基于VR 技術物理實驗教學策略分析

孫春艷

（安慶師范大學數理學院，安徽 安慶246133）

0 引言

物理實驗在物理課程中占比較高。隨著教育規模的逐漸擴大，其教學對于物理實驗設備、實驗環境等要求不斷提高，因此，傳統實驗教學模式已不適應于當前教學現實，并在一定程度上影響著物理教學的發展。而VR 技術的出現則有效的彌補了物理實驗傳統教學的不足，進一步提高其教學質量。所以需要深入研究VR 技術與物理實驗教學的融合，并探索出推動物理實驗教學發展的實踐路徑。

1 VR 技術

1．1 內涵

VR 技術是指Virtual Reality，中文翻譯為虛擬現實，二十世紀以來，該技術是一種全新的實用技術，主要是指在計算機技術、人機接口技術、仿真技術等技術的綜合的基礎上建立的高新技術，通過在多維空間中建立一個虛擬環境，讓用戶親自參與其中，并同環境進行良好的交互。

1.2 特點

在物理實驗教學中，VR 技術方面的應用具有三個典型特征，其一是沉浸式，即通過構建一個仿真的虛擬世界，讓人們看到、聽到其中所發生的一切，這一真實性能夠讓人們全方位沉浸在這一虛擬世界中。其二是交互性，主要通過多種傳感器，與多位化信息的環境進行交互作用，實現環境的開放性，從而對使用者的輸出作出響應。其三是構想性，VR 技術是基于物理實驗特點以及教學實際而涉及構建的虛擬世界，學生可以從定性、定量等方面集成物理實驗環境中獲得感性和理性的認知，從而提高其對物理實驗內容的理解和掌握。

2 VR 技術與物理實驗教學融合

2．1 VR+教育理論

VR 技術具有沉浸性、想象性、具象化等特正，將其應用于物理實驗教學，能夠為學生提供多個維度的沉浸、交互和認知，進而增強其學習體驗、提高其學習效率。

（1）建構主義理論。構建主義理論認為知識的構建主要來源于實際生活的體驗，唯有在實際情境中，知識才能真正被了解、認識，而教學活動則是為學習者創設學習情境，促使其在學習的體驗中認識和理解知識。基于VR 技術的沉浸性、想象性等特征同構建主義所強調的情景式教學完美契合，結合物理實驗教學，還原現實生活，讓學生身臨其境的去認知理解新知識，從而構建自我的知識體系。

（2）具身認知理論。該理論認為人類的認知不僅僅由大腦控制，還由自身對外界的感知得到。其一，影響人類認知過程的重要因素之一是身體對外界環境的感受，人類的大腦除控制身體之外，還受到了身體感受的影響；其二，知識的獲取需要一定環境，人們的身體在與周遭環境進行信息交流的同時，身體的各部分感官也在發出同樣的信號并相互融合，形成整體感受，這一感受將直接影響人的認知過程，因此，認知、身體和環境實際上是一個動態的統一體。而VR 技術能夠推動這一有機體的融合發展。

（3）“做中學”理論。傳統的教學方法以教師口授的方式，往往只重視知識教育。學生的學習是機械被動的，忽略了創新思維的培養。杜威在“做中學”理論中強調，學習是行動副產品，教師可以從營造“做”的環境的方法來引導學生思考以此獲取知識，這一教學理論為VR 技術在物理實驗教學中的應用提供了堅實的理論基礎。借助VR 技術，營造了逼真的實驗環境，讓學生在這一環境中動手實踐，掌握實驗原理和方法，進而形成自己的知識體系，同時還激發了學生的學習興趣并提高了學習效率。

