例談STEM教育理念下虛擬現實技術zSpace在中學物理教學中的應用

孫佩雄 劉 通

(天津師范大學，天津 300387)

1 問題的提出

物理作為一門以觀察和實驗為基礎的學科,需要學習者具備縝密的思維與高度的空間想象力．傳統的以文字、圖片、視頻為載體的知識傳輸方式很多時候很難將復雜的物理概念、物理模型清晰呈現,學習者學習過程中遇到的障礙較多,由此對物理學習失去興趣,這不利于其創新能力的培養．“中國學生發展核心素養”總體框架中提到,實踐創新應該成為學生的6大綜合表現之一．虛擬現實技術zSpace作為近年來新興的虛擬現實教學設備,是STEM(science 科學,technology 技術,engineering 工程,mathematics 數學)教育的主要的體現,通過情景化、交互性等特點,解決技術和工程問題,用科學知識和數學工具進行分析．[1]它可以全方位展現知識內容,提升學習者對物理學習的興趣,加深學習者對復雜物理概念、復雜物理模型的理解,提高學習者的創新能力．因此,將zSpace應用于中學物理教學,可以解決傳統教學過程中無法解決的問題．

2 虛擬現實技術zSpace的主要特征

圖1 zSpace虛擬現實交互式學習一體機

zSpace是美國硅谷一家公司研發的一種能夠在教育、醫學、軍事等多領域使用的技術手段.運用虛擬與現實的結合方式,讓其用戶感受科技融入真實世界的魅力．zSpace以STEM教育理念為指引,交互式軟硬件zSpace虛擬現實交互式學習一體機系統．它主要由帶有頭部追蹤的全彩色、高清、沉浸式立體感顯示器、追蹤眼鏡及虛擬交互筆組成(如圖1所示),高清顯示屏的主要構造為一體機,學生要觀察到的實驗現象均通過此機器進行,在一體機的左右兩端安有紅外感應裝置,能夠對追蹤眼鏡進行追蹤,從而根據眼鏡的位置調整電腦內部場景的觀察位置．通過虛擬交互筆能夠控制操作界面,完成整個實驗的操作和觀察．此外,zSpace虛擬現實交互式學習一體機還可以通過Z-View投影到屏幕上,達到裸眼3D的效果,便于課堂教學的使用．基于此平臺可以使學習者體驗到超出傳統計算機環境的感受,可以模擬很多真實課堂環境下不能實現或不便于觀察的實驗．[2]

虛擬現實技術zSpace以其仿真、交互等特征,給學習者提供了情景化的學習環境,結合中學物理教學實際,虛擬現實技術zSpace的主要特征: (1) 將自然條件下無法滿足的理想條件,理想模型,通過一體機展示出來,使學習者對學習內容更加了解,幫助學生對物理的理解．(2) 可以時刻切換場景模式,省去因變化外界環境帶來的技術影響等問題．(3) 將抽象的、不易想象的模型轉變成可以近距離觀察的、可接觸的模型．通過交互模式,將抽象內容通過zSpace轉成直觀、可操作的模型．學生可以將抽象的模型具體化、真實化,供學生全方位的理解抽象模型,并對模型進行全面的觀察和操作．(4) 可以避免實驗失敗帶來的后果,且可以觀察實驗失敗后的現象,增加了實驗的可操作性．[3-4]

3 虛擬現實技術zSpace在物理教學中應用的課例分析

基于虛擬現實技術zSpace的主要特征,結合中學物理教學中存在的困難,設計出4個課程案例并進行分析．

3.1 實現“理想化”條件

在中學物理教學中,經常提到“理想條件下”,然而這樣的理想條件是想象的,現實環境下沒有辦法提供一個真正的理想條件．比如用斜面實驗來驗證“牛頓第一定律”時,教師只能不停地減小斜面傾角,在實驗現象的基礎之上做出推論,真正的無摩擦條件是永遠無法實現的,教師只能無限地接近這一條件,從而引入了“實驗+推理”的理想實驗．雖然理想實驗是以實驗為基礎,但是其中主觀上的想象推理也是極為重要的,因此可能會出現有些學生難以理解的問題．將zSpace引入教學中,可以模擬沒有摩擦力和空氣阻力的環境,讓學生親眼觀察這種理想條件下小球的運動情況——小球滑下斜面后,水平方向上不受力,一直保持勻速直線運動狀態．如圖2所示,質量為3.0kg的小球在高為2.5m斜面下滑的路程分別在10.32m、11.92m、12.62m時小球的速率都為4.34m/s．這樣就將理想實驗中的推理結論直接展現在了學生面前．zSpace的引入增強了學生的感性認識,加深了學生對科學理論的直觀理解．

