基于VR技術在初中物理教學中的應用

李志亮

【摘要】虛擬現實技術（Virtual Reality），下文簡稱VR技術，囊括計算機、電子信息、仿真技術，其基本實現方式是用計算機模擬虛擬環境給人以環境沉浸感的體驗。學生能夠參與場景互動，通過計算機在電腦屏幕上用三維空間的視覺把事物清楚地表達出來，增加信息表達的可視化效果。初中物理是研究物質運動的一般規律和物質基本結構的學科，教師在教學過程中呈現實驗可視化程度較弱，或者實驗危險性高，可以利用虛擬現實技術助力物理教學。筆者以《光的反射》為例，利用VR技術的獨特優勢，研究如何提升初中物理教學效果。實踐證明：運用虛擬現實技術可以有效激發學生的學習動機、培養科學思維，使學生更好地了解實驗現象與抽象原理之間的關系，符合物理學科核心素養的培養要求。

【關鍵詞】初中物理;虛擬現實技術;光的反射;信息可視化;核心素養

一、課題研究的背景

VR技術利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺等感官的模擬，與傳統的人機界面以及流行的視窗操作相比有了很大的突破。VR技術與希沃白板結合使用，支持軟件熱區和硬件快捷鍵，方便拖動、放大等操作，方便使用者的不同使用要求。

初中物理光學內容是八年級物理的重點，以往教師引導學生研究光的反射定律的時候，為了增加可視化效果，通常需要關閉窗戶、日照燈和拉閉窗簾營造黑暗環境。而最新研究表明，新型冠狀病毒以及普通流感都能夠通過呼吸道飛沫傳播和接觸傳播。若患者打噴嚏、咳嗽、說話的飛沫混合在空氣中，形成氣溶膠，可導致該病毒持續傳播，因此，開窗通風能有效降低室內細菌數量，從而降低傳播風險。

二、教學問題及研究意義

筆者在進行光的反射實驗中，發現光照強度影響演示實驗效果。讓一束光從空氣（讓加濕器把水噴灑到空氣中）斜入射到玻璃磚（圖1），在分界面分別發生反射和折射現象。由于大班授課空間距離的局限性，實驗室后排的學生可視化程度較弱。要使后排學生能清晰觀察到實驗，方法一：通常需要關閉窗戶、日照燈和拉開窗簾，而在疫情防控期間，封閉窗戶明顯不利于室內外空氣對流;方法二：通過增加激光強度，雖然可以提高后排學生觀看演示實驗的清晰度，但是容易使坐在前排的學生視力受損。

再者，在探究光的發射定律的實驗（圖2），較難說明反射光線、入射光線和法線在同一平面。其原因是，如果用方法一：用線光源入射，由于光線沒有厚度，很難讓這條光線落在紙板所在的入射平面上，較難研究三線共面。方法二：用面光源代替線光源入射（圖3），其好處是能直接讓光落在紙板上，當紙板NOF向后折疊的時候，的確紙板上沒有反射光線（圖4），但是如果當把紙板向前折疊，發現紙板上仍然能夠看到反射光線，顯然這種做法有其缺點。

三、理論依據和基礎設備

物理核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面的要素構成。科學思維的形成包括信息的輸入、內化和輸出三個階段，要形成好的科學思維，需要提供多種信息輸入模式，提高學習效果。當學生主動操作，也使學生的主體意識、主動性和創造性不斷發展，進而培養學生的創新意識和實踐能力。

本課題虛擬現實技術，基于Zspace環境進行。Zspace的基本硬件產品（圖5）有：

1.顯示器：24英寸高清顯示器采用Zspace頭部跟蹤立體顯示技術，可以通過調整Zspace支架的角度來調整視角舒適度。

2.Zspace眼鏡：Zspace使用需要佩戴3D眼鏡，這樣才可以看到立體效果，此眼鏡含反光點，跟蹤攝像頭用這些反光點來識別頭部位置。Zspace還配備有不帶反光點的2D眼鏡，觀察者可以佩戴這種眼鏡，而不會干擾跟蹤。

