基于VR技術(shù)的中學(xué)物理教學(xué)研究回顧與展望

聶麗宇 李洋 李艷芳 張雨

【摘要】本文在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，回顧了物理教育中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實VR（VirtualReality）技術(shù)的發(fā)展之路。結(jié)合VR技術(shù)應(yīng)用于物理教學(xué)的現(xiàn)實情況，分析了VR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教育的可行性。在分別研究課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、線上教學(xué)三種不同的方式，采用虛擬技術(shù)實現(xiàn)物理教育教學(xué)智能化的同時，分別分析了它們的不同之處和優(yōu)缺點，以期達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術(shù);中學(xué)物理教育;VR

物理學(xué)科是一門理論與實踐結(jié)合的學(xué)科。中學(xué)物理教材中的文字、圖片，課件中的視頻等很難將復(fù)雜的物理概念、物理模型清晰呈現(xiàn)，又由于中學(xué)生認(rèn)識思維的局限性，在學(xué)習(xí)一些抽象性知識難以理解時，對物理學(xué)習(xí)容易失去信心。如今以傳統(tǒng)實驗室教學(xué)為主是中學(xué)物理實驗課程的主流，但是因其存在準(zhǔn)備時間較長、課堂效率較低，還存在潛在安全風(fēng)險等問題，導(dǎo)致學(xué)生參與度不高且很難激發(fā)學(xué)生對物理實驗探究的欲望。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中，通過沉浸互動體驗，讓學(xué)生如同身臨其境一般，觀察電腦中模擬三維空間內(nèi)的事物，進(jìn)入到知識的虛擬現(xiàn)實世界，促進(jìn)學(xué)生的理解和記憶，有利于教師實施探究式教學(xué)巨指導(dǎo)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)。

在中國知網(wǎng)（CNKI）中以“虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學(xué)”為主題進(jìn)行檢索，對虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教學(xué)的研究文章數(shù)以千篇，但以 “虛擬現(xiàn)實技術(shù)”加“物理教學(xué)”為主題進(jìn)行檢索，總結(jié)并繪制出發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量和相關(guān)的年份關(guān)系圖，如圖1所示。對于以“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”加“中學(xué)物理教學(xué)”為主題進(jìn)行檢索時，知網(wǎng)中這方面的研究的文章更是少之又少。

由圖1可以看出，自從2002年虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始被提及運用于物理教學(xué)以來，國內(nèi)開始有相關(guān)的學(xué)者開始研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于物理教學(xué)，但研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。由于對理論基礎(chǔ)的研究較發(fā)達(dá)國家略有落后，我國對于VR技術(shù)在物理教學(xué)中使用的研究還相對較少，而且發(fā)展時間較短，所以研究成果暫時不及國外豐碩。國內(nèi)對VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究，主要是高校利用虛擬實驗?zāi)M虛擬工程應(yīng)用于教學(xué)，少數(shù)中小學(xué)也開始研究將虛擬實驗應(yīng)用于課堂教學(xué)，實驗教學(xué)等。

一、在教學(xué)中應(yīng)用VR的技術(shù)理論基礎(chǔ)

VR技術(shù)包括計算書嗆」建虛擬現(xiàn)實數(shù)據(jù)和VR處理模塊，通過輸入模塊、反饋模塊等多種傳感器技術(shù)實現(xiàn)用戶與該虛擬環(huán)境多維度，多感官的實時人機(jī)交互，其系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

當(dāng)VR應(yīng)用于學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建時，其核心的技術(shù)有：環(huán)境的動態(tài)建模技術(shù)、實時感知繪制技術(shù)、立體多維顯示技術(shù)。

1.環(huán)」竟的動態(tài)建模技術(shù)

實驗裝置的動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的核心，借助計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，將真實客觀環(huán)境和虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維立體虛擬環(huán)境。

2.實時感知繪制技術(shù)

實時感知繪制是能夠令用戶通過計算機(jī)圖形和硬件為基礎(chǔ)，實現(xiàn)在物理模型、用戶行為和視覺感知上的真實體驗，實現(xiàn)逼真生動的模擬。其中實現(xiàn)的實時性包括對對象變化的實時計算與實時跟蹤，借助計算機(jī)的實時繪制功能達(dá)到預(yù)期體驗?zāi)繕?biāo)。

3.立體多維顯示技術(shù)

利用眼睛對立體視覺差產(chǎn)生的綜合神經(jīng)反射，通過光學(xué)技術(shù)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(yīng)基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了三維立體感覺。

二、在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)有哪些途徑

通過文獻(xiàn)的閱讀與總結(jié)，整理出物理教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)的途徑分類為以下三種：

1.應(yīng)用于課堂教學(xué)

課堂教學(xué)是教學(xué)的主要途徑，對于物理學(xué)科這類抽象性思維要求比較高的科學(xué)來說，也是運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要情境。此外，物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的私陣羚，在物理課堂基礎(chǔ)教學(xué)中亦不可避免地會涉及到大量的實驗儀器和設(shè)備。在傳統(tǒng)的物理課堂教學(xué)課件中，一般的處理方法有兩種：一是通過圖片或視頻進(jìn)行演示和說明。其優(yōu)點是制作方法簡單、效率高。缺點是缺乏交互性且二維圖象很難完整體現(xiàn)各種設(shè)備的全部細(xì)節(jié);二是通過編程設(shè)計出物理模型或者實驗裝備。其優(yōu)點是具有較強(qiáng)的交互性。缺點是制作過程較復(fù)雜、工作量大一且要求制作者具有較高的編程能力，因而并不適合于普通教師采用。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的介入，將至少在以下三個方面有助于解決教師以上的困擾、幫助學(xué)生對問題的理解：

