初中物理探究性三維虛擬實驗的研究

趙慧勤 周世菊 張天云

摘要：研究通過分析中學物理實驗傳統教學中存在的不足，提出了利用虛擬現實技術設計并實現探究性三維虛擬實驗，解決傳統實驗教學存在的實驗設備不全、實驗環境受限、實驗過程缺乏創造性等問題，同時討論了探究性三維虛擬實驗設計的理論基礎、設計原則和過程、實現技術與方法，并通過案例進行了詳細闡述。

關鍵詞：探究性；三維虛擬實驗

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）02-0055-04

探究性三維虛擬實驗設計的理論基礎

1.認知主義學習理論

認知主義學習理論把學習看作對信息進行主動選擇和理解的過程，認為人的認知過程實際上是一個信息加工過程，知識不是由外界刺激直接給予的，而是外界刺激和認知主體內部心理過程相互作用的結果。采用三維虛擬實驗進行教學，認知對象從傳統的與現實世界打交道，變成與虛擬世界進行交互，從而產生了一種新的認知方式。因此設計三維虛擬實驗時，必須從學生的認知心理出發，注重學生的具體經驗和對情境的了解，使學習者新舊知識之間的同化能順利完成，最終促進自己的認知發展。

2.情境學習理論

情境學習理論認為，特定的知識應該在特定的情境中去學習，學習是一個社會性過程，知識在這個過程中由學習者與周圍環境相互作用共同構建。情境學習理論強調學習者應經歷社會真實情境，通過實際活動使其在真實情境中學習知識、技能和策略，對知識做合理的解釋并能靈活運用知識。因此，設計三維虛擬實驗時，必須創設實驗過程所需要的各種情境，為學生主動探究提供環境支撐。

3.建構主義學習理論

建構主義認為，學習是建構內在心理表征的過程，學習者以已有的經驗為基礎，通過與外界的相互作用來建構新的理解，學習者知識的獲得是個體與外部環境交互的結果。因此，設計三維虛擬實驗時，必須提供靈活的交互方式，同時為學習者提供豐富的資源和工具，方便學生進行科學的探究活動，有效建構自己的知識。

中學物理探究性三維虛擬實驗設計

1.設計原則

直觀性：三維虛擬實驗設計要為學習者提供逼真的實驗環境，增加學生者親身體驗的經歷。由于操作步驟復雜、觀測過程漫長、實驗儀器昂貴等原因而無法完成的實驗要逼真模擬，實驗現象抽象和微觀的就要突破時空限制轉變為直觀呈現，實驗過程不能及時控制的要設計關鍵現象模擬情境，使學習者在虛擬環境下，便于觀察物理現象，更好地理解和掌握實驗原理。

交互性：三維虛擬實驗設計要為學習者提供更多交互的環節和實時的反饋，方便學習者選擇實驗設備、操作實驗儀器、設置實驗條件、改變實驗參數。使學習者在虛擬環境下，按照自己的學習特征、學習進度和學習方式進行主動探究。

開放性：三維虛擬實驗設計要為學習者提供可以自主設計實驗的學習資源和工具，使學習者能夠按照自己的興趣自由地設計實驗方案、演示實驗效果，并提供及時的反饋。

趣味性：三維虛擬實驗設計要為學習者提供能夠激發好奇心和求知欲的實驗過程和現象，能夠吸引學生的注意力，給學習者悅趣的體驗，激發其學習物理的興趣。

2.設計過程

（1）實驗類型和主題的設計

按照實驗內容分為：聲音類、光學類、電路類、電磁類、理學類、能量類。本研究從眾多實驗中選擇了部分實驗進行開發仿真，具體包括真實實驗中不易觀察的實驗、真實實驗中不易控制的實驗兩類。

（2）虛擬實驗模塊設計

探究性三維虛擬實驗共包括實驗介紹、實驗操作、實驗提示、實驗評價四個模塊。其中，實驗介紹包括儀器介紹和內容介紹。儀器介紹闡述虛擬實驗中用到的關鍵儀器的功能、使用方法等。內容介紹闡述實驗目的、實驗原理等；實驗操作是虛擬實驗的核心部分，通過分析該階段學生的認知結構，設計交互式的用戶界面和探究性實驗環節，學生根據實驗原理和步驟，在三維虛擬實驗場景中對相關實驗儀器進行操作，完成實驗；實驗提示是指對實驗中容易出錯的地方為學生提供必要的幫助；實驗評價是根據具體的實驗要求，對學生的實驗操作結果進行評價。