3.Zspace觸筆和鼠標：使用觸筆按鍵可以與場景中的對象交互。可以讓使用者在六個自由度輕松使用，使用者可以用觸筆進行六個自由度交互，而鼠標的使用和普通計算機的鼠標并沒有差別。

四、教學實操

反射定律各個基本概念的確立：一根光線沿AO入射到平面鏡（圖6），記錄反射光線OB，為了更好地研究反射光線和入射光線之間的關系，過O點作平面鏡的垂線定義為法線。研究過程發現法線是入射光線與反射光線的角平分線，因此，法線是兩光線的對稱軸。其次，學生通過閱讀教材，分別標注反射定律中的各個概念;最后，改變入射角的度數，測量出反射角的大小，記錄在學案上，在特殊情況下，當入射光線垂直于鏡面入射的時候，反射光線于入射光線重合，測量出反射角的大小，進而把反射角和入射角的大小關系記錄在實驗紙上得出結論。

利用VR技術，用3D的方式再現學生實驗：首先，請一位學生佩戴3D眼鏡打開Studio中的光的反射課程（圖7），可以直接移動激光筆生成3D圖像，通過用激光筆移動入射光線（設置每次入射光線的顏色不同），形成不同反射光線，進而學生能在電腦屏幕觀察到不同顏色的入射光線對應形成的反射光線。當入射光線垂直入射的時候，反射光線與入射光線重合，入射角和反射角都為零度。

VR技術，研究三線共面：由于空間兩條相交的直線必定在同一平面，也就是說反射光線和入射光線必定在同一平面上，教學難點在于展示包括法線在內的三條線是否在同一平面。學生通過運用激光筆，操作電腦折疊紙張（圖8），或者改變入射角度，都能在三維空間看出反射光線，入射光線，法線在同一平面。運用VR技術，能夠清晰展示了三線共面的3D效果，課室的不同角度都能看清。

演示漫反射和鏡面反射的原理：首先，提問學生為什么有的課室的黑板會出現“反光”現象？把反光的位置放大會觀察到什么現象？接著，先用激光筆操作電腦把正常位置和發生“反光”的位置放大，會發現正常位置表面粗糙，出現“反光”現象的位置平面比較光滑。讓學生先在學案上用三條相互平行的光線分別入射到光滑的面和凹凸不平的面，會發現經光滑面反射后的光線仍是平行的，入射到凹凸不平的表面，反射光線向四面八方。通過實驗和VR技術的展示，引出鏡面反射和漫反射的定義。0E6F6336-EAFB-4110-A30E-E848D2C094AD

五、效果分析

筆者分別用A、B兩組學生進行對照實驗，對VR技術的教學效果進行評估。對照組只是運用傳統實驗的方法，實驗組運用實驗和VR技術輔助教學的方法，授課后分別對兩組學生進行課后習題小測并且對實驗組60名學生進行問卷調查和一對一交流，根據習題小測的數據和談話內容進行分析。

課后小測共10道選擇題，其中節選第二題如下：小洋進行“探究光的反射定律”實驗（圖9），步驟如下：①把白紙放在水平桌面上;②在白紙上畫一條直線;③將平面鏡的一側與直線重合，并垂直壓在紙而上;④讓紅、綠、藍三束不同顏色的激光射向平面鏡的同一點O，如圖甲所示，其中藍色激光垂直平面鏡入射;⑤在白紙上用筆描繪出光路。記錄的結果如圖乙所示。下列說法正確的是（? ? ）

