以完全自由地融入學生中間,與學生進行良好的互動。

(4)突破思維局限，擴大實驗空間

理想實驗又稱假想實驗,它是人們在頭腦中塑造的理想過程。以往學生只能通過邏輯推理在頭腦中想象該實驗最終會出現的情況,或是觀察教師并不嚴格的演示實驗。在鍛煉學生推理思維能力的基礎上,利用體感交互技術將實驗最大限度地還原，印證學生的推理結果,會讓學生留下更深刻的印象。

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關軟硬件操作環(huán)境。虛擬實驗本身就是多媒體技術輔助的產物,若在此基礎上加入體感交互技術,可以使操作起來更具有真實感,提高學生的動手能力。

3 體感交互技術在物理教學中的應用

3.1 教師層面

(1)創(chuàng)設更真實的物理情境

中學物理教學中創(chuàng)設物理情境的作用是引起學生的學習興趣,激發(fā)學生的學習動機。傳統(tǒng)的創(chuàng)設物理情境方式，常常是教師利用視頻或圖片直觀顯示物理情境。但無論是圖片或是視頻的方式,都無法實現學生與物理情境之間的互動,這會大大減弱情境創(chuàng)設的真實度,從而達不到教師進行物理情景創(chuàng)設的初衷。在原有的物理情境中加入體感交互環(huán)節(jié),則可以實現學生與物理情境之間的互動。

例1：體感交互技術在初中物理“光的傳播”中的應用。該內容的教學目標是讓學生理解并掌握光在同種均勻介質中沿直線傳播的特點。在進行教學時,教師可采用“井底之蛙”這個成語來進行物理情境的引入。傳統(tǒng)的方式是直接提問學生：為什么井底之蛙只能看到一小片天空？此時學生需要想象井底之蛙的處境后進行思考,對于沒有類似生活經驗的學生來說是非常困難的,這樣的物理情境無法發(fā)揮其應有的作用。若將體感交互技術應用到該情境中去,學生便可以成為那只井底之蛙,從井底之蛙的視角看到幕布上的一片天空,然后向左轉頭,向右轉頭。此時,體感交互設備可以捕捉到學生的轉頭動作,從而切換幕布上的可視場景,讓學生了解井底之蛙到底能看到多大天空。這種代入感十足的物理情境更能有效地激發(fā)學生的學習興趣,引發(fā)學生的思考。

(2)繪制物理圖像

體感交互技術本身利用了光學感測和慣性感測,因此可直接利用體感交互技術進行物體加速度的測量,可達到類似于DIS實驗的效果。

例2：體感交互技術在高中物理“自由落體運動”中的應用。該內容傳統(tǒng)的探究方式是：利用打點計時器記錄做近似自由落體運動的重錘的運動過程,再通過對紙帶的分析得到自由落體運動的規(guī)律。隨著DIS實驗的普及,我們可以利用位移傳感器讓電腦自動生成x-t圖像,再利用求導功能輕松找出做自由落體運動的物體的加速度。但是,這個實驗必須做好做自由落體運動傳感器的保護工作,避免損壞,并且在下落的過程中也要避免傳感器轉動,比較困難。若利用體感交互技術中對物體的追蹤功能,可以非常簡單地得到任意物體下落的v-t圖像,如此教師便可利用粉筆頭等材料直接進行實驗。相較于傳統(tǒng)實驗和DIS實驗,結合了體感交互技術的運動學實驗更加方便快捷。

3.2 學生層面

(1)親自動手“做”實驗

體感實驗的優(yōu)勢在于學生不僅可以觀察到物理現象,還能夠感受到物理現象，結合了體感交互技術的物理實驗同樣可以達到異曲同工之妙。在傳統(tǒng)物理實驗中,實驗者往往只扮演實施者這一個角色。然而,如果讓學生成為實驗器材的一部分,不僅可以吸引學生的興趣,還可以讓學生得到更直觀的感受。

