淺析VR技術在初中物理情境教學中的應用

潘碧云

摘 要：當前物理教學中常用的信息技術手段普遍存在場景二維化、體驗性不足等瓶頸問題，在突破初中物理情境教學的困境時總功虧一饋。隨著教育信息化的發展，VR（即虛擬現實）技術給傳統教學方式帶來變革和創新，應使它有機地服務于物理情境教學。

關鍵詞：信息化；VR技術；情境教學；體驗；沉浸性；交互性； 想象性

現代教育改革新理念指出，“情境教學是以心理學為根據，遵循學生學習心理規律，充分發揮出學生的內在潛能。”在物理教學中，情境法已成為一種常用的方法。物理的學科基礎是觀察和實驗，然而，在傳統的物理教學中，很多現實的客觀局限導致物理實驗和觀察無法取得理想的教學效果，常使教學陷入困境。隨著教育信息化發展，現代信息技術在物理情境教學中得到廣泛應用，一定程度上提高了教學質量，但是，一些信息技術手段的局限性逐漸凸顯，有待更先進的信息技術加以彌補改善。

1 應用信息技術突破物理教學困境時遭遇瓶頸

1.1 在傳統物理課堂中存在的教學困境

（1）物理現象呈現時間不足，稍縱即逝

例如，九年級“內能”的這節教學中使用“空氣壓縮引火儀”的演示實驗中，棉花燃燒的現象稍縱即逝，學生常常還沒仔細觀察，實驗現象就已結束，使實驗的教學效果大打折扣。

（2）物理現象微弱平淡，可觀性低

課堂上當物理現象微弱平淡時，沒有強烈視覺沖擊效果，學生探索的興趣會降低，甚至注意力分散，導致出現教師唱“獨角戲”的尷尬局面。

（3）對有時空局限性的物理現象或規律，難以獲得直觀體驗

在物理教學中，師生也常常能體會到時空給教學的限制。那些涉及漫長時間性和廣袤空間性的物理現象或規律的教學，課堂上學生難以獲得直觀體驗和經歷。

（4）有危險性實驗操作不能在課堂上進行

出于安全考慮，有一定危險性的實驗操作在課堂教學中一般都被放棄，如八年級物理“大氣壓強”課中的“托里拆利實驗”，因實驗物質是水銀，有一定的毒性，所以幾乎不進行當堂演示。

1.2 當前信息技術應用在物理教學中存在著瓶頸

（1）場景二維化，互動匱乏，學習情境的體驗性低

當前物理教學中信息技術的應用方式多樣化，如交互式教學白板的廣泛使用，以課件輔助教學，視頻呈現，動畫仿真，還有微課、慕課，它們的應用緩解了上述的物理教學困難。但是，由于這些信息技術的顯示方式都是二維化，且互動形式單一，借助它們學生雖能看到物理現象，并未曾真實經歷和立體體驗其過程，很多學生常容易由知識的探索者淪為情境的旁觀者。

（2）主流功能停滯在知識重現層面，不適應信息時代的發展對人才培養的更高要求

建構主義強調，學習者進入學習情境前是有其知識儲備的，并不是空著腦袋的[ 1 ]。當代中學生是在信息大爆炸的背景下成長起來的，在各種電子產品普及的今天，他們能方便地利用各種工具獲取信息，學習方式因此也呈現出碎片化、便捷化的特征；他們缺乏的不是知識的呈現，而是對知識的體驗經歷和深度認識。信息時代的發展對人才的培養提出了更高的要求，學生個體對知識整合、轉化和創造能力的培養都有待強化。而當前教學中常用的信息技術主流功能還停滯在知識重現的層面上，也使得注重知識傳授的傳統教學模式日益捉襟見肘。

教育中提倡的因材施教是要適應時代發展背景的，是要求教學模式和信息技術手段要根據當代中學生特點進行改良的。為此，筆者關注到了虛擬現實技術（簡稱VR）的發展。

2 探索VR在初中物理情境教學中的應用

習近平總書記在2016年G20峰會上重點提及的未來三大核心技術之一就是虛擬現實（簡稱VR），引起了教育界的高度重視。美國NMC2016年3月發布的2016高等教育版《地平線報告》首次將VR列入，并視為未來2-3年解決深度學習矛盾的關鍵技術之一。因此，VR在初中物理教學中的應用值得我們去思考、探索。

