虛擬現實技術在初中物理實驗教學中的應用

◆張士榮

虛擬現實技術在初中物理實驗教學中的應用

◆張士榮

通過對虛擬現實技術在初中物理實驗教學中的應用，探討虛擬現實技術對提高物理實驗教學質量的重要作用。

虛擬現實技術；初中物理；實驗教學

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.03.148

1　前言

物理實驗教學是物理學科教學的一個重要的組成部分，也是學好物理的基礎。在物理教學中運用實驗可以培養學生的動手實踐能力，并在操作中形成物理的科學精神和品質。因此，物理教師在物理實驗中要運用科學的教學手段，提高物理實驗教學的質量。

2　虛擬實驗技術的內涵和在實驗教學中的優勢

虛擬現實技術是隨著計算機技術發展起來的新型的綜合實驗技術，它使用模擬的方式為實驗者營造一個逼真的實驗場景，讓實驗者可以直接參與到實驗環境的變化中［1］。虛擬實驗是利用計算機技術的圖形功能，應用虛擬技術來仿真實際物理實驗過程，從而達到實驗的目的。但它和傳統的實物實驗不同，虛擬實驗是對虛擬物體的操作，因而在實驗過程中的工具和對象也是虛擬的。

虛擬現實技術在物理實驗教學中應用，使教學方法靈活有趣，能夠吸引學生的興趣，調動學生參與物理實驗的積極性，可以實現教學資源的優化配置和共享。與傳統的實物實驗相比，虛擬現實技術不需要儀器儀表的齊全，實驗的參數也可以任意設定，而且可以應用在物理的各個實驗當中［2］。這種實驗對器材的消耗小，不受實驗器材種類和數量的限制，降低了實驗的成本。虛擬現實技術應用現代計算機技術，實現實驗的高效操作，因此實驗的速度快、效率高，對物理針對性和綜合性的實驗容易展開，學生在物理實驗中能夠體會到成功喜悅，更有利于學生積極性的提高［3］。實驗所獲得的數據和圖形可以直接使用打印機進行打印，直觀地向學生展示。在物理實驗教學中運用現代化的教育手段，能夠在實驗課堂中營造一種輕松活躍的教學氛圍，學生學習的積極性和實驗探究的興趣得到大大提高，有利于素質教育目標的實現。

3　虛擬現實技術在物理實驗中的應用

虛擬現代技術在演示型實驗中的應用在物理實驗中比較常見的是演示型實驗，而實驗課上教師的成功演示可以有效地提高學生對于實驗的興趣和注意力，提高實驗課堂的效率。學生可以跟隨教師演示增強探討物理科學的勇氣和信心，激發學生對物理科學知識的探究興趣。演示型實驗很大程度受實驗室環境的影響，如果實驗室條件不佳，會影響實驗的結果，失去物理實驗的科學性。在光的反射實驗中，教師通過對實驗演示，增加學生對光的反射定律的印象和原理的掌握。但在學校現實條件下，光的反射會受到多個方面的影響，光的反射效果不佳，會直接影響實驗成功。教師可以借助虛擬實驗技術彌補現實實驗條件的限制。

因此，教師在實驗前要先介紹幾個基本光的概念，包括入射光線、反射光線、法線、入射角、反射角，讓學生在掌握基本概念的基礎上對光的反射進行初步認識。然后運用平面鏡和平行光源對光的反射原理設計相應的模型，對光的反射現象進行模擬演示，吸引學生實驗的興趣。引導學生進行自主探究，并從實驗中得出自己的實驗結論和光的反射原理以及規律。然后教師在虛擬實驗平臺上讓學生拖動鼠標隨機增加入射角的大小，觀察光線的變化情況，并對不同角度的入射角和反射角進行記錄，進行兩者間的比較。最后，教師總結出規范性的光的反射定理。

虛擬現實技術在探究型實驗中的應用探究型實驗是讓學生自主探究一些實驗現象，總結出物理規律。探究型實驗可以培養學生的觀察能力和自主探究的能力。探究型實驗要在真實的現實中應用，但會受到外界各種因素的影響而阻礙實驗的順利進行，因此，教師可以在實驗中借助虛擬現代技術進行虛擬實驗，保障實驗方案的順利進行。