圖2 理想條件下小球滑下斜面后的運動狀態

3.2 輕松突破實驗技術難關

在物理教學實踐中,許多教學實驗都存在一些技術方面的局限性．例如在關于“平拋運動”的討論中,由于技術的限制,教師不能改變實驗所在環境的重力加速度,于是只能探究物體初速度和高度對運動軌跡的影響．但在zSpace的虛擬環境中,就可以任意地選擇自己所處的“星球”或者進入零重力空間,這樣就使實驗中的重力加速度發生了改變．如圖3所示,質量為3.0kg的小球分別在重力加速度為g的地球和重力加速度為2.54g的木星,高為2.5m的拋體發射器上用相同的力使小球做平拋運動,小球落地點的位移分別為5.61m和3.69m,學生觀察到與平時生活中完全不同的現象,從而使他們更加主動地對物理現象的影響因素進行探究,幫助他們更加深刻地認識到物理學規律在宇宙中的普適性．在zSpace的幫助,可以虛擬許多現實里不能實現的場景,甚至“身臨”太空,親自動手完成太空中的實驗．[5]

圖3 小球分別在地球和木星上做平拋運動

3.3 將抽象概念形象化

物理學中常常出現一些肉眼不可見的抽象概念,如“電場”、“磁場”．在傳統教學中,教師只能告訴學生,電場是空間里存在的一種特殊物質,它真實存在卻不可見．毫無疑問,這一概念是抽象難以理解的．zSpace則可以直接呈現出“場”的存在,將不可見變為可見,將抽象變為形象．如圖4所示,電場的局域和方向清晰可見,在此電場中放置一個帶電荷的小球,我們就可以觀察到小球在電場力的作用下開始進行直線運動,并且清楚地看到小球從電場中離開或進入電場的過程以及受力變化．這種可視性可以極大地加深學生對電場的理解并且激發他們對物理學的學習興趣．

圖4 電場和帶電荷的小球在電場力作用下的運動狀態

3.4 有效處理危險性或危害性實驗

實驗是物理學的基礎,任何一條物理學假設、原理、定律,都是建立在大量的觀測和實驗的基礎之上的,同樣實驗教學也是物理教學的重要組成部分．但在現實教學中,教師必須杜絕教學事故問題,一些高難度、危險、危害性的實驗無法在教室進行演示操作．因此,可以通過zSpace來進行一些操作或現象比較危險的實驗．例如,在學習“短路”現象時,直接將導線與電源連接在現實教學中屬于教學事故．如圖5所示,在zSpace操作中則不會造成任何損失和傷害．學習者也可以身臨其境地觀察到由于電流過大燈泡被燒毀的過程,體會到這種操作的危險性．在zSpace虛擬出的各種實驗中,學習者不僅能避免在進行實驗時不規范操作造成的危害和損失,還能提高對危險操作和現象的警惕性,甚至可以進行一些普通教室里不能進行的危險系數較高的實驗．[6]

圖5 短路和燈泡燒毀現象

4 總結與展望

時代的變遷,教育方式也要隨之改變．信息時代教育的發展必然有信息技術在其中的應用．虛擬現實技術在當今教育領域的應用方興未艾,同時在中學物理教學的發展前景是廣闊的．選擇4個中學物理課程在傳統教學中不易理解和呈現的片段,將虛擬現實技術zSpace交互式學習一體機應用于其中,啟發更多物理教育者在教育教學中的新思路．基于STEM教育理念,個性化為學生搭建學習平臺,培養了學習者的創新能力．但發展的同時也是有亟待解決的問題,zSpace的售價一直居高不下,資金不足是許多學校未配備的首要原因．其次,學校的很多教師從未接觸過此技術,更不用說使用其授課及開發zSpace的課程資源,這也一定程度地制約了虛擬現實技術zSpace在中學物理教學過程中的普及．因此,將其應用于中學物理教學中,還需要社會各界人士的努力．使師范類高校、公司、中學教師3方面的結合,開發和培訓相關課程,虛擬現實技術才能更好的服務教學．相信在不久的將來,虛擬現實技術zSpace在教育領域會用更多的應用．