虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

◆張士榮

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

◆張士榮

通過對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要作用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；初中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.03.148

1　前言

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理學(xué)科教學(xué)的一個(gè)重要的組成部分，也是學(xué)好物理的基礎(chǔ)。在物理教學(xué)中運(yùn)用實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，并在操作中形成物理的科學(xué)精神和品質(zhì)。因此，物理教師在物理實(shí)驗(yàn)中要運(yùn)用科學(xué)的教學(xué)手段，提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

2　虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的內(nèi)涵和在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的新型的綜合實(shí)驗(yàn)技術(shù)，它使用模擬的方式為實(shí)驗(yàn)者營造一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)場景，讓實(shí)驗(yàn)者可以直接參與到實(shí)驗(yàn)環(huán)境的變化中［1］。虛擬實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的圖形功能，應(yīng)用虛擬技術(shù)來仿真實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)過程，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。但它和傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)不同，虛擬實(shí)驗(yàn)是對虛擬物體的操作，因而在實(shí)驗(yàn)過程中的工具和對象也是虛擬的。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用，使教學(xué)方法靈活有趣，能夠吸引學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與物理實(shí)驗(yàn)的積極性，可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的優(yōu)化配置和共享。與傳統(tǒng)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不需要儀器儀表的齊全，實(shí)驗(yàn)的參數(shù)也可以任意設(shè)定，而且可以應(yīng)用在物理的各個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中［2］。這種實(shí)驗(yàn)對器材的消耗小，不受實(shí)驗(yàn)器材種類和數(shù)量的限制，降低了實(shí)驗(yàn)的成本。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的高效操作，因此實(shí)驗(yàn)的速度快、效率高，對物理針對性和綜合性的實(shí)驗(yàn)容易展開，學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)中能夠體會(huì)到成功喜悅，更有利于學(xué)生積極性的提高［3］。實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)和圖形可以直接使用打印機(jī)進(jìn)行打印，直觀地向?qū)W生展示。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用現(xiàn)代化的教育手段，能夠在實(shí)驗(yàn)課堂中營造一種輕松活躍的教學(xué)氛圍，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和實(shí)驗(yàn)探究的興趣得到大大提高，有利于素質(zhì)教育目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3　虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)代技術(shù)在演示型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中比較常見的是演示型實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)課上教師的成功演示可以有效地提高學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)的興趣和注意力，提高實(shí)驗(yàn)課堂的效率。學(xué)生可以跟隨教師演示增強(qiáng)探討物理科學(xué)的勇氣和信心，激發(fā)學(xué)生對物理科學(xué)知識(shí)的探究興趣。演示型實(shí)驗(yàn)很大程度受實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的影響，如果實(shí)驗(yàn)室條件不佳，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，失去物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。在光的反射實(shí)驗(yàn)中，教師通過對實(shí)驗(yàn)演示，增加學(xué)生對光的反射定律的印象和原理的掌握。但在學(xué)校現(xiàn)實(shí)條件下，光的反射會(huì)受到多個(gè)方面的影響，光的反射效果不佳，會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)成功。教師可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)條件的限制。

因此，教師在實(shí)驗(yàn)前要先介紹幾個(gè)基本光的概念，包括入射光線、反射光線、法線、入射角、反射角，讓學(xué)生在掌握基本概念的基礎(chǔ)上對光的反射進(jìn)行初步認(rèn)識(shí)。然后運(yùn)用平面鏡和平行光源對光的反射原理設(shè)計(jì)相應(yīng)的模型，對光的反射現(xiàn)象進(jìn)行模擬演示，吸引學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究，并從實(shí)驗(yàn)中得出自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和光的反射原理以及規(guī)律。然后教師在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上讓學(xué)生拖動(dòng)鼠標(biāo)隨機(jī)增加入射角的大小，觀察光線的變化情況，并對不同角度的入射角和反射角進(jìn)行記錄，進(jìn)行兩者間的比較。最后，教師總結(jié)出規(guī)范性的光的反射定理。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在探究型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探究型實(shí)驗(yàn)是讓學(xué)生自主探究一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)出物理規(guī)律。探究型實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和自主探究的能力。探究型實(shí)驗(yàn)要在真實(shí)的現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用，但會(huì)受到外界各種因素的影響而阻礙實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，因此，教師可以在實(shí)驗(yàn)中借助虛擬現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，保障實(shí)驗(yàn)方案的順利進(jìn)行。

如在探究凸透鏡成像規(guī)律時(shí)，現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)受到光線的影響而無法正常進(jìn)行，對規(guī)律總結(jié)不利，因此可以采取虛擬現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先，教師使用實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，將物體由遠(yuǎn)及近逐漸靠近凸透鏡。在實(shí)驗(yàn)過程中讓學(xué)生觀察物體的成像特點(diǎn)，并針對出現(xiàn)的現(xiàn)象提出相應(yīng)的問題：物體距離凸透鏡的遠(yuǎn)近是否會(huì)影響凸透鏡的成像特點(diǎn)，并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的欲望。其次，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。先要?jiǎng)?chuàng)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)生把物體放置在離凸透鏡較遠(yuǎn)的位置，并拖動(dòng)鼠標(biāo)進(jìn)行操作，讓物體逐漸靠近凸透鏡，觀察物體成像的特點(diǎn)，并進(jìn)行記錄。最后總結(jié)出凸透鏡成像的特點(diǎn)，教師給予規(guī)范化的成像描述。

