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摘 要：WebAR作为增强现实的实现形式之一，为增强现实应用的开发提供了新的可能。本研究将微信小程序作为应用终端，立足医用物理课程的特点，结合当下的教学现状和需求，尝试结合WebAR技术与医用物理学教学，构建相关教学资源。
关键词：增强现实;WebAR;医用物理学;微信小程序
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2021）27-0127-03
近年来，信息技术正经历着快速发展，新一代科技革命以数字化、网络化、智能化为根本特征，增强现实作为其中一種高新技术手段，连续三年以影响高等教育变革的重要技术在地平线报告[1]中被提及，该技术正在与教育进行融合，在教学中发挥越来越重要的作用。
与目前研究较多的移动增强现实不同，WebAR可以轻松地运行在各个系统的Web浏览器上。在5G网络的支持下，WebAR将继续大力发展。本研究尝试将WebAR运用于医用物理学课程教学中，针对该门课程设计教学资源，以微信小程序为平台，利用增强现实技术将创设的虚拟模型融合于真实的课程环境中，为学习者提供一种针对性较强的人机互动数字资源，为医用物理学学科的教学创新带来新的契机。
一、WebAR概述
增强现实（Augmented Reality，AR）是虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）的一个重要分支，其可以延伸用户的视觉功能，增强用户的视觉感受，并能于真实世界和虚拟信息相叠加的环境里进行交互。
增强现实主要有三种实现形式：基于专用硬件设备的AR、基于移动设备原生能力的AR、基于浏览器端的AR（WebAR）。基于专用硬件设备的AR常用于专业领域，如户外运动、3d游戏、医疗等[2-3]，其存在专用设备成本高、携带不方便的缺点;基于移动设备原生能力的AR将各类增强现实场景增加到移动设备上，移动终端有着良好的便携性和易用性，但不具有跨平台性，需要占据用户设备内存，不易传播。
由此，基于Web的AR技术开始逐渐萌芽，用户可以利用网页超链接机制将AR的功能嵌入到各种Web网页中，并且能够方便地进行转发、分享和传播。这解决了专用设备成本高、不易携带以及开发App需要跨平台、开发成本高，消耗用户流量和内存的问题，为实现AR应用的大规模、跨平台的传播和分享奠定了基础，为解决AR的普适化应用难题提供了一种新的研究方向和技术可能。
二、医用物理课程教学存在的相关问题
1. 课时少。医用物理仅有32课时，但知识内容众多，因此教师在上课过程中仅能关注到课堂知识内容，而无法拓展讲解对于物理学的一些科普、物理学与医学知识的融合等激发学生学习兴趣的内容。2. 学生的理科基础各不相同。医学专业的学生在物理方面部分基础扎实、部分基础薄弱，对知识的理解速度不同，教师在上课时无法进行针对性的教学。3. 教学知识和医学脱节。医用物理学作为一门物理学与医学相融合的学科，面向的是医学专业的学生，但缺少医学部分的内容，将物理学知识作为主要的学习内容，与物理专业学生所学习的大学物理课程相似，没有体现出医用物理学的学科特色。对于医学专业的学生而言，无法结合自己的专业实际，也就不能完全理解物理学与医学应用之间的联系。4. 授课方式单调。在目前的医用物理课程教学中，幻灯片是常见的教学资源，知识的呈现形式较为单一，基本为文字图片等二维素材，或是微课类的视频教学资源。
三、WebAR在医用物理课程教学中的应用设计
1. 融合教学目标设计可视化教学资源。医用物理学旨在授予学生比较系统的物理学知识，使学生能够掌握物理的基本概念、原理及应用。其中，部分物理概念和原理较为抽象，利用增强现实技术开发三维模型，可将抽象的学习内容形象化、可视化，将原本枯燥、难以理解的学习内容直接以三维立体的形式呈现出来，直观的模型与原理演示有助于提高学习者学习兴趣，提高他们对知识内容的认知水平。
