教學的沉浸式體驗

陸峰

【摘要】隨著“義務教育物理課程標準（2022年版）”的發(fā)布，也提出了對初中物理課堂教學創(chuàng)新的新目標.初中物理實驗教學中的軟件也在不斷地更替升級，讓學生從相對孤立的人工背景向虛擬仿真的情境進行轉變，從而能夠獲得多感官的刺激，加深物理概念的理解，提升核心素養(yǎng).根據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，視覺信息認知比重超過人類認知總和的八成，并且對于人們的記憶持久度也是最深遠的.現(xiàn)今在課堂中使用的VR技術，可視化效果明顯，在教學過程中也能讓學生獲得沉浸式的體驗，實現(xiàn)物理知識中的重難點突破.通過“VR實驗室”在課堂中的應用，激發(fā)學生學習物理的興趣，增加學生參與度，讓信息化教育資源真正地為課堂教學所用.

【關鍵詞】VR技術；初中物理教學；探究式學習；5G網(wǎng)絡；應用研究

VR技術是指虛擬現(xiàn)實技術，它是一種模擬真實環(huán)境的計算機技術，通過使用計算機圖形學，人機交互，傳感器等技術，將用戶帶入虛擬世界中，讓用戶感受到身臨其境的體驗.VR技術通常需要使用頭戴式顯示器，手柄，傳感器等設備，用戶可以通過這些設備與虛擬環(huán)境進行交互.隨著我國在信息化教育發(fā)展的不斷推進，VR技術也讓物理教師在課堂教學手段上有了更多的選擇空間，尤其是在物理實驗教學上的應用，讓學生獲得沉浸式的體驗，更是一種對傳統(tǒng)授課方式的顛覆.

VR技術能夠更好地展現(xiàn)物理的本質和內涵，也能解決傳統(tǒng)課堂難以實現(xiàn)的問題，比如物理中抽象知識的概念建立，難以清晰觀察的物理現(xiàn)象，操作復雜或具有危險性的物理實驗等，VR技術可以通過模擬場景的建立，屏幕的放大縮小，視角的空間變化，時間軸的前后移動和播放快慢的調整得以實現(xiàn).這樣的新型教學多媒體課件資源，豐富了學生對于物理情境的感性認知，也深化了學生對于物理科學規(guī)律的理解，對于教學效果的提升，激發(fā)學生的學習興趣，活躍物理教學的課堂氛圍都有實際的意義.

1 VR技術在初中物理教學中的應用價值

1.1 幫助學生理解教學中的重難點

1.1.1 以學習“光的反射”相關知識為例

根據(jù)課標要求，“探究并了解光的反射定律.”在傳統(tǒng)實驗中，我們是以白色硬紙板來呈現(xiàn)光路的.實驗時，學生對于反射定律中，“反射光線，入射光線和法線位于同一平面內”這一條的空間體驗是無法滿足的.后來我們針對白板呈現(xiàn)光路缺失空間感的問題進行改進，利用粉塵或液霧來實現(xiàn)，但還是差強人意.于是，我們用了VR技術模擬了整個光學實驗室，將光線直接可視化，由于是虛擬環(huán)境，所以無需考慮光強太大所帶來的安全隱患問題.同時，讓學生自行改變觀察角度和位置，虛擬實驗中也不存在圍觀的遮擋問題，所以選擇時完全不受限制，大幅提升了學生的實驗積極性.在課上，當學生進入虛擬實驗室之后，學生甚至能夠從實驗室的正上方進行觀察，然后模擬無人機的全景環(huán)繞方式，獲得前所未有的體驗.同時，老師也可以操作實驗光線的角度和增減光線數(shù)量，讓學生自行建立反射定律的空間形態(tài).課后，從作業(yè)和課堂的實時反饋來看，新的教學嘗試，沉浸式的體驗，確實讓學生等到了以往所沒有的提升.

1.1.2 以學生實驗“探究通電螺線管外部磁場的方向”為例

作為學生實驗，以往我們以小磁針和鐵粉來呈現(xiàn)其周圍的磁場分布，我們發(fā)現(xiàn)，學生在課后的練習中，關于通電螺線管的繞線方式，總是由于空間感的缺失，導致錯誤率偏高.在我們用VR技術模擬整個磁場分布之后，學生面前就能呈現(xiàn)一個完整磁場了.學生通過手柄，可以將頭戴顯示器中所看到的磁場進行翻轉，縮小，放大等操作.同時，在后續(xù)磁極間相互作用的實驗中，學生能夠直觀地看到當同名或異名磁極相互靠近時，磁場發(fā)生的空間上的變化.這種扭曲塌陷的空間變化，能夠實時地呈現(xiàn)給學生，在任意切換觀察位置時，也不用考慮磁場干擾的問題.在這樣的基礎上，老師可以迅速完成教學階段性任務，給予學生更廣闊的自主探究自由度.