例3：體感交互技術在初中物理“探究凸透鏡成像規(guī)律”中的應用。該內容的教學一般是采用探究實驗課的形式,讓學生分組進行實驗探究,利用蠟燭、透鏡、米尺、光屏等實驗器材,探究物距與焦距處于不同關系時,像距與像的性質所對應的變化。如此進行實驗固然方便直觀,但是這樣模式固定的實驗難以引起學生的探究欲望。利用體感交互技術可改進該實驗,學生可以將自己作為物體,在投影屏幕上呈現自己的像。教師可在學生與投影屏幕之間放置一塊透明玻璃板充當透鏡,體感交互技術可感知學生與玻璃板之間的距離,然后根據既定程序,當學生遠離或靠近玻璃板時,投影屏幕上學生自己的像隨之變大或變小、正立或倒立。學生同樣可以通過測量自己與玻璃板之間的距離來確定物距,若將程序升級,還可以直接顯示像距,就可以完成整個凸透鏡成像規(guī)律的實驗探究了。結合體感交互技術的凸透鏡成像規(guī)律實驗,讓學生成為實驗器材的一部分,能夠充分引起學生的興趣,提高教學效果。

(2)運用物理原理“玩”游戲

利用物理原理設計而成的小游戲不勝枚舉,現代智能手機中的物理小游戲利用了重力傳感器等能夠給用戶帶來更多的真實感,但是將其應用于課堂教學中尚有難度。傳統(tǒng)的計算機由于體積龐大無法進行移動而不能進行類似手機APP中的體感游戲。因此,將體感交互技術與計算機進行結合,可以讓學生擁有更好的游戲體驗,成為游戲的掌控者。

例4：體感交互技術在“拋體運動的規(guī)律”中的應用。該內容的教學目標之一是讓學生理解平拋運動的規(guī)律,知道平拋運動的軌跡是一條拋物線。在該教學的最后可以讓學生運用所學到的平拋運動的知識進行游戲，游戲是在空中拋出一個炸彈,炸彈做平拋運動后砸中水面上正在運動的小船。利用傳統(tǒng)的多媒體設備,該游戲只能做到讓學生用鼠標選擇要拋出物體的初速度,當小船運動到適當的位置時點擊發(fā)射按鈕,然后炸彈做平拋運動砸中小船。在這一過程中,學生所做的就是操作鼠標,沒有實驗代入感,而真實進行平拋運動又由于教室場地所限無法進行。體感交互技術可感測用戶肢體動作的加速度,從而判斷用戶的力度。將其應用于此游戲中,學生便可利用真實的“拋”的動作控制炸彈的初速度,如此學生便成為游戲的主角,當學生利用自己所學到的知識取得游戲的勝利時，會進一步提升其對物理的學習興趣,形成良性循環(huán)。

4 存在的問題

盡管體感交互技術應用于中學物理教學有諸多的好處,但就現階段而言還存在著許多的問題。

首先,體感交互技術的發(fā)展還不夠成熟,只能進行一些簡單的動作或手勢識別,骨骼追蹤等精細的動作識別仍在開發(fā)當中。因此,當其應用于實驗教學的時候,有可能會無法分辨學生手部的精細動作從而導致實驗無法正常進行。

其次,雖然體感交互技術相對于普通的人機交互更能給人真實的體驗,但它始終不能代替真實實驗、真實互動帶給學生感官上的沖擊。因此,體感交互技術還需要和VR技術等其他虛擬現實技術進行更多的結合,才能帶給學生更優(yōu)質的學習體驗,更好地解放學生的思想,讓學生進行大膽的想象并且更便捷地實現自己思維中的實驗。

最后,雖然體感交互設備能夠接受多個用戶同時的操作指令,但在真實的課堂中,一個班級的學生由于數量過多無法對同一個對象進行操作,因此教師會將學生分組,那么,一臺體感交互設備必然是不足夠的。因多臺設備距離過近，可能會導致指令的混亂,并且多臺設備也增加了成本,這些問題都是亟待解決的。

[1] 袁旭,劉典煥.體感交互技術在大學課堂的應用研究[J].軟件導刊(教育技術),2016,(5):23-24.

[2] 李青,王青.體感交互技術在教育中的應用現狀述評[J].遠程教育雜志,2015,(1):48-56.

①名師簡介：陸建隆(1962— )，江蘇常州人，南京師范大學教師教育學院教授、碩士生導師，主要研究高考物理命題、物理課程與教學論。