（1）采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計三維的研究對象，如電磁場的模型，可以解決二維平面表達(dá)造成學(xué)生劉概念理解不全面的問題;（2）通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)演示一些具有潛在的危險，而不便于現(xiàn)場演示的實驗，或一些硬件設(shè)備太過高昂的實驗;（3）對于某些因受時空限制而在真實世界中無法觀察和控制的過程和現(xiàn)象，例如沿著太陽系航行考察，在微觀尺度上觀察原子的運動及相互作用等，則可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行真實的模擬。

2.應(yīng)用于物理實驗

可運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造虛擬現(xiàn)實實驗室，物理學(xué)科經(jīng)常涉及三維物理模型的構(gòu)建，通過VR技術(shù)完成一個包含三維模型或環(huán)境定義的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)可交互的虛擬環(huán)境，可以靈活地從任意角度觀察物理模型，VR技術(shù)提供滿足教學(xué)大綱要求的可實時操作的工具，包括頭盔、鼠標(biāo)、游戲桿和定位跟蹤器等。虛擬現(xiàn)實實驗室主要有兩種分類：

（1）非交互式虛擬實驗室：學(xué)生登陸網(wǎng)站，選擇觀看實驗內(nèi)容，但是不能自己動手移動虛擬實驗器材進(jìn)行實驗，

（2）交互式式虛擬實驗室：指網(wǎng)上學(xué)生不僅可以觀看實驗內(nèi)容，還可運用上文介紹的輸入設(shè)備對實驗過程實施進(jìn)行操作。目前在中學(xué)物理中比較流行的交互式虛擬實驗室有NB物理實驗網(wǎng)站或者APP，操作較簡單。虛擬實驗室的設(shè)計主要是運用VRML建模語言，通過它可以建立所需的虛擬實驗室空間。該實驗室較以前有許多優(yōu)點，如，操作性強(qiáng)、參與感佳、隨機(jī)性好、實施效果優(yōu)等，一些微觀的實驗例如阿法粒子散射等，不易于觀察的實驗項目，可以通過虛擬實驗室實現(xiàn)。

3.應(yīng)用于線上教學(xué)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)校遠(yuǎn)程教育教學(xué)提供可移動的電子教學(xué)場所。以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)行為不再拘泥于特定的時間地點。新冠肺炎疫清期間，如果有虛擬現(xiàn)實技術(shù)為輔助的物理教學(xué)，一定能讓線上教學(xué)大放光彩，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的遠(yuǎn)程教學(xué)課題，學(xué)生有身臨其境的感覺，可提高遠(yuǎn)程教學(xué)的質(zhì)量。學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)完成了線上學(xué)習(xí)，同時可以在線上進(jìn)行研討。虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持的新型教學(xué)模式，使學(xué)生能比較全面的掌握所學(xué)的知識，學(xué)生通過自己的情況進(jìn)行不同進(jìn)度的學(xué)習(xí)，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的個性化需求。從而讓整個中學(xué)物理無論從內(nèi)容上還是形式上真正的實現(xiàn)“開放”式教學(xué)，以及學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，教師主導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。

通過總結(jié)和分析三種途徑，并給出了對應(yīng)的優(yōu)點與不足給出適當(dāng)?shù)慕ㄗh，如表1所示。

三、結(jié)語

回顧虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于物理教育的發(fā)展之路發(fā)現(xiàn)：在物理教學(xué)中，VR技術(shù)可以彌補因為實驗設(shè)備、實驗場地等方面的原因而造成的感性認(rèn)識不足，加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解;對于物理實驗操作中不自信，擔(dān)心損壞實驗儀器的學(xué)生，或在實驗操作時因得不到正確數(shù)據(jù)和結(jié)論而浪費太多時間的學(xué)生來說，采用中斷錯誤操作的VR設(shè)計，并且VR系統(tǒng)中操作簡便、實驗儀器可重復(fù)使用，學(xué)生可放心大膽地操作;虛擬現(xiàn)實還能幫助提高線上物理教學(xué)質(zhì)量，線上上課也能讓學(xué)生進(jìn)行虛擬現(xiàn)實的實驗操作。通過VR技術(shù)理論研究、技術(shù)實現(xiàn)，以及在課堂教學(xué)，物理實驗，線上教學(xué)三方面的分析總結(jié)，基于VR技術(shù)實驗在中學(xué)物理教學(xué)中有的良好效果，應(yīng)當(dāng)積極地開展VR教學(xué)平臺和相關(guān)實驗的開發(fā)工作。應(yīng)在大學(xué)物理師范專業(yè)中大力開展相關(guān)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)工作，讓大學(xué)本科畢業(yè)生也有能夠制作簡單3D虛擬現(xiàn)實實驗的基礎(chǔ)，在今后的教學(xué)應(yīng)用研究中，需要加強(qiáng)對VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)平臺的建設(shè)和改進(jìn)。

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