基于VR技術的中學物理教學研究回顧與展望

聶麗宇 李洋 李艷芳 張雨

【摘要】本文在文獻研究的基礎上，回顧了物理教育中應用虛擬現實VR（VirtualReality）技術的發展之路。結合VR技術應用于物理教學的現實情況，分析了VR技術應用于中學物理教育的可行性。在分別研究課堂教學、實驗教學、線上教學三種不同的方式，采用虛擬技術實現物理教育教學智能化的同時，分別分析了它們的不同之處和優缺點，以期達到培養學生創新實踐能力。

【關鍵詞】虛擬現實技術;中學物理教育;VR

物理學科是一門理論與實踐結合的學科。中學物理教材中的文字、圖片，課件中的視頻等很難將復雜的物理概念、物理模型清晰呈現，又由于中學生認識思維的局限性，在學習一些抽象性知識難以理解時，對物理學習容易失去信心。如今以傳統實驗室教學為主是中學物理實驗課程的主流，但是因其存在準備時間較長、課堂效率較低，還存在潛在安全風險等問題，導致學生參與度不高且很難激發學生對物理實驗探究的欲望。將虛擬現實技術應用于中學物理教學中，通過沉浸互動體驗，讓學生如同身臨其境一般，觀察電腦中模擬三維空間內的事物，進入到知識的虛擬現實世界，促進學生的理解和記憶，有利于教師實施探究式教學巨指導學生探究式學習。

在中國知網（CNKI）中以“虛擬現實技術與教學”為主題進行檢索，對虛擬現實技術與教學的研究文章數以千篇，但以 “虛擬現實技術”加“物理教學”為主題進行檢索，總結并繪制出發表的文獻數量和相關的年份關系圖，如圖1所示。對于以“虛擬現實技術”加“中學物理教學”為主題進行檢索時，知網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年虛擬現實技術開始被提及運用于物理教學以來，國內開始有相關的學者開始研究虛擬現實技術應用于物理教學，但研究的相關文獻較少。由于對理論基礎的研究較發達國家略有落后，我國對于VR技術在物理教學中使用的研究還相對較少，而且發展時間較短，所以研究成果暫時不及國外豐碩。國內對VR技術在教育領域的研究，主要是高校利用虛擬實驗模擬虛擬工程應用于教學，少數中小學也開始研究將虛擬實驗應用于課堂教學，實驗教學等。

一、在教學中應用VR的技術理論基礎

VR技術包括計算書嗆」建虛擬現實數據和VR處理模塊，通過輸入模塊、反饋模塊等多種傳感器技術實現用戶與該虛擬環境多維度，多感官的實時人機交互，其系統主要結構組成如圖2所示。

當VR應用于學習環境構建時，其核心的技術有：環境的動態建模技術、實時感知繪制技術、立體多維顯示技術。

1.環」竟的動態建模技術

實驗裝置的動態環境建模技術是虛擬現實技術應用的核心，借助計算機強大的數據處理能力，將真實客觀環境和虛擬環境數據轉化為三維立體虛擬環境。

2.實時感知繪制技術

實時感知繪制是能夠令用戶通過計算機圖形和硬件為基礎，實現在物理模型、用戶行為和視覺感知上的真實體驗，實現逼真生動的模擬。其中實現的實時性包括對對象變化的實時計算與實時跟蹤，借助計算機的實時繪制功能達到預期體驗目標。

3.立體多維顯示技術

利用眼睛對立體視覺差產生的綜合神經反射，通過光學技術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基礎上，產生了三維立體感覺。

二、在中學物理教學中應用VR技術有哪些途徑

通過文獻的閱讀與總結，整理出物理教學中應用VR技術的途徑分類為以下三種：

1.應用于課堂教學

課堂教學是教學的主要途徑，對于物理學科這類抽象性思維要求比較高的科學來說，也是運用虛擬現實技術的主要情境。此外，物理學是一門以實驗為基礎的私陣羚，在物理課堂基礎教學中亦不可避免地會涉及到大量的實驗儀器和設備。在傳統的物理課堂教學課件中，一般的處理方法有兩種：一是通過圖片或視頻進行演示和說明。其優點是制作方法簡單、效率高。缺點是缺乏交互性且二維圖象很難完整體現各種設備的全部細節;二是通過編程設計出物理模型或者實驗裝備。其優點是具有較強的交互性。缺點是制作過程較復雜、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。而虛擬現實技術的介入，將至少在以下三個方面有助于解決教師以上的困擾、幫助學生對問題的理解：

（1）采用虛擬現實技術設計三維的研究對象，如電磁場的模型，可以解決二維平面表達造成學生劉概念理解不全面的問題;（2）通過虛擬現實技術演示一些具有潛在的危險，而不便于現場演示的實驗，或一些硬件設備太過高昂的實驗;（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，則可以通過虛擬現實技術進行真實的模擬。

2.應用于物理實驗

可運用虛擬現實技術構造虛擬現實實驗室，物理學科經常涉及三維物理模型的構建，通過VR技術完成一個包含三維模型或環境定義的數據庫，實現可交互的虛擬環境，可以靈活地從任意角度觀察物理模型，VR技術提供滿足教學大綱要求的可實時操作的工具，包括頭盔、鼠標、游戲桿和定位跟蹤器等。虛擬現實實驗室主要有兩種分類：

（1）非交互式虛擬實驗室：學生登陸網站，選擇觀看實驗內容，但是不能自己動手移動虛擬實驗器材進行實驗，

（2）交互式式虛擬實驗室：指網上學生不僅可以觀看實驗內容，還可運用上文介紹的輸入設備對實驗過程實施進行操作。目前在中學物理中比較流行的交互式虛擬實驗室有NB物理實驗網站或者APP，操作較簡單。虛擬實驗室的設計主要是運用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點，如，操作性強、參與感佳、隨機性好、實施效果優等，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。

3.應用于線上教學

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

通過總結和分析三種途徑，并給出了對應的優點與不足給出適當的建議，如表1所示。

三、結語

回顧虛擬現實技術應用于物理教育的發展之路發現：在物理教學中，VR技術可以彌補因為實驗設備、實驗場地等方面的原因而造成的感性認識不足，加深學生對教學內容的理解;對于物理實驗操作中不自信，擔心損壞實驗儀器的學生，或在實驗操作時因得不到正確數據和結論而浪費太多時間的學生來說，采用中斷錯誤操作的VR設計，并且VR系統中操作簡便、實驗儀器可重復使用，學生可放心大膽地操作;虛擬現實還能幫助提高線上物理教學質量，線上上課也能讓學生進行虛擬現實的實驗操作。通過VR技術理論研究、技術實現，以及在課堂教學，物理實驗，線上教學三方面的分析總結，基于VR技術實驗在中學物理教學中有的良好效果，應當積極地開展VR教學平臺和相關實驗的開發工作。應在大學物理師范專業中大力開展相關虛擬現實技術的教學工作，讓大學本科畢業生也有能夠制作簡單3D虛擬現實實驗的基礎，在今后的教學應用研究中，需要加強對VR技術應用于教學平臺的建設和改進。

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