虛擬現實技術在中學物理電學實驗中的應用創新研究

張梓峰

（山東省青島第九中學，山東青島，266012）

0 引言

當今中學物理實驗課程仍然是以傳統實驗室教學為主，因其存在準備時間較長、課堂效率較低、參與熱度不高，還存在潛在安全風險等問題，已很難滿足廣大熱愛物理學科的中學生對物理問題的探究欲望。其后引入的“翻轉課堂”、“電子書包進教室”、“遠程直播互動”等物理創新教學形式，雖然在一定程度上激發了大家對學科的積極性，但是仍未能提高大家的物理能力素養和實驗素養[1]。而從2016年（VR元年）高速發展的虛擬現實技術憑借其多感官沉浸、實時交互、三維實景動態模擬等特點迅速滲透到包括臨床醫學、工業仿真、汽車設計、航空航天、游戲娛樂、文物保護等幾乎各個領域。因而隨“互聯網+”模式出現后又發展出“VR+”這種前沿技術應用模式，自然聯想到將虛擬現實技術應用于中學課程改革創新，通過其無法比擬的沉浸互動體驗，讓大家不再害怕學習物理，不再頭疼物理實驗，進而促進大家對物理學科的學習興趣及核心素養的提高[2]。

本文結合自己對高中物理實驗的認識和對虛擬現實技術的理解，創新性地提出將虛擬現實技術應用于物理電學實驗，為提高大家參與物理實驗、認識物理規律開拓思路，同時也促進對計算機相關技術的進一步掌握，為后續計算機專業的學習奠定基礎。

1 VR技術概況

■1.1 VR系統構成

虛擬現實技術是集實時處理技術、傳感器技術、計算機圖形技術、多媒體技術、人工智能技術、人機交互技術等為一體的典型新技術。VR技術通過計算機創建虛擬環境，并通過多種傳感器技術實現用戶與該虛擬環境多感官、多層次、多維度的實時人機交互，其一般系統組成如圖1所示。

計算機被稱為“虛擬現實的發動機”，是虛擬環境的載體，是建造虛擬世界的地基。計算機負責虛擬現實環境的構建與生成、環境內容數據的運行與處理、實時人機交互的實現等，同時也承擔互聯網的接入、云端數據的導入和導出等。

圖1 虛擬現實系統的結構組成

■1.2 VR在教學應用中的核心技術分析

虛擬現實VR技術是一門典型的交叉性技術，其涵蓋的技術主要有動態建模技術、計算機圖形技術、立體顯示技術、視覺跟蹤技術、多感知技術和語音輸入輸出技術等，當應用于實驗學習環境構建時[3]，其核心的技術有：動態環境建模技術、真實感實時繪制技術、立體多維顯示技術。

(1)動態環境建模技術

實驗裝置的動態環境建模技術是虛擬現實技術應用的核心，其主要是針對現實環境或目標模擬環境進行計算機模擬實現，其最終目的就是借助計算機強大的數據處理能力，將真實客觀環境和虛擬環境數據轉化為三維立體虛擬環境。

(2)真實感實時繪制技術

由于實驗設計的需要，真實感實時繪制是以當前計算機圖形和計算機硬件為基礎實現物理模型、實際行為和視覺感知上的真實體驗，實現逼真生動的模擬。其中實現的實時性十分重要，包括對對象變化的實時計算與實時跟蹤，需要借助計算機實現實時繪制功能達到預期實驗體驗目標。

(3)立體多維顯示技術

實驗設計中的虛擬現實技術的目的就是展示三維立體實驗模型與過程演示，該技術的本質是利用眼睛對立體視覺差產生的綜合神經反射，通過光學技術為眼睛提供兩幅具有特定位差的圖像，這樣在人們的視覺和心理反應基礎上，產生了三維立體感覺。

2 VR在物理電學實驗中的應用分析

■2.1 應用背景分析

高中物理實驗主要涉及到“測定金屬電阻率”、“描繪小燈泡的伏安特性曲線”、“測定電源的電動勢和內阻”以及“練習使用多用電表”這四個基礎實驗。在傳統實驗過程中，由于電器元件精密不易操作、操作平臺數量少，往往無法實現課堂內全員參與全過程實驗，因此造成有的實驗是以小組形式進行，無法保證人人獨立參與，這種局限性導致對實驗理解不深，甚至影響實驗獨立設計思考能力。