A.在圖乙中，反射光線A的顏色是綠色

B.紅光與平面鏡的夾角θ=26°，則這一束光線的反射光線形成的反射角大小為26°

C.小洋沒有找到藍光的反射光束，他認為當光垂直平面鏡入射時，不存在反射光

D.小洋用激光沿著BO方向入射，反射光線與綠色光束重合

從表1分析，運用VR技術輔助教學正確率較高。據考生回憶及觀察學生的答題情況，筆者發現只是運用實驗授課的學生，雖然看過書本對角度的定義，但是很自然地認為平面鏡與入射光線的夾角為入射角，對入射角的概念理解不深刻。而運用VR技術實驗組的學生對入射角概念印象深刻，實驗組的學生認為課堂上用立體空間的視角演示入射光線與法線的夾角為入射角現象具體，法線雖然是輔助線，但是其引入可以更好幫助研究入射光線和反射光線的關系，而且電腦顯示從不同角度入射的光線是不同顏色的，對應生成的反射光線也是不同顏色，由此可以說明運用VR技術視覺效果好。

一方面，學科核心素養要求教師培養學生在真實情境下解決問題的能力，更好的信息輸入是解決問題必要條件。具體來講，看書了解實驗不如視頻觀看實驗，視頻觀看實驗不如親手做實驗，除非是危險性極高的實驗不做，其它一般實驗都要讓學生有親身經歷過程，學生才會有所體會。另外一方面，能提供給學習者越多信息的輸入方式，其對信息的理解就會越深刻。眼睛看、耳朵聽、嘴巴說、動手做可以加深印象;線段用不同的顏色，不同的粗細等等可以顯示不同的重要性，VR技術可以通過電腦增加演示的方式，提升學習效果。

課后對運用VR技術進行授課的實驗組學生進行了問卷調查（表2），該問卷調查一共三道題，為常規問答分為：非常好、好、一般、差四個等級。其中第四題為開放性問題，調查結果如下表所示。

首先有96%的學生認為VR技術顯示效果清晰，并且在課堂上可以與設備進行互動喜歡這種參與方式;其次有93%的學生認為自己能夠通過動態圖像從不同角度了解光路的傳播路徑，并且能了解光的反射定律。96%的學生認為利用VR技術可以了解到生活中的反射現象發非常有趣。部分學生提出了一些開放性問題，例如，可以把VR技術的演示實驗換成學生實驗，讓更多的學生能參與其中，部分學生認為課件可以更加多元化，不僅僅展示光路和角度，而且可以把生活中有關光的反射的現象加入其中，讓大家在場景中了解光的反射定律的生活現象。

六、結語

基于VR技術成像的信息可視化效果好，讓用戶以直觀交互的方式實現對數據的觀察和瀏覽，從而發現數據中隱藏的特征、關系和模式。筆者通過《光的反射》這一教學案例研究發現，如果教學過程中只是做學生實驗，大部分學生是能通過實驗知道光的反射定律，但是由于部分學生實驗效果不明顯，導致實驗過程覆蓋面不廣，學生只是做到機械記憶。

如果將VR技術輔助于物理教學，學生能夠從三維度方向觀察到實驗效果，有效提升初中物理教學效果。《光的反射》只是VR技術的個案，其可視化效果可以應用于很多教學案例。比如，人教版九年級第十四章熱機，教師可以運用VR技術清晰展示熱機內部結構及運行過程。因此，運用VR技術對初中物理教學優勢明顯，一方面彌補傳統演示實驗教學的可視化效果差，另一方面使教學手段多樣化，激發學生興趣、提高學生參與課堂的程度、助力科學思維的培養。

由于教育硬件的投入和普及需要教育相關部門的支持，而優秀師資的培訓需要時間教學的課程內容與編程內容需要整合和優化。因此，一定程度阻礙了VR技術的發展。但是VR技術有其獨特的優勢，相信隨著技術的迭代和完善，在相關部門的努力下，VR技術能夠發揮其多元化、自主化和探究化的優點，使初中物理教學能夠多樣化發展，助力物理學科核心素養的形成。

[本文系廣東省中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0專項科研課題“VR技術在初中理化生微觀實驗教學中的應用與突破”（課題立項號：TSGCKT202009）的研究成果]

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責任編輯? 楊? 杰0E6F6336-EAFB-4110-A30E-E848D2C094AD