如何將VR應用到物理課堂當中

徐超凡 王林

摘 要：第三次教育革命后，規模化教育逐漸轉變為個性化教育。未來，虛擬化的交互式學習模式將會成為學生學習的新途徑。VR（虛擬現實）充分利用計算機可視化技術呈現學習內容，在情境中交互地學習物理知識，模擬物理實驗。利用VR技術所具有的沉浸性、交互性和構想性的特點激發學生的主動性和興趣，培養學生的創造性思維。虛實結合再造物理課程，提高學習效率。

關鍵詞：VR教育；中學物理；交互；沉浸；實驗教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）10-0069-3

1 VR教育現狀

從目前的行業上看來，VR領域主要存在于VR游戲、VR社交和VR教育當中。VR教育仍然還停留在將傳統教育的形式和內容直接放入VR中，像VR搭積木、VR看人體構造、VR看靜態3D場景及文字等。但是，這樣做只是簡單改變了交互的方式，將電腦顯示器“套”在了學生頭上。就像看紙質書和電子書，本質上沒有區別。

在CNKI數據庫中以“VR學習”“VR教育”為關鍵詞進行搜索，篩查無用文獻后共檢索到247篇相關文獻。利用 CiteSpace進行知識圖譜可視化分析后得到圖1。通過圖譜可以看出，在之前我國對于VR教育的研究中，VR在學習過程中所提供的沉浸感和學習體驗已經被研究者們所重視，并且在職業教育中配合增強現實技術后得到了廣泛運用。

國外將VR應用到教育的例子包括Jang、Susan等的3D解剖課程，借助虛擬操作平臺、觸覺輸入設備及動物模型，配合交互性的解剖結構參照系，構建可直接操作的3D解剖課程；還有Alho Barata的電力變壓器操作課程；Rupasinhe Thashikad的關于飛機維修技術的培訓課程；Kim、Pyoung Won的操作電動機課程；Trautrims、Alexander的物流全球虛擬團隊教學工具；Butavicius、MarcusA的腹腔鏡模擬操作和心理測試等。

從之前的大量研究案例中可以看出，在原理理論性教學中，不認為VR有超過傳統教學方式的優勢，更多的還是對于理論聯系實踐的直觀表現。但是在體驗性操作教育上，VR優于提供場景，適當的場景能引發真正的學習需求，能夠有效替代現有教育中的部分體驗性操作內容。VR所具有的七大教育功能：體驗、探究、訓練、矯正、交流、創作與游戲在集中學生關注度和提升學生學習興趣上效果顯著。

2 VR的教育應用在物理課堂的理論分析

VR技術對教育改革最明顯的優勢就是加入了虛擬現實學習環境。通過VR技術引入教學內容，絕不是課程內容和工具的簡單相加。VR的教育價值已經不是一頂頭盔和一副眼鏡能夠涵蓋的，VR可以是一種學習或思考方式。通過VR可以把課堂上教師沒有辦法用語言描述的、抽象的圖像，通過具體的、全方位的、全沉浸的場景給學生展示出來，讓學生全身心地進入這個場景。這樣不僅可以讓學生身臨其境，還可以很大程度上解決學生對課堂內容專注度不足的問題，讓學生更好地理解原理。例如，用VR操作挖掘機、用VR進行飛行模擬等都是已經實現的將教育應用到職業教育中的典型例子。在實踐性、感性、三維的教學內容中，VR相對傳統、理性、二維的實驗教學有巨大的優勢。

VR作為一種傳播媒體，其核心在于擴展學習者的經驗，使得學習者能夠與環境交互，從而掌握新觀念。二十世紀80年代以來，情境化認識理論已經成為重要的學習理論之一。它通過建立情境來使學習可以從一種情境遷移至另一種情境。學生在學習過程中是否能產生共鳴，都取決于教學情境的生動性與逼真性，情境越生動、越逼真就越能引發個體的身體體驗。教育活動具有很強的情境性，識別情景可以幫助學生更好地理解新的概念。學生通過VR跟虛擬世界產生聯系，進入真實的場景中，理解本來抽象難懂的教學內容。讓學生自己動手、自己探討，在操作中記住知識，而不是大規模地抄寫、背誦。

知識不是完全客觀的，知識的展現需要通過具體的事物和場景。通過親身實踐獲得知識，對學生來說不僅更加容易理解而且不易遺忘。傳統課堂過多地強調了知識的接受，而教育應該是調動人的全部生理與心理特性的。這也是如今翻轉課堂、慕課（Mooc）、微課等新型學習模式不斷涌現的原因。當學生沉浸在一個問題情境中，在情境中獲得知識和技能及其應用規則來解決問題時，有效的學習才能發生，可以做到不刻意地去學去記，而是更加輕松地在腦海中構建知識體系。