傳統實驗室教學過程中，電學實驗的設計情況往往與課本直接對接而弱化了自主設計實驗這一過程。如在電學實驗“測定金屬電阻率”中，根據實驗原理，可得，其中需要實驗測量的物理量有金屬絲長度L、直徑d及電阻R。基于教材實驗，引入螺旋測微器測量金屬絲橫截面直徑。在傳統實驗室環境下，老師在課堂中一般只提供螺旋測微器一種長度測量工具，在課堂上易出現傳授方式死板、僵化等問題。

■2.2 VR設計方案

(1)硬件配置

中學物理的VR教學配備的硬件設備應符合成本低、操作簡易、可長時間佩戴、符合人體工學等特點，同時應最大限度的保持其沉浸性和交互性。

增強式虛擬現實系統（Augmented VR）為實驗教學提供了一種新的硬件設配方案。增強現實系統允許用戶同時看到虛擬世界和真實世界，虛擬世界的對象是真實世界的一種疊加或組合，既可對現實物體進行虛擬操作，也降低了虛擬環境構建所需要的硬件門檻，且不失與現實環境的交互，是一種亦虛亦實的系統。用戶可基于三維立體顯示器或桌面式一體機作為教學平臺兼計算機處理設備，將模型進行三維投影，用戶佩戴光學透視眼鏡可接收三維投影模型，利用數據手套或三維輔助鼠標對投影模型進行操作。這種與現實立體環境整合的硬件系統，既能滿足使用者與虛擬環境的實時交互，也降低了昂貴的硬件成本，利于VR教學的普及。

(2)構建元件數據庫

類似沙盒游戲《Minecraft》當中玩家使用“麥塊”作為單元構建虛擬世界，物理電學實驗應用需要對各類基礎用電器的結構、功能、作用進行基本建模。其中一個電路需要運作，必須包含電源、用電器和閉合的回路，如在實驗“測定電源的電動勢和內阻”中，所需要的電器元件包括：電源（可由1.5V干電池、3V鋰電池或學生電源代替）、單刀開關、標準電流表、標準電壓表、滑動變阻器（最大阻值20Ω或100Ω）及導線若干。可根據教育部《JY/T 0361–1999》號技術標準的規定和要求，可構建“J1202型”學生電源的實物參數模型。同理，也可以根據相關生產信息構建實驗室常用的“磁電式”直流電流表（0–0.6A或0–3A）、“指針式”電壓表（0–3V或0–15V）、轉柄式電阻箱、滑動變阻器、實驗室用小燈泡等元件的實物參數模型。

除上述在教材中經常出現的電器元件之外，還可將出現頻率較低的如發光二極管、電容器、單刀多擲開關、靈敏電流表G、邏輯電路出現的邏輯門、簡單傳感器等納入電器元件數據庫的構建。

接著便可利用OpenGL、Java3D、VRML等編程軟件進行手動的人工幾何模型構建，或憑借CAD/CAM，利用3D掃描儀等工具可以對電器元件掃描后進行自動的幾何模型構建，構建時需符合基本物理定律。

電器模型的數據庫構建完畢后，通過對實驗虛擬現實系統的集成完善，不僅可以從數據庫中拖出電器元件放在智能電子白板上，進行電路設計并自主調整回路中各項用電器的參數（調節電源、滑動變阻器、開關等），而且在設計好的、可以工作的通路中，電器元件將會出現對應實驗現象（如小燈泡發亮、表盤指針偏轉）、運作當中的參數（如電流表、電壓表的示數）實時地展示給通路的設計者，以便記錄數據或調整電路或改裝電表再次實驗等。

可見，正如構建好的電器元件模型可以隨時拖入設計面板，被導線連接組成各式各樣的電路，遵循物理法則。“元素化”的電器在計算機的模擬下再現實驗室課堂中的經典實驗，或是對其進行創新，大大提高了電路設計的自由度和實際操作的可行性。

最后，在VR技術的幫助下，虛擬實驗室可以實現常見的精密測量工具：米尺、游標卡尺、百分表甚至測長儀等的虛擬環境體驗，有助于提高實驗的參與度和對實現過程的理解。

3 總結

通過虛擬現實技術，一方面可以代替不易操作的電器元件，最大限度地令每位學生參與到實驗架構中，親手利用VR的仿真技術重現電器元件在電路中發揮的作用。另一方面，構建在3D建模中的數字化電器元件也能通過交互技術更加直觀的體現電路中電壓、電流在流經用電器前后的變化或是用電器在電路條件改變后各類參量的變化，從而加深對實驗原理的理解。