1.2 提升學生學習主動性

新時代的初中物理教學已經(jīng)融入了各種信息技術，并引入了多媒體平臺共享的理念.但是目前所展示教學方式，受到了自媒體時代的沖擊，信息迅速更迭，有時無法激發(fā)課堂上學生的積極性.VR技術融合物理教學之后，明顯提高了學生對于物理實驗的探究熱情，對激活學生是有正向提升的.比如可以讓學生能夠在虛擬實驗室中進行互動，例如通過手勢和語音命令來控制虛擬實驗室中的物品和儀器.這種交互式教學可以增加學生的參與度和積極性，讓學生更好地體驗實驗過程.這一嘗試也順應了新課標中要求“教師要充分發(fā)揮信息技術的優(yōu)勢，將信息技術有效融入物理教學，創(chuàng)新教學方式，提升教學效率”的要求.

1.3 有利于物理知識的理解和鞏固提升

在初二階段的學習中，用“光的直線傳播”進行對比試驗.首先一個班級使用傳統(tǒng)模式，展現(xiàn)“日食”的形成原理時，教學過程中通常是使用手持光源配合地球儀進行演示的.其次另外一個班級則是通過VR技術把學生引入虛擬實驗室之后，利用星空背景，將學生置于廣袤的宇宙中，通過這樣的角度來觀察太陽，月亮和地球所形成的現(xiàn)象.通過對比發(fā)現(xiàn)，后者對于“光的直線傳播”的領悟深度明顯優(yōu)于前者，并且也能在后續(xù)的測試中，以較高的正確率和較長的記憶周期勝出.

另外，不同于傳統(tǒng)的訓練方式，借助VR技術，我們可以脫離紙筆，用模擬場景的方式，建立一種全新的評價體系.物理實驗題一直是中考中容易失分的環(huán)節(jié)，但是復習時，往往由于時間場地限制，無法再進行深入探究.此時我們也可以借助VR技術，做到模擬環(huán)境的快速切換，及時修正認知偏差，從而達到高效復習的目的.

1.4 促進學生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

義務教育物理課程要培養(yǎng)的科學思維中有一項是“模型建構”，對于初中階段的學生來說，能夠用模型解釋物理現(xiàn)象和過程是傳統(tǒng)教學之下很難提升的一項技能.不過有了VR技術的加持，我們甚至可以在現(xiàn)實場景中進行直接模擬建模，例如，可以讓學生可以直接對身邊的物體進行受力分析和空間尺度估算.我們可以借助設備上的攝像頭，將身邊的真實景物與虛擬實驗工具相結合，通過手持傳感器，對于物體上的受力情況進行可視數(shù)字顯現(xiàn).讓學生更深刻地體驗從具象到抽象的建模過程，促進學生模型建構的認知發(fā)展.當然，我們也可以再針對其他核心素養(yǎng)進行相關課件的開發(fā)，使得我們的物理課堂更立體，促進學生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

2 VR技術與物理教學的融合

2.1 VR技術特點與初中物理教學需求相貼合

VR技術所具有的虛擬安全性，沉浸互動性和自主開放性等特點是初中物理教學常用手段中所需要的.依托強大的3D引擎和虛擬仿真算法，從實驗器材到實驗環(huán)境，每個環(huán)節(jié)都進行了高精度的3D建模，呈現(xiàn)逼真的效果，高度還原真實實驗場景，為課堂教學創(chuàng)造身臨其境般的實驗感受.同時將抽象，微觀等不可視的場景可視化，如電流，光路，受力，磁場，原子結構等，體現(xiàn)物理學科本質，切實貼合物理教學需求.

2.2 VR技術能提高對初中物理教學的效果

傳統(tǒng)物理教學中，單純依靠教師的講授，以及課件書本中的平面展示，無法將物理本質中較為抽象的知識內容進行空間描述.而VR技術能在物理實驗的演示和探究過程中，使實驗現(xiàn)象更加具體和豐滿，激發(fā)學生的建模能力，這些更真實的體驗讓學生的交互感更強，切實提升了物理教學的最終效果.

