体感交互技术在中学物理教学中的应用

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

体感交互技术在中学物理教学中的应用

桑妍蓉陆建隆①

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

将体感交互技术应用于中学物理教学，不仅可以帮助教师创设更真实的物理情境,还能优化学生的实验体验。本文结合具体案例，探讨体感交互技术在中学物理教学中的应用。

体感交互;中学物理教学；应用案例

1 体感交互技术概述

体感交互技术又称动作感应控制技术,是指实现人们不需要直接接触设备就可以通过肢体动作、眼球转动、声音等控制周边装置,让人们身临其境地与多媒体设备进行交互的技术，被称为“第三次人机交互革命的原点”。

任天堂2007年推出的Wii和微软2010年推出的Kinect，使体感交互技术第一次走进公众视野,这两款商业化产品带来了“体感游戏”这一游戏的新玩法,并且取得了非常不错的口碑,其中最经典的莫过于“打网球”和“切水果”的游戏。玩家只需要站在电视机前挥动手臂,便可以完成与体感交互设备的互动。主机会分辨玩家做出的动作并与游戏场景进行整合,玩家就可以用简单的肢体动作进行游戏。相比于机械操作或触摸式操作,这种人机交互方式更为简单、自然。

体感交互技术使人们在控制多媒体方式的自然度上达到了一个新的高度，采用体感交互技术时人们无须为实现人机互动而进行额外的学习,减轻了人们对鼠标、键盘等非自然的操控方式的依赖,缓解了手指与鼠标、键盘的紧张关系,在一定程度上解开了其对用户自由的限制,使用户有更多的精力关注于任务本身，并能实现更快速的互动。

2 体感交互技术应用于教学的优势

(1)优化学习体验，激发学习动机

教师能够利用体感交互设备整合多样的教学内容,创设更真实的物理情境,让学生不再需要凭空想象或是只能观察投影幕布上的图像,而是能够与物理情境进行互动,更直观地了解物理情境中的各个细节,多种感官并用，增强了物理情境的真实感,使学生更容易沉浸到物理的世界中去。同时,新颖的操作方式会让学生更愿意亲自动手试一试,由此激发学生的学习兴趣。通过利用这种新颖的多媒体技术可以让教师的教学方式更加多样,增加课堂的趣味性以及互动性,深深吸引学生的注意力,营造活跃但不散乱的课堂气氛,进一步激发学生的学习积极性。

(2)加强师生互动，实现生生互动

师生互动在物理课堂上往往表现为言语互动或行为互动,这两种互动的最终目的都是进行认知互动。采用体感交互技术的课堂可以有效促进师生间的行为互动,即教师和学生可以同时对同一个对象进行操作,在学生操作的过程中,教师可以帮助学生指出错误,引导学生进行正确的操作。这种技术同样可以应用于多个学生之间,同一小组的学生可以同时控制一台体感交互设备,实现同时操作功能,增强学生的合作意识。

(3)增加控制距离，升级电子白板

如今许多学校都已引进电子白板代替传统投影幕布，电子白板的优势是教师可以直接通过触摸点击白板进行操作,即将传统的鼠标键盘控制转变为触摸控制,让教师和学生关注的对象一致化。但电子白板仍存在一些问题,比如教师还是需要到讲台上触摸电子白板才能对其进行操作,无法完全将教师从讲台上解放出来。但是结合了Kinect的体感交互式电子白板则完美地解决了这一问题,教师只需要通过简单的手势就能实现PPT的翻页、圈划、擦除等动作,教师可以完全自由地融入学生中间,与学生进行良好的互动。

(4)突破思维局限，扩大实验空间

理想实验又称假想实验,它是人们在头脑中塑造的理想过程。以往学生只能通过逻辑推理在头脑中想象该实验最终会出现的情况,或是观察教师并不严格的演示实验。在锻炼学生推理思维能力的基础上,利用体感交互技术将实验最大限度地还原，印证学生的推理结果,会让学生留下更深刻的印象。

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境。虚拟实验本身就是多媒体技术辅助的产物,若在此基础上加入体感交互技术,可以使操作起来更具有真实感,提高学生的动手能力。

3 体感交互技术在物理教学中的应用

3.1 教师层面

(1)创设更真实的物理情境

中学物理教学中创设物理情境的作用是引起学生的学习兴趣,激发学生的学习动机。传统的创设物理情境方式，常常是教师利用视频或图片直观显示物理情境。但无论是图片或是视频的方式,都无法实现学生与物理情境之间的互动,这会大大减弱情境创设的真实度,从而达不到教师进行物理情景创设的初衷。在原有的物理情境中加入体感交互环节,则可以实现学生与物理情境之间的互动。

例1：体感交互技术在初中物理“光的传播”中的应用。该内容的教学目标是让学生理解并掌握光在同种均匀介质中沿直线传播的特点。在进行教学时,教师可采用“井底之蛙”这个成语来进行物理情境的引入。传统的方式是直接提问学生：为什么井底之蛙只能看到一小片天空？此时学生需要想象井底之蛙的处境后进行思考,对于没有类似生活经验的学生来说是非常困难的,这样的物理情境无法发挥其应有的作用。若将体感交互技术应用到该情境中去,学生便可以成为那只井底之蛙,从井底之蛙的视角看到幕布上的一片天空,然后向左转头,向右转头。此时,体感交互设备可以捕捉到学生的转头动作,从而切换幕布上的可视场景,让学生了解井底之蛙到底能看到多大天空。这种代入感十足的物理情境更能有效地激发学生的学习兴趣,引发学生的思考。