虛擬現(xiàn)代技術(shù)在操作型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用操作型物理實(shí)驗(yàn)是按照學(xué)生已有的物理知識(shí)進(jìn)行實(shí)際連接、安裝和設(shè)計(jì)，最后得出物理規(guī)律，發(fā)現(xiàn)物理問題。在大多數(shù)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生沒有這樣的機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)際的操作訓(xùn)練，達(dá)不到知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目的。因此，教師在物理實(shí)踐操作型實(shí)驗(yàn)中要加強(qiáng)學(xué)生的操作實(shí)踐能力，讓學(xué)生在實(shí)踐中獲得物理知識(shí)的學(xué)習(xí)，總結(jié)物理規(guī)律，積累物理經(jīng)驗(yàn)。

如在“探究電路短路問題”時(shí)要考慮到教學(xué)設(shè)備的安全問題，因此多數(shù)教師采取講解的方式，而學(xué)生不能親手操作，導(dǎo)致對短路問題理解比較膚淺，在面臨實(shí)際問題時(shí)無法進(jìn)行有效解決。在物理實(shí)驗(yàn)中，教師往往采用演示的方式向?qū)W生展示物理現(xiàn)象，學(xué)生缺少動(dòng)手實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；如果實(shí)驗(yàn)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生不但可以親手操作，還能親自體驗(yàn)短路現(xiàn)象，探究出短路的原因，避免實(shí)驗(yàn)發(fā)生不安全事件，優(yōu)化了教學(xué)的組織形式，也提高了教學(xué)的質(zhì)量。

教師首先將電線短路分解成不同的任務(wù)，讓學(xué)生自主探究。讓學(xué)生先了解電源短路的現(xiàn)象，知道什么是短路。讓學(xué)生在虛擬操作平臺(tái)上建立一個(gè)用導(dǎo)線連接電源兩極或者用導(dǎo)線將電源和開關(guān)連接起來的閉合電路，在連接電路時(shí)使用鼠標(biāo)拖動(dòng)相應(yīng)的元件到相應(yīng)的位置，組成電路，閉合開關(guān)，觀察電路現(xiàn)象；然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)，將電流表串聯(lián)到電路再閉合開關(guān)，觀察發(fā)生的現(xiàn)象。學(xué)生通過該次實(shí)驗(yàn)操作，了解到電源短路的有關(guān)知識(shí)以及產(chǎn)生的后果，得出電源短路會(huì)導(dǎo)致電流過大而燒毀電器，造成不安全事件的發(fā)生。

通過探究并聯(lián)電路中的短路現(xiàn)象，探究電路的問題。讓學(xué)生操作鼠標(biāo)將兩個(gè)燈泡并聯(lián)，開關(guān)與其中的一個(gè)燈泡并聯(lián)，觀察閉合開關(guān)時(shí)發(fā)生的物理現(xiàn)象，并觀察操作多盞燈并聯(lián)，其中一盞被短路時(shí)發(fā)生的物理現(xiàn)象。學(xué)生通過自主操作，當(dāng)閉合開關(guān)時(shí)，并聯(lián)的燈全部熄滅，保險(xiǎn)絲被燒壞。讓學(xué)生記錄每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并得出自己實(shí)驗(yàn)操作的結(jié)論。

利用虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以安全地進(jìn)行操作和探究物理問題，教師在實(shí)驗(yàn)中起到指導(dǎo)作用，學(xué)生可以體驗(yàn)到電路短路的問題和電路短路會(huì)發(fā)生的事故。這種實(shí)驗(yàn)會(huì)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，又對學(xué)生的安全不造成任何影響，不但保障了實(shí)驗(yàn)的效果，還保障了教學(xué)的效率。

4　總結(jié)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，將虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法融入科學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，體現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)還原物理真實(shí)情景，探究物理規(guī)律，積累物理經(jīng)驗(yàn)，有助于養(yǎng)成良好的科學(xué)精神，為物理教學(xué)質(zhì)量的提高做出重要貢獻(xiàn)。

［1］邢如玲.虛擬實(shí)驗(yàn)在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略研究［D］.長春：東北師范大學(xué)，2011.

［2］胡小波.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用［J］.武漢教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2001（3）：36-40.

［3］周燕.虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2008（5）：106-109.

G633.7

B

1671-489X（2016）03-0148-02

作者：張士榮，壽光市建橋?qū)W校，中級職稱，主要研究初中物理教學(xué)（262700）。