2. 激发学生自主学习和探究性学习。首先，学习者在通过接触教学资源中的知识内容开展学习时，基于增强现实的教学资源与其他多媒体学习资源库相比，能够最大限度增强学习者的学习体验;其次，需要为学习者提供相关例题以及实际医学中的适用案例，分析各个理论上的知识点如何运用在试题以及实际生活中，激发学习者的好奇心，使学习者可以根据自己的兴趣和需要，开展自主学习以及探究性学习;最后，通过测试题进行反馈，学习者可以根据反馈结果，对未完全掌握的知识内容继续开展学习活动。
3. 增加教学评价模式。通过微信小程序可以方便地获得各种学习过程中的相关数据，这些监控为督促学习者自主学习、养成良好的学习习惯、提高学习的质量提供了保障，同时也是教师对学习者进行个性化教育的一个非常有效的手段[4]。学习者的账号中可以保存各知识板块的测试题并得到错题反馈，教师可以通过学习者的测试成绩、学习时长、交互参与度等数据，利用信息技术进行综合评价，使其成为完整教学评价的一部分参考。由此，设计了教学资源的六个主要功能板块。如图1所示为基于六个主要功能板块设计的小程序功能结构。
①模型演示与交互——根据课本图片和教师教案，将单元中涉及到的二维图片以三维模型的形式进行可视化展示，并支持学习者对模型中的参数进行调节，观察模型的实时变化以提高对知识内容的认知水平，为学生提供在物理空间多角度观察和交互的操作。②概念介绍与原理讲解——采用视频和音频相结合的方式，对知识点进行详细介绍，学生可重复观看以确保理解概念及原理。③医学实例拓展——将物理学知识点与医学中的应用实例结合在一起，如流体和药物通过毛细血管扩散有关、超声波在医学中的应用等，以此提高学生的学习兴趣。④相关知识推荐——学生扫描书本图片后，屏幕上出现该图片的现象演示模型以及相关知识点，如扫描伯努利方程的原理图片后出现伯努利方程的部分应用，以此增加知识点的关联性与梯度性，使学生能够更好地进行探究性学习。⑤例题探究与分析——在学生对知识点进行学习后，提供相关的例题以提高学生对知识的掌握程度。例题与单元知识点息息相关，学生可通过对例题的探究对知识拥有进一步的理解与掌握，促进学生的自主学习和探究性学习。⑥测试与反馈——向学生提供测试试题与反馈，学生可通过测试的反馈了解自己对该单元的学习掌握情况，对尚未掌握或仍存有疑惑的部分可进行再次学习，以达到完全理解和掌握的状态。
四、结语
本文对医用物理学目前存在的课程问题进行了归纳总结，设计了基于WebAR的医用物理教学资源，旨在进一步教学改进医用物理学，为学习者提供新形式的教学资源。将三维模型以增强现实的形式呈现给学习者，并且提供与模型的实时交互，为学生提供直观的演示、沉浸体验有助于激发学生的学习积极性，加深学生对知识的记忆，促进学生对知识的理解，提高教学效果。并且，让学生参与到对知识的主动发现和主动构建的过程中，提高学习者的自主学习能力，同时也提供给学习者一种个性化的学习方式。
5G时代来临，基于浏览器端的增强现实技术突破了过去几年的困境，解决了部分移动增强现实无法解决的问题，为增强现实带来新的实现形式以及承载方式。本文中以微信小程序为该WebAR教学资源的载体，微信小程序拥有优质的开发性能，设计者能够快速利用微信小程序搭建学习体系[5]，从开发角度，降低了教学资源的开发难度，这将有助于一线教师直接参与教学资源的设计与开发，对课程有着积极影响。
参考文献：
[1] 兰国帅，郭倩，张怡，等. 影响未来高等教育教学的宏观趋势、技术实践和未来场景——《2020年EDUCAUSE地平线报告（教学版）》要点与思考[J]. 开放教育研究，2020，26（02）：27-39.
[2] Kuhn，J.，Lukowicz，P.，Hinth，M.. gPhysics-Using Smart Glasses for Head-Centered，Context-Aware Learning in Physics Experiments[J]. IEEE Transactions on Learning Technologies，2016，9（04）：304-317.
[3] 梁佳博. 智能眼镜的设计与功能研究[D]. 西安：西安科技大学，2017.
[4] 朱学伟，朱昱，徐小丽. 微信支持下的移动学习平台研究与设计[J]. 中国远程教育，2014（04）：77-83.
[5] 刘艳. 微信小程序视域下移动学习平台的搭建与研究[J]. 信息与电脑，2019（14）：78-80.