如在探究凸透鏡成像規律時，現實實驗受到光線的影響而無法正常進行，對規律總結不利，因此可以采取虛擬現代技術進行實驗。首先，教師使用實物進行實驗演示，將物體由遠及近逐漸靠近凸透鏡。在實驗過程中讓學生觀察物體的成像特點，并針對出現的現象提出相應的問題：物體距離凸透鏡的遠近是否會影響凸透鏡的成像特點，并引導學生發散思維，調動學生探究的欲望。其次，引導學生進行虛擬實驗。先要創設虛擬實驗平臺，讓學生把物體放置在離凸透鏡較遠的位置，并拖動鼠標進行操作，讓物體逐漸靠近凸透鏡，觀察物體成像的特點，并進行記錄。最后總結出凸透鏡成像的特點，教師給予規范化的成像描述。

虛擬現代技術在操作型實驗中的應用操作型物理實驗是按照學生已有的物理知識進行實際連接、安裝和設計，最后得出物理規律，發現物理問題。在大多數的中學物理實驗課中，學生沒有這樣的機會進行實際的操作訓練，達不到知識和實踐相結合的教學目的。因此，教師在物理實踐操作型實驗中要加強學生的操作實踐能力，讓學生在實踐中獲得物理知識的學習，總結物理規律，積累物理經驗。

如在“探究電路短路問題”時要考慮到教學設備的安全問題，因此多數教師采取講解的方式，而學生不能親手操作，導致對短路問題理解比較膚淺，在面臨實際問題時無法進行有效解決。在物理實驗中，教師往往采用演示的方式向學生展示物理現象，學生缺少動手實踐經驗；如果實驗使用虛擬現實技術，學生不但可以親手操作，還能親自體驗短路現象，探究出短路的原因，避免實驗發生不安全事件，優化了教學的組織形式，也提高了教學的質量。

教師首先將電線短路分解成不同的任務，讓學生自主探究。讓學生先了解電源短路的現象，知道什么是短路。讓學生在虛擬操作平臺上建立一個用導線連接電源兩極或者用導線將電源和開關連接起來的閉合電路，在連接電路時使用鼠標拖動相應的元件到相應的位置，組成電路，閉合開關，觀察電路現象；然后點擊鼠標，將電流表串聯到電路再閉合開關，觀察發生的現象。學生通過該次實驗操作，了解到電源短路的有關知識以及產生的后果，得出電源短路會導致電流過大而燒毀電器，造成不安全事件的發生。

通過探究并聯電路中的短路現象，探究電路的問題。讓學生操作鼠標將兩個燈泡并聯，開關與其中的一個燈泡并聯，觀察閉合開關時發生的物理現象，并觀察操作多盞燈并聯，其中一盞被短路時發生的物理現象。學生通過自主操作，當閉合開關時，并聯的燈全部熄滅，保險絲被燒壞。讓學生記錄每次實驗的結果，并得出自己實驗操作的結論。

利用虛擬實驗，學生可以安全地進行操作和探究物理問題，教師在實驗中起到指導作用，學生可以體驗到電路短路的問題和電路短路會發生的事故。這種實驗會調動學生學習的積極性和科學實驗的興趣，又對學生的安全不造成任何影響，不但保障了實驗的效果，還保障了教學的效率。

4　總結

虛擬現實技術在物理實驗教學中的應用，將虛擬實驗作為一種科學的實驗方法融入科學實驗當中，體現了物理實驗教學的嚴謹性。學生通過虛擬實驗還原物理真實情景，探究物理規律，積累物理經驗，有助于養成良好的科學精神，為物理教學質量的提高做出重要貢獻。

［1］邢如玲.虛擬實驗在初中物理實驗教學中的應用策略研究［D］.長春：東北師范大學，2011.

［2］胡小波.虛擬現實技術在物理教學中的應用［J］.武漢教育學院學報，2001（3）：36-40.

［3］周燕.虛擬仿真技術在大學物理實驗教學中的應用［J］.合肥工業大學學報：社會科學版，2008（5）：106-109.

G633.7

B

1671-489X（2016）03-0148-02

作者：張士榮，壽光市建橋學校，中級職稱，主要研究初中物理教學（262700）。