虛擬現實技術在物理實驗教學領域中的應用研究

馮宇超

【摘 要】隨著教育改革深化，物理實驗教學條件改善，但物理實驗教學仍存在弊端：學生單憑理論記憶而對知識的掌握淺薄；實驗儀器比較昂貴，實驗器材與材料準備繁瑣且易損壞或缺失；限制的實驗地點、開放時間與實驗資源；當實驗遇到安全問題時，會采取其他方式，甚至放棄實驗等。VR應用于物理實驗教學，不僅能實現現實教學所不具備的實驗條件，還能提高實驗教學效果，實現自主探究的實驗目的，推動實驗教學的改革與創新。

【關鍵詞】物理實驗教學；虛擬現實技術；虛擬物理實驗平臺

1虛擬物理實驗發展

虛擬物理實驗通過VR實現在虛擬環境下模擬物理實驗，解決現實實驗教學中難以解決的問題，并充分發揮VR在物理實驗教學中的優勢。如今虛擬現實在教育領域的應用還是比較淺層，虛擬物理實驗教學具有廣泛的研究意義。

2虛擬物理實驗教學的優勢

①自主性學習：儀器設備齊全，功能參數可更改，突破“紙上談兵”。

②綠色性學習：虛擬實驗不會對現實造成影響，不消耗實驗材料。

③科學性學習：實驗教學引入信息化教學手段，實驗結果更直觀。

④高效性學習：實驗效率高，可避免長時間等待實驗結果。

⑤開發性學習：學生可自主設計，比如可自主選擇集成電路設計電路板。

⑥交互性學習：可在平臺上實現資源共享與跨區域教學。

3虛擬現實技術在物理實驗教學中的應用

①還原物理實體：可展現各現實中難以展現或極其復雜的物理實體。

②還原實驗現象：可將現象放大、減緩演變、色彩處理等，使其清晰可查。

③還原現象場景：模仿首都博物館用VR還原物理現象發現的場景。

④還原理論建立：可把抽象的物理理論轉化為生動的物理實驗。

4虛擬物理實驗平臺的需求

4.1虛擬儀器的需求

與傳統儀器相比，虛擬儀器可像電路板一樣自主設計，還有不損壞、易使用、可更改的特點，不僅大大節省了對于儀器設備的購買支出與定期的維護支出，還能將算法等應用于虛擬儀器之中，實現傳統儀器所不具備的功能。

4.2交互需求

4.2.1操作交互：學生與平臺界面的交互

操作交互是信息與概念交互的橋梁，基本的操作交互的不順就會阻礙其他層面的交互，要滿足人性化與科技型平臺要求，實現簡單高效的交互理念。

4.2.2信息交互：學生與教學要素的交互

提示和反饋信息是虛擬物理實驗的重要保障。提示出現在實驗操作前，分為視頻、文檔等固定提示與對應操作的動態提示，反饋出現在操作后，用于對目前操作的認定。

4.2.3概念交互：舊概念與新概念的交互

物理實驗最終的目的是使學生了解物理理論，概念交互的效果決定學生獲得教學信息的總量與質量。

4.3指導需求

有必要在虛擬物理實驗平臺上建構信息提示功能，通過計算機及時信息處理，針對性地反饋每一位學生的實驗進度、學習效率。

5虛擬物理實驗平臺的設計

5.1基本設計原則

①科學性原則：構建的虛擬設備逼近真實部件的操作，實驗操作與結果等近乎實際。

②開放性原則：允許在任一終端上通過帳號密碼登入平臺。

③交互性原則：實現虛擬物理實驗功能，設立在線答疑、論壇、E-mail等交流工具。

5.2開發要求

5.2.1硬件要求

平臺主要由計算機、傳感器、信息采集處理模塊、交互模塊等組成，完成對被測信號的收集、傳送與顯示。在必要的硬件支持下，將儀器的功能分為各個模塊，再編程以完成相應功能，繼而組合完成虛擬儀器。

5.2.2軟件要求

軟件系統是連接系統各部分的紐帶，應根據系統功能要求來進行設計。

①軟件開發采用圖形化或面向對象的編程，常用的為LabVIEW。

②軟件模塊應包括輸入、輸出、A/D轉換、D/A轉換、數據處理、功能模塊等。

③程序模塊設計應選擇合適的程序結構，并對程序做出必要注釋，編程時還需注意各程序模塊的接口，防止數據不能傳遞。

6虛擬物理實驗平臺的研究意義

作為全新的、科技型教學工具，虛擬物理實驗平臺能滿足移動性課堂實驗教學的需求，教師不用把實驗的注意事項一一說明，也不用在每次實驗前檢查實驗器材、配備實驗材料、考慮實驗安全性等。教學的目的不是為了“教全”，而是為了“教會”，只要把重要方法教給學生，讓學生自主探索，舉一反三，那么在實踐中必然能學到更多。

傳統的物理實驗教學中，實驗往往在老師的指導下，規避危險操作，按部就班地完成。虛擬物理實驗平臺的建立，能夠滿足學生自主探究物理實驗的需求，給學生提供大量的虛擬儀器進行實驗操作，又能極大地激發他們對于物理實驗的學習熱情與探究積極性。

虛擬物理實驗平臺集教育、創新、實踐于一體，響應了我國對于深化教育領域綜合改革的號召，能夠在有效踐行高質量物理實驗教學的前提下，突破傳統對于學生物理實驗的培養模式與方法，將促進物理實驗教學的重心轉移，即從在安全實驗操作下學習模式轉移至培養學生創新精神與實踐能力的學習模式，從而充分發揮物理實驗的教學意義。