（荐稿人：武荷岚，同济大学副教授）
（责任编辑：汪旦旦）
关键词：增强现实;WebAR;医用物理学;微信小程序
中图分类号：G40-057 文献标识码：A 文章编号：1673-7164（2021）27-0127-03
近年来，信息技术正经历着快速发展，新一代科技革命以数字化、网络化、智能化为根本特征，增强现实作为其中一種高新技术手段，连续三年以影响高等教育变革的重要技术在地平线报告[1]中被提及，该技术正在与教育进行融合，在教学中发挥越来越重要的作用。
与目前研究较多的移动增强现实不同，WebAR可以轻松地运行在各个系统的Web浏览器上。在5G网络的支持下，WebAR将继续大力发展。本研究尝试将WebAR运用于医用物理学课程教学中，针对该门课程设计教学资源，以微信小程序为平台，利用增强现实技术将创设的虚拟模型融合于真实的课程环境中，为学习者提供一种针对性较强的人机互动数字资源，为医用物理学学科的教学创新带来新的契机。
一、WebAR概述
增强现实（Augmented Reality，AR）是虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）的一个重要分支，其可以延伸用户的视觉功能，增强用户的视觉感受，并能于真实世界和虚拟信息相叠加的环境里进行交互。
增强现实主要有三种实现形式：基于专用硬件设备的AR、基于移动设备原生能力的AR、基于浏览器端的AR（WebAR）。基于专用硬件设备的AR常用于专业领域，如户外运动、3d游戏、医疗等[2-3]，其存在专用设备成本高、携带不方便的缺点;基于移动设备原生能力的AR将各类增强现实场景增加到移动设备上，移动终端有着良好的便携性和易用性，但不具有跨平台性，需要占据用户设备内存，不易传播。
由此，基于Web的AR技术开始逐渐萌芽，用户可以利用网页超链接机制将AR的功能嵌入到各种Web网页中，并且能够方便地进行转发、分享和传播。这解决了专用设备成本高、不易携带以及开发App需要跨平台、开发成本高，消耗用户流量和内存的问题，为实现AR应用的大规模、跨平台的传播和分享奠定了基础，为解决AR的普适化应用难题提供了一种新的研究方向和技术可能。
二、医用物理课程教学存在的相关问题
1. 课时少。医用物理仅有32课时，但知识内容众多，因此教师在上课过程中仅能关注到课堂知识内容，而无法拓展讲解对于物理学的一些科普、物理学与医学知识的融合等激发学生学习兴趣的内容。2. 学生的理科基础各不相同。医学专业的学生在物理方面部分基础扎实、部分基础薄弱，对知识的理解速度不同，教师在上课时无法进行针对性的教学。3. 教学知识和医学脱节。医用物理学作为一门物理学与医学相融合的学科，面向的是医学专业的学生，但缺少医学部分的内容，将物理学知识作为主要的学习内容，与物理专业学生所学习的大学物理课程相似，没有体现出医用物理学的学科特色。对于医学专业的学生而言，无法结合自己的专业实际，也就不能完全理解物理学与医学应用之间的联系。4. 授课方式单调。在目前的医用物理课程教学中，幻灯片是常见的教学资源，知识的呈现形式较为单一，基本为文字图片等二维素材，或是微课类的视频教学资源。
三、WebAR在医用物理课程教学中的应用设计
1. 融合教学目标设计可视化教学资源。医用物理学旨在授予学生比较系统的物理学知识，使学生能够掌握物理的基本概念、原理及应用。其中，部分物理概念和原理较为抽象，利用增强现实技术开发三维模型，可将抽象的学习内容形象化、可视化，将原本枯燥、难以理解的学习内容直接以三维立体的形式呈现出来，直观的模型与原理演示有助于提高学习者学习兴趣，提高他们对知识内容的认知水平。
2. 激发学生自主学习和探究性学习。首先，学习者在通过接触教学资源中的知识内容开展学习时，基于增强现实的教学资源与其他多媒体学习资源库相比，能够最大限度增强学习者的学习体验;其次，需要为学习者提供相关例题以及实际医学中的适用案例，分析各个理论上的知识点如何运用在试题以及实际生活中，激发学习者的好奇心，使学习者可以根据自己的兴趣和需要，开展自主学习以及探究性学习;最后，通过测试题进行反馈，学习者可以根据反馈结果，对未完全掌握的知识内容继续开展学习活动。