2.1 VR簡介

（1）什么是VR

虛擬現實，即Virtural Reality，簡稱VR，也叫人工環境。它是通過計算機模擬產生的三維空間，是一個虛擬的世界。它給使用者提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬體驗，使用者能即時、不受限制地對三維空間內的事物進行觀察，如同身臨其境一般[ 2 ]。

（2）VR的基本特征

基本特征： 三個I （ immersion-interaction-imagination），即沉浸—交互—想象，突出了人在虛擬系統中的主導作用[ 2 ]。

2.2 將VR應用于初中物理情境教學中的意義

（1）理論意義

情境教學注重對學習者的感覺的訓練、直覺的培養和創造性的發展，其中滲透著形象、情感和想象的過程，給學習者帶來無限的快樂與活力[ 3 ]。這個觀點和VR體現的沉浸、交互和想象的特征恰是環環相扣。VR沉浸性的體現在于其構造的虛擬學習環境具有著真實世界一樣的感受力；交互性是促進知識內化、激發學習情感的樞紐；虛擬現實中豐富的想象資源能成功打開學習的廣闊想象空間，拓展認知范圍。建構主義學習理論認為學習是在預定的情境中實現的意義建構過程，構成學習環境的四大要素分別是“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”[ 1 ]。VR就是通過創設沉浸式情境體驗學習，通過人機自然交互對話，通過協作活動實現意義的建構，促進知識的生成，其特性體現了建構主義學習理論思想。由此可見，VR的基本特征與現代教育理論完全契合，順應了教育信息化的發展要求。

（2）實際意義

①改變傳統教學模式，變革學習方式和認知方式

VR技術應用于教學，帶來學生學習方式和認知方式的變革，傳統教學中的口授耳聽的模式被打破，代替它的是一種沉浸式體驗學習。VR的硬件是頭盔顯示器和其他設備，學生帶上頭盔顯示器之后，和現實環境有了一定的隔離感。結合VR軟件和物理實際教學需要，引領學生進入已預設好的三維學習情境中，從視、聽、觸等全方位感官模擬體驗，向學生提供一種身臨其境、引人入勝的沉浸感，讓物理學習變得更加生動有趣且高效。

②引領交互模式的變革，破除了物理課堂時空局限

VR課件創建的三維空間效果改進了二維化呈現的不足，同時，也引領交互模式的變革。多樣的傳感器設備將學生和系統化為一個整體，實現自主控制人機交互；VR技術的應用也徹底破除了物理課堂的時間和空間的局限，物理教學中需要長時間進行的實驗過程、科學的發展歷程等，在虛擬現實中，可濃縮在短時間內讓學生經歷；虛擬環境中的視覺空間設置可以大到宇宙天體，小到分子、原子內部結構，打破了空間局限。VR還彌補了實驗設備的不足，那些具有危險性、想象性的物理實驗或場景，學生只要在教室里，便可獲得真實體驗，豐富感性認識。

③打開想象空間，促進創造力的培養

創造性是以豐富的想象力為基礎的，VR本身就是信息科技時代的一種創造性技術，它具備了豐富的想象力資源。它通過模擬情境，設計與物理原型（物理現象或過程）相似的虛擬模型，并利用該虛擬模型間接研究物理原型的規律特點。在物理教學中，如牛頓第一定律中的物體不受力的情境、失重的世界等，這些在傳統課堂上只能推理、想象的物理情境，都可以通過VR技術讓學生得以體驗經歷，它不僅極大程度上激發學生的學習興趣，而且打開了學生的想象空間，拓寬了認知范圍，延伸了學習深度，促進創造力的培養。

2.3 如何將VR技術應用于初中物理情境教學

近期，筆者做了教學探索，在九年級“分子熱運動”這節課中，運用VR課件進行的實際課堂教學，得到很多寶貴的經驗，該課的教學視頻榮獲了我國“部級”優質課稱號。在此實踐基礎上，筆者針對VR技術在初中物理情境教學的應用進行了分析和總結。