物理作為一門以實驗為基礎的學科，通過演示實驗進行教學是必不可少的。在課堂中，往往受到教學設備和教室環境的限制，實驗效果得不到最大程度的體現。但是，使用VR技術就可以非常好地解決這個問題，所有的學生都處于一個虛擬的環境，體驗的都是同樣的內容，產生的卻是各自與VR交互的體驗。將每一個學生都“沉浸”在環境之中，讓學生在類似虛擬游戲的體驗中實現現實不可能做的事情。這里說的VR實驗不是為了讓學生看見一個3D的愛迪生如何實驗幾百種燈絲材料，而是讓學生自己“成為愛迪生”，用別人的眼睛去看，用別人的耳朵去聽，用別人的心去感受，多角度地去體驗實驗過程，在過程中反思，然后得出自己的感悟。

在物理課堂，VR的主要作用是喚起學生的學習興趣。在家中，VR能夠讓孩子定下心來學習。從而實現教學內容可視化、教學環境虛擬化和個別化、教學過程個性化和交互化、教學評價客觀標準化。

3 VR在物理課堂中的應用實例

以電學為例，36 V以下的電壓被稱為安全電壓，但我國家庭電壓為220 V，接觸220 V的電壓又會怎樣？若這時使用VR就能在保證學生人身安全的情況下讓學生親身體驗觸電的感覺，讓學生對原先虛無縹緲的電的概念有了新的認識。

在學習熱機一章時，一般課堂都是通過汽油機或柴油機的演示模型演示由化學能轉化為機械能的做功沖程，通過VR可以打開熱機的外殼，詳細地觀察吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程的工作原理，對于圖片難以表達的工程元件曲軸、連桿等也可以有一個更加直觀的認識。

在《光的干涉和衍射》這一節，物理老師通常在課堂上講了半天，學生卻目光呆滯，面無表情，甚至不知道自己為什么要學習這個知識點，一開始就聽得云里霧里，失去了學習和記憶的興趣。因為這種微觀粒子的運動，用語言是很難表達的，加上實驗難度較高，難以演示，學生很難想象粒子究竟是如何穿過狹縫的，而通過幻燈片的展示又差了那么點意思。這時就可以通過VR來展現。

在講述宇宙中天體之間的關系或衛星發射這些問題的時候，只通過圖片是很難讓學生真正理解具體的實際情況。但通過VR，學生可以親自駕駛火箭或飛船，起飛時體驗飛船擺脫地球引力的速度，而不是單單記住一串數字，飛行時可以看到星球在他們身邊旋轉，甚至可以登陸到一個具體的星球上去感受一下。降落時感受重力加速度帶來的沖擊力。這種經過“真實”體驗，親手觸摸比較后，學生的好奇心和探索欲將會被有效地 調動起來，對于知識的專注度也會得到顯著提升。圖2是通過VR讓學生感受過山車。

VR不僅在模擬真實環境時有用，還可以模擬真實環境中看不到的場景。例如，在研究聲音傳播時，可以通過VR模擬真實環境中看不到的波形效果，讓學生感受到聲波具體是怎樣傳播的，還有光學中的望遠鏡和顯微鏡等，都可以通過VR將抽象的實驗現象具體化，將原本密閉的實驗系統透明化。

4 VR教育目前的缺陷

VR教育的學習環境必定也會有其獨特的支持與約束因素。VR具備重塑教育的潛力，但VR大范圍變革教育的路還很長。國外學者分析了VR學習環境中學習者受到的支持與約束因素，通過對參與者進行定性分析和評估，揭示了技術和后勤支持是學習的限制性因素。具體到中學課堂中，VR在課堂中能否被教師所掌握，對于教室的設備要求以及成本投入問題都還有待改進。

Michael Bodekaer在TED大會上關于VR科學實驗室的演講中提到：“如果能將常青藤百萬美元級別的實驗室提供給每一個富有創造力的年輕人，為他們提供世界上最先進、最優秀的實驗儀器，那將會激勵整整一代的科學家們來創新和改造我們的世界。”曾經我們將投影儀引入課堂，隨后電腦、PPT、Flash、智能手機、iPad、電子白板也被引入。21世紀是信息化的時代，網絡的發展顛覆了許多傳統行業。只有不斷改變媒介，提升品質，推陳出新，才能在這個充滿競爭與壓力的環境中求得生存和發展。

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