2.2 優勢與特征

（1）拓展實驗教學的內容和空間。VR 技術應用于物理實驗教學，可以從內容和空間兩個方面提高其實效性。其一，VR 技術搭建的虛擬實驗平臺，可以完成傳統教學實驗中難以完成的一些危險性實驗或成本較高的實驗，解決了實驗設備及儀器不足等問題；其二，傳統物理實驗教學大多局限在一維的物理空間，而VR 技術則可以拓展為物理實驗空間和虛擬空間相融合的二維空間，在此環境中教師無須移動實驗設備且能夠靈活組織教學，從而提高教學效率。

（2）借助虛擬現實技術創設仿真情境。VR 技術能夠借助多種技術創設仿真情景，將學生迅速殆盡學習氛圍中，進而產生沉浸感，將因此若在物理實驗教學中運用VR 技術，那么學生就能夠在仿真情境中親自體驗和探究知識的基本概念與獲取方式，從而較容易掌握實驗內容與結論，進而深化探究，為真實的實驗累積經驗。同時，學生也可以從實踐過程中發現一些無法預料到的問題，并不斷改進，這樣既能夠鞏固其對知識的掌握，還能夠培養獨立探究和創新思維。

（3）降低試錯成本，提升教學效率。在VR 技術基礎上搭建的方針實驗平臺能夠降低物理實驗中的是錯成本，讓學生大膽嘗試，體驗生活中難以實現的情境，幫助學生尋找到理論知識同具體實踐之間的差別與聯系，從而更好都掌握物理實驗原理和內容。同時，這一仿真實驗平臺的智能搜索等功能還能夠及時解決學生在實驗中遇到的困難，提高其實驗效率。

3 VR 技術在物理教學中的應用實例

物理實驗教學是一門操作性很強的課程，純粹靠課本上的文字以及教師口授是無法真正理解教學知識、把握其中核心內容，因而無法達到其預期的教學效果，而VR 技術的出現能夠有效彌補這一不足，接下來將著重討論在實驗教學中的具體應用。

3.1 VR 技術在演示實驗中的應用

演示實驗是在理論教學中最常用的方法，一般對于教具的要求較高，但是對于復雜的實驗和理論知識，傳統教學只能通過口授教學方法，很難描述清楚。但目前可以借用VR 技術，制作教學仿真課件，以立體、真實的漫游畫面展現環境、場景以及目標物，只需鼠標和鍵盤操控，讓學生身臨其境完成知識的理解和掌握。比如，在機械加工的屏幕仿真教學課件中，學生可以激活模擬物吊車，并控制吊車進行移動，同時將重力、慣性等力學算法輸入物品中，其運動軌跡同現實生活中移動情況完全相同，學生可以在用鼠標控制調查觀察其變化，從而掌握這一知識點。

3.2 VR 技術在測量實驗的應用

測量類實驗室物理實驗中常見的實驗類型，其目的在于檢測學生能否靈活操作實驗器材，而這些測量實驗復雜程度參差不齊，若果學生無法親身試驗，將無法熟練掌握這一操作技術，在實際教學中，因物理實驗教學儀器有限，在一節物理實驗教學中，教師無法確保每一位學生都親身參與物理實驗，而借助VR技術能夠有效輔助物理實驗教學，構建出相對應的虛擬實驗系統，為物理實驗教學提供各種儀器模型，且其參數通真是物品相一致，這能夠最大限度地確保學生在進行模擬實驗時的安全性以及準確性。

3.3 VR 技術在探究實驗的應用

探究性實驗也是物理實驗教學中的重要實驗類型，這一實驗類型以“問題”為導向，指導學生通過分析、觀察、探索物理實驗內容，最終得出物理結論，通過這一實驗，能夠幫助學生找到物理知識的本質，進一步加強學生觀察物理知識和探究物理理論的能力，提高其科學素養，但此類實驗易受外界因素的影響，而借助VR 技術能夠彌補這一不足。如，“凸透鏡成像規律”實驗中，教師在上課前先通過大屏幕為學生導入相關知識內容，隨后向學生提出探究問題，即“凸透鏡和物體之間的距離是否會影響凸透鏡成像結果”。隨后讓學生自由思考，并提出自己的猜想，隨后教師可以引導學生利用VR 技術完成實驗，來驗證個人猜想，并得出真實結論。這樣一來，學生可以通過真實的實驗情景來逐步提高自身觀察能力，豐富其物理學習效果。