(2)绘制物理图像

体感交互技术本身利用了光学感测和惯性感测,因此可直接利用体感交互技术进行物体加速度的测量,可达到类似于DIS实验的效果。

例2：体感交互技术在高中物理“自由落体运动”中的应用。该内容传统的探究方式是：利用打点计时器记录做近似自由落体运动的重锤的运动过程,再通过对纸带的分析得到自由落体运动的规律。随着DIS实验的普及,我们可以利用位移传感器让电脑自动生成x-t图像,再利用求导功能轻松找出做自由落体运动的物体的加速度。但是,这个实验必须做好做自由落体运动传感器的保护工作,避免损坏,并且在下落的过程中也要避免传感器转动,比较困难。若利用体感交互技术中对物体的追踪功能,可以非常简单地得到任意物体下落的v-t图像,如此教师便可利用粉笔头等材料直接进行实验。相较于传统实验和DIS实验,结合了体感交互技术的运动学实验更加方便快捷。

3.2 学生层面

(1)亲自动手“做”实验

体感实验的优势在于学生不仅可以观察到物理现象,还能够感受到物理现象，结合了体感交互技术的物理实验同样可以达到异曲同工之妙。在传统物理实验中,实验者往往只扮演实施者这一个角色。然而,如果让学生成为实验器材的一部分,不仅可以吸引学生的兴趣,还可以让学生得到更直观的感受。

例3：体感交互技术在初中物理“探究凸透镜成像规律”中的应用。该内容的教学一般是采用探究实验课的形式,让学生分组进行实验探究,利用蜡烛、透镜、米尺、光屏等实验器材,探究物距与焦距处于不同关系时,像距与像的性质所对应的变化。如此进行实验固然方便直观,但是这样模式固定的实验难以引起学生的探究欲望。利用体感交互技术可改进该实验,学生可以将自己作为物体,在投影屏幕上呈现自己的像。教师可在学生与投影屏幕之间放置一块透明玻璃板充当透镜,体感交互技术可感知学生与玻璃板之间的距离,然后根据既定程序,当学生远离或靠近玻璃板时,投影屏幕上学生自己的像随之变大或变小、正立或倒立。学生同样可以通过测量自己与玻璃板之间的距离来确定物距,若将程序升级,还可以直接显示像距,就可以完成整个凸透镜成像规律的实验探究了。结合体感交互技术的凸透镜成像规律实验,让学生成为实验器材的一部分,能够充分引起学生的兴趣,提高教学效果。

(2)运用物理原理“玩”游戏

利用物理原理设计而成的小游戏不胜枚举,现代智能手机中的物理小游戏利用了重力传感器等能够给用户带来更多的真实感,但是将其应用于课堂教学中尚有难度。传统的计算机由于体积庞大无法进行移动而不能进行类似手机APP中的体感游戏。因此,将体感交互技术与计算机进行结合,可以让学生拥有更好的游戏体验,成为游戏的掌控者。

例4：体感交互技术在“抛体运动的规律”中的应用。该内容的教学目标之一是让学生理解平抛运动的规律,知道平抛运动的轨迹是一条抛物线。在该教学的最后可以让学生运用所学到的平抛运动的知识进行游戏，游戏是在空中抛出一个炸弹,炸弹做平抛运动后砸中水面上正在运动的小船。利用传统的多媒体设备,该游戏只能做到让学生用鼠标选择要抛出物体的初速度,当小船运动到适当的位置时点击发射按钮,然后炸弹做平抛运动砸中小船。在这一过程中,学生所做的就是操作鼠标,没有实验代入感,而真实进行平抛运动又由于教室场地所限无法进行。体感交互技术可感测用户肢体动作的加速度,从而判断用户的力度。将其应用于此游戏中,学生便可利用真实的“抛”的动作控制炸弹的初速度,如此学生便成为游戏的主角,当学生利用自己所学到的知识取得游戏的胜利时，会进一步提升其对物理的学习兴趣,形成良性循环。

4 存在的问题

尽管体感交互技术应用于中学物理教学有诸多的好处,但就现阶段而言还存在着许多的问题。

首先,体感交互技术的发展还不够成熟,只能进行一些简单的动作或手势识别,骨骼追踪等精细的动作识别仍在开发当中。因此,当其应用于实验教学的时候,有可能会无法分辨学生手部的精细动作从而导致实验无法正常进行。

其次,虽然体感交互技术相对于普通的人机交互更能给人真实的体验,但它始终不能代替真实实验、真实互动带给学生感官上的冲击。因此,体感交互技术还需要和VR技术等其他虚拟现实技术进行更多的结合,才能带给学生更优质的学习体验,更好地解放学生的思想,让学生进行大胆的想象并且更便捷地实现自己思维中的实验。

最后,虽然体感交互设备能够接受多个用户同时的操作指令,但在真实的课堂中,一个班级的学生由于数量过多无法对同一个对象进行操作,因此教师会将学生分组,那么,一台体感交互设备必然是不足够的。因多台设备距离过近，可能会导致指令的混乱,并且多台设备也增加了成本,这些问题都是亟待解决的。

[1] 袁旭,刘典焕.体感交互技术在大学课堂的应用研究[J].软件导刊(教育技术),2016,(5):23-24.

[2] 李青,王青.体感交互技术在教育中的应用现状述评[J].远程教育杂志,2015,(1):48-56.

①名师简介：陆建隆(1962— )，江苏常州人，南京师范大学教师教育学院教授、硕士生导师，主要研究高考物理命题、物理课程与教学论。