3. 增加教学评价模式。通过微信小程序可以方便地获得各种学习过程中的相关数据，这些监控为督促学习者自主学习、养成良好的学习习惯、提高学习的质量提供了保障，同时也是教师对学习者进行个性化教育的一个非常有效的手段[4]。学习者的账号中可以保存各知识板块的测试题并得到错题反馈，教师可以通过学习者的测试成绩、学习时长、交互参与度等数据，利用信息技术进行综合评价，使其成为完整教学评价的一部分参考。由此，设计了教学资源的六个主要功能板块。如图1所示为基于六个主要功能板块设计的小程序功能结构。
①模型演示与交互——根据课本图片和教师教案，将单元中涉及到的二维图片以三维模型的形式进行可视化展示，并支持学习者对模型中的参数进行调节，观察模型的实时变化以提高对知识内容的认知水平，为学生提供在物理空间多角度观察和交互的操作。②概念介绍与原理讲解——采用视频和音频相结合的方式，对知识点进行详细介绍，学生可重复观看以确保理解概念及原理。③医学实例拓展——将物理学知识点与医学中的应用实例结合在一起，如流体和药物通过毛细血管扩散有关、超声波在医学中的应用等，以此提高学生的学习兴趣。④相关知识推荐——学生扫描书本图片后，屏幕上出现该图片的现象演示模型以及相关知识点，如扫描伯努利方程的原理图片后出现伯努利方程的部分应用，以此增加知识点的关联性与梯度性，使学生能够更好地进行探究性学习。⑤例题探究与分析——在学生对知识点进行学习后，提供相关的例题以提高学生对知识的掌握程度。例题与单元知识点息息相关，学生可通过对例题的探究对知识拥有进一步的理解与掌握，促进学生的自主学习和探究性学习。⑥测试与反馈——向学生提供测试试题与反馈，学生可通过测试的反馈了解自己对该单元的学习掌握情况，对尚未掌握或仍存有疑惑的部分可进行再次学习，以达到完全理解和掌握的状态。
四、结语
本文对医用物理学目前存在的课程问题进行了归纳总结，设计了基于WebAR的医用物理教学资源，旨在进一步教学改进医用物理学，为学习者提供新形式的教学资源。将三维模型以增强现实的形式呈现给学习者，并且提供与模型的实时交互，为学生提供直观的演示、沉浸体验有助于激发学生的学习积极性，加深学生对知识的记忆，促进学生对知识的理解，提高教学效果。并且，让学生参与到对知识的主动发现和主动构建的过程中，提高学习者的自主学习能力，同时也提供给学习者一种个性化的学习方式。
5G时代来临，基于浏览器端的增强现实技术突破了过去几年的困境，解决了部分移动增强现实无法解决的问题，为增强现实带来新的实现形式以及承载方式。本文中以微信小程序为该WebAR教学资源的载体，微信小程序拥有优质的开发性能，设计者能够快速利用微信小程序搭建学习体系[5]，从开发角度，降低了教学资源的开发难度，这将有助于一线教师直接参与教学资源的设计与开发，对课程有着积极影响。
参考文献：
[1] 兰国帅，郭倩，张怡，等. 影响未来高等教育教学的宏观趋势、技术实践和未来场景——《2020年EDUCAUSE地平线报告（教学版）》要点与思考[J]. 开放教育研究，2020，26（02）：27-39.
[2] Kuhn，J.，Lukowicz，P.，Hinth，M.. gPhysics-Using Smart Glasses for Head-Centered，Context-Aware Learning in Physics Experiments[J]. IEEE Transactions on Learning Technologies，2016，9（04）：304-317.
[3] 梁佳博. 智能眼镜的设计与功能研究[D]. 西安：西安科技大学，2017.
[4] 朱学伟，朱昱，徐小丽. 微信支持下的移动学习平台研究与设计[J]. 中国远程教育，2014（04）：77-83.
[5] 刘艳. 微信小程序视域下移动学习平台的搭建与研究[J]. 信息与电脑，2019（14）：78-80.
（荐稿人：武荷岚，同济大学副教授）
（责任编辑：汪旦旦）