3 VR技術在初中物理教學中的應用場景

3.1 在網(wǎng)絡教學中的應用

在如今5G高速網(wǎng)絡技術發(fā)展日趨成熟完善的基礎上，VR技術完全可以實現(xiàn)遠距離的線上直播教學.前幾年的線上課程在某種程度上也促進了線上學習發(fā)展，不管是軟件還是硬件上都有不同程度的提升.在線上教學時，師生無需同處相同場地，只要在教師端和學生端安裝追蹤攝像頭和同步耳麥，通過采集雙方的實時課堂行為，就可以實現(xiàn)多點連接下的同步互動，讓學生在任意地點都能獲得身臨其境的沉浸式體驗.此外還有一種模式，就是將老師的教學過程進行拍攝錄制，并通過3D引擎和虛擬仿真算法，轉化為全景化視頻，作為教學資源讓學生通過頭戴式顯示器觀看.這樣的方式可以讓學生多角度觀察老師的教學過程，尤其是老師在進行物理實驗時，學生可以通過時間軸的調整反復觀察實驗的各個細節(jié)，針對自身的情況進行重點突破.并且由于網(wǎng)絡平臺的優(yōu)勢，學生和老師之間的實時互動也能更大程度上提升物理教學的交互性.

3.2 在實驗操作中的應用

目前的VR設備已具備通過構造虛擬實驗室來模擬實驗，讓學生能夠在不同實驗環(huán)境下快速切換，大量的模擬實驗器材也方便學生在進行自主式實驗探究時進行選擇.并且由于虛擬實驗的安全性，完全可以在虛擬實驗室里模擬一些錯誤實驗操作所帶來的危險狀況，這也是傳統(tǒng)實驗室無法做到的.比如在電學中，我們學習安全用電時，在過載或者短路的情況下，由于電流過大，電流的熱效應產(chǎn)生大量的熱量，導致局部過熱，引發(fā)火災.這樣的場景如果用VR技術來呈現(xiàn)，給學生帶來的震撼效果是遠超書本上簡單的文字與圖片的，也能在學生心中樹立正確的價值導向.

3.3 在物理評價中的應用

傳統(tǒng)的物理實驗考查模式，學生在考試過程中，每完成一步，就舉手申請打分，有監(jiān)考老師進行判定.通常情況下，由于人員，場地，器材等因素的限制，這樣的實驗考試效果參差不齊，對于學生的實驗操作考察也不能做出較為有效的評價.通過VR技術，把實驗考察項目做成虛擬實驗，這樣首先可以增加每次考試的選擇范圍，將一個實驗變成多個實驗，學生在參加考試時可以先行選擇，這樣大大提高了學生掌握物理實驗的廣度.其次，模擬實驗室可以跳出原先那些“人員，場地，器材等因素”的限制，增加考查學生實驗的選擇范圍.同一時間同一場地，可以進行多個不同的實驗考察.最后由模擬實驗軟件做出客觀評價，同時生成詳細的個人實驗考試評測報告，讓今后的實驗評價更科學.

4 VR技術在初中物理教學應用的不足

4.1 硬件設備的普及度不高

誠然VR技術相對于傳統(tǒng)的初中物理教學來說，能給我們的課堂引入顛覆性的教學手段，不過它的先進技術在剛開始的階段也需要高額資金的先期投入，比如硬件設備方面，單人需要頭戴式顯示器，手柄，傳感器等設備，由于無法共同使用，所以設備的數(shù)量至少要與班級人數(shù)等同.所以短期內，很難在短時間內在初中課堂教學中大規(guī)模普及.據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)今開展VR技術進行教學活動的院校也都集中在經(jīng)濟較為發(fā)達的地區(qū)，并且還是以高等院校為主，義務階段的中小學和相對欠發(fā)達地區(qū)目前還難以實現(xiàn).因此，建議可以使用能滿足基本教學要求但配置相對較低的產(chǎn)品作為平替.

4.2 VR技術依然具有提升空間

現(xiàn)今，VR技術雖然已經(jīng)在很多領域里衍生出許多應用情境，但是大多數(shù)應用還是局限在學生的視聽感受之下，就目前傳感器的單一性，還是無法加入更多的自主探究項目.因此，現(xiàn)在VR技術在課堂上的應用，還是無法滿足物理實驗中對于精細操作的要求.今后，隨著數(shù)字技術逐步升級，相信在不遠的將來，更新VR技術能夠在中學物理教學中普及，這樣才能給我們的物理教學帶來更深入的物理學習沉浸式體驗.

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