中學物理探究性三維虛擬實驗的實現

1.主要開發工具的選擇

探究性三維虛擬實驗的實現主要包括虛擬實驗場景、各種實驗儀器設備的三維建模，以及提供探究活動的虛擬現實交互體驗的開發，用到的開發工具主要包括三維建模工具3ds Max和虛擬現實開發工具Unity 3D。

（1）3ds Max

3ds Max是Autodesk公司開發的基于PC的三維動畫制作、編輯、播放與三維建模和渲染軟件。它具有易于使用、功能強大、性價比高等優點，是許多個人和公司用戶首選的三維建模與動畫軟件。3ds Max被廣泛應用于廣告、影視、游戲開發、計算機藝術、角色動畫、工業設計和輔助教學等諸多領域。

（2）Unity 3D

Unity 3D是由Unity Technologies公司推出的一款強大的3D跨平臺游戲引擎，包括圖形、光照、音頻、渲染、物理和網絡等多方面的引擎支持，目前已不僅僅局限于游戲開發，而成為強大的綜合性虛擬現實開發工具，在虛擬漫游與實時設計、虛擬現實交互體驗、人體數字化展示等領域都得到有效應用。

2.開發流程

三維虛擬實驗的開發步驟為：①三維虛擬實驗場景、實驗儀器的建模；②分析學生的心理和認知結構，設計探究環節；③設計交互界面，實現實驗的交互操作；④測試虛擬實驗，進行調試和優化；⑤發布虛擬實驗。

3.探究性三維虛擬實驗的開發

（1）實例1：布朗運動

①實驗設計思路：布朗運動是由微觀分子間做無規則運動而形成的。在現實生活中，難于操作，不易觀察，只有借助顯微鏡才能觀察，使得學生缺乏創造力和空間想象力。而在三維虛擬實驗中可以克服這些不足，利用Unity 3D提供的物理引擎，可以很好地模擬微觀分子的無規則運動。本實驗通過設計交互式的界面接口，使學生可以通過控制溫度變化或調整微觀分子大小，模擬微觀分子的運動變化情況，從而使實驗者更好地理解布朗運動。

②虛擬實驗場景和實驗器材的三維建模。實驗采用3ds Max對三維仿真實驗中用到的模型進行構建，主要包括實驗桌、實驗儀器，實驗主界面如下頁圖1所示。

③虛擬仿真實驗的實現。本實驗提供了兩個觀察角度，即宏觀和微觀，宏觀角度用來展示實驗前的狀況；微觀角度用來展示微觀粒子的運動狀況，通過使用攝像機效果，使得觀察者能夠清晰地看到微觀世界中分子的無規則運動情況，實驗操作界面如下頁圖2所示。

下面詳細介紹微觀角度下實驗的實現過程。首先，學生點擊微觀按鈕后，攝像機被激活顯示，同時向液體分子拉近，這時出現圖2所示的界面，屏幕下方出現對應的滑動條用于控制條件，一種是溫度變化，一種是分子大小變化。這里用到了NGUI插件里的Tween Position動畫。其次，液體分子的無規則運動模擬是用Unity自帶的碰撞檢測函數來實現的。當分子之間相互碰撞時，會觸發自身的碰撞檢測，從而受到一個反向作用力被反彈回去。當多個分子發生碰撞時，它們的運動就會變得毫無規律，從而形成了無規則運動。

（2）實例2：光的反射與折射

①實驗設計思路：光的反射與折射定律探究的是光從一種介質照射到另一種介質時發生傳播方向改變的光學現象。在現實生活中，為了確保實驗的準確性和靈活性，特別要保證三線共面，需要實驗操作細致，入射角、反射角、折射角的測量也很費時，且不易控制。而在三維虛擬仿真實驗中可以克服這些不足，利用Unity 3D可以很好地模擬光線的反射、折射現象，以及入射角、反射角、折射角之間的關系。

②虛擬實驗場景和實驗器材的三維建模。本實驗采用3ds Max對三維仿真實驗中用到的模型進行構建，主要實驗儀器如圖3所示。

③虛擬仿真實驗的實現。本實驗用來展示入射角變化時，反射角、折射角的變化情況，通過圓盤上的刻度標定，能夠隨時讀出確切的值，實驗者能夠清晰地看到入射角、反射角、折射角的關系，實驗操作界面如圖4所示。

結束語

新技術、新媒體的發展對傳統教育教學改革具有推動作用，利用虛擬現實技術設計并實現初中物理探究性三維虛擬實驗，能夠有效改進傳統中學物理實驗教學的不足，為學生進一步理解基本概念、掌握實驗規律和實驗原理，提供了主動探究的環境，對學生創新思維的培養具有重要價值，對探索信息技術環境下中學實驗教學新方法具有重要意義。

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