4 加強VR 技術在物理實驗教學中的實踐策略

4．1 搭建教學環境平臺

加快VR 技術在物理實驗教學中的應用首先應當搭建教學環境平臺。首先，加強管理模塊建設，一方面應當加強對申請注冊、權限設置、咨詢服務等平臺系統的管理；另一方面應當加強對師生基本信息、課程設置、學習情況等內容的管理，確保教學活動的順利展開，并未學生提供便捷的服務。其次，應當加強虛擬教學資源庫的建設，包括虛擬素材、電子教學案例等等，滿足教學需求，提高教學效果。此外，教學效果的好壞需要相應的教學評價進行評判，唯有建立適當的評價方式，才能不斷提高教師教學質量，因此，要不斷優化平臺的智能評價系統，統一評價標準、豐富評價指標，為教師教學提供更加科學的指導。

4.2 實現情境化教學

理論知識的學習過于單調和乏味，而借助情景式來構建知識能夠產生良好的效果，在物理實驗中，如果學習者能夠通過特定的場景來構建知識結果，那么將能夠起到意想不到的效果，因此，教師應當借助VR技術來建立仿真的實驗情境，形成逼真的立體效果，進而使學生沉浸于此，自主建立知識結構。例如在物理實驗中，教師可以建立虛擬化學習實驗操作場景，讓學生在該場景中了解各種實驗一起的操作、材料的使用以及實驗步驟、安全隱患等等，幫助學生更好地了解物理實驗室，進而提高其實驗效率。

4.3 加快促進技術的發展

VR 技術的發展需要多方力量的推動，因此，政府、學校、行業應當共同攜手促進技術的發展。首先，應當充分發揮其政府宏觀調控的作用。一方面政府應當立足于實際，并結合市場發展需求制定VR 技術行業發展標準，進一步規范其產品生產，解決當前各種VR 產品關鍵技術、儀器間不能對接、無法批量化生產等問題，進一步推動VR 產品的生產發展；另一方面，政府應當盡快出臺相關政策，從稅收減免、資金補貼等方式為產業的發展提供有力的政策保證，推動行業全力研發VR 產業核心技術，推動其在教學領域的應用。其次，加快企業的研發進度。一方面，企業應當加快VR 技術的研發，不斷提高視覺傳感、觸覺反饋等關鍵性技術； 另一方面企業還應當加強VR 技術同教育領域的融合發展，繼續優化當前VR 產品，加快研發速度，為物理實驗教學提供更優質的教學設備。

4.4 深入拓展教學應用

VR 技術在營造教學環境、 提高教學效率等方面有著積極的作用，因此，未來應當繼續拓展VR 研究教學，提高教學實效。首先，教學創新和教學改革離不開參考案例的分析，要想將VR 技術成功應用于物理實驗教學，就應當加強研究分析，形成完整的教學模式和基本理論。此外，虛擬時間教學過程較為復雜，要想將這一技術成功應用于教育領域，真正將其變成現實，這與教育者有著莫大關系。教師是教育的主導者，其應當以教學實際和學生需求為基礎，針對VR 技術教學展開教學理論的探究，創建詳細有效的學習理論模型，設計出相應的課程教學內容以及監督和評價機制，完善教學過程，進一步提高教學效率。

5 結語

為了提高教學效果，本論文提出了VR 技術融合到傳統物理實驗教學中，分別從VR 技術原理、VR 技術與物理實驗教學融合、VR 技術在物理教學中的應用實例、加強VR 技術在物理實驗教學中的實踐策略等方面進行了深入討論，此技術在物理實驗教學中的運用，增強了學生的學習興趣以及創新思維，為物理教學提供了新的思路。