（1）精選合適的VR課程，精心設計課程

VR技術和物理教學有機結合的前提是精選合適的課程。隨著教育信息化發展，初中物理課程在內容的設置上，更加關注學生的原型經驗和興趣發展，強調“物理知識來自生活”，強化了物理知識與社會和科技發展的聯系。根據初中物理課程特點，使用VR技術教學，宜選擇顯性認知類課程，或作為輔助手段應用于其他類型課程的情境創設，促進“緘默知識”的獲得[ 4 ]。如九年級物理的“分子熱運動”，該課適合使用VR技術引導學生認識物質的微觀結構；又如“核能”，該課可以用VR模擬核反應堆的相關實驗場景，讓學生沉浸體驗；還有物理教學中涉及的很多有現實因素制約的情境體驗都可以結合VR進行教學。

選定課程的基礎上，精心設計課程是非常關鍵的。VR課程教學設計要結合教學目標、內容、教法、學情等各方因素，緊扣課程標準，設計上要體現出物理知識與生活實際的聯系，關注學生學習興趣和能力的發展，培養學生正確的情感態度價值觀；要讓VR技術與其他信息媒體有機結合，集采各家之長，協同互補；課程設計時要關注物理知識的內在深刻性與啟發性，而不是利用VR技術表面做“秀”。

（2）精準制作VR課件，發揮VR教學輔助的功能

在教師完善的課程設計基礎上，依照課程設計要求進行VR課件制作。VR教學課件必須是符合客觀規律，依照實際教學需要進行精準開發制作的。由于具有技術難度，當前的VR課件還需要依靠專業工作人員進行開發制作。在物理教學中，某些戶外實驗或危險性實驗等，可以通過全景相機拍攝產生真實的代入感，生成VR課件，但是，總體上都有較高的資金門檻；針對教學專門設計的互動型VR課件，還有較高的技術門檻，這也是當前VR技術在教育領域全面普及應用還需完善的方向。精準開發VR的課件，在教學中不能喧賓奪主，它僅作為輔助手段服務于情境教學。課堂的主體是學生，主導者是教師，VR課件的使用是輔助學生實現對情境的體驗，但缺乏的是真實的情感交流，畢竟是虛擬現實，不可完全替代現實中的物理實驗，也不能代替師生的情感交流，所以，它起到的是輔助教學的功能。

（3）實現知識的精彩生成，提高教學質量

VR課程精心設計和課件精準制作，目的是為了優化課堂結構，實現知識的精彩生成，提高教學質量。教育家蘇霍姆林斯基說：“在人的心里深處有一種根深蒂固的需要，這就是希望自己是一個發現者、研究者、探索者。”初中生普遍熱情且充滿活力，他們的內心具有這種強烈精神的需要。將VR技術應用于教學中，讓學生在教師精心設置的情境中通過虛擬環境扮演一個生動的角色，從而促進他們全身心地投入學習，成為知識的發現者、探索者、研究者，體驗知識的形成與發展。這樣的課堂能讓學生充分發揮出學習的積極性、主動性和創造性，實現知識的精彩生成，提高教學質量。使用VR進行教學，要求教師具備對新信息資源進行收集、處理、整合的基本能力，教師課后還要做到自覺反思，積累使用經驗，提高VR技術的使用效益，增強自身運用新信息技術的能力，促進教學水平的提高。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》明確指出：“提高教師應用信息技術水平，更新教學觀念，改進教學方法，提高教學效果，鼓勵學生利用信息手段主動學習、自主學習，增強運用信息技術分析解決問題的能力，加快全民信息技術普及和應用。”21世紀是全球信息數字化、學習網絡化的時代，以互聯網為核心的現代信息技術發展日新月異，教育信息化特征也日益凸顯。教育信息化未來的發展方向將從學習環境的改善或學習工具的改進，轉變到了更高層次的學習體驗的提升，以VR為代表的“沉浸式教育”正逐漸成為新標桿[ 5 ]。作為新時代的物理教師，必須不斷加強教育理論的學習，形成與時俱進的教育觀念，增強專業教學能力，提高信息技術素養，形成多元化的教學智慧，為我國素質教育的發展貢獻一份力量。

參考文獻：

[1]高文，徐斌艷，吳剛等.建構主義教育研究[M]. 北京：教育科學出版社，2008.

[2]汪超順.虛擬現實的特點與應用[J].科學大觀園，2009（2）.

[3]李吉林，田本娜，張定璋等.情境教學—情境教育[M].濟南：山東教育出版社，2000.

[4]盧寧，盧輝炬.虛擬現實與緘默知識的獲得[J]. 廣西師范大學學報，2012，38（4）.

[5]安維華.虛擬現實在教育技術中應用的思考[M].北京：清華大學出版社，2014.