初中物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的研究

趙慧勤 周世菊 張?zhí)煸?/p>

摘要：研究通過(guò)分析中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，提出了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不全、實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限、實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺乏創(chuàng)造性等問(wèn)題，同時(shí)討論了探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)原則和過(guò)程、實(shí)現(xiàn)技術(shù)與方法，并通過(guò)案例進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：探究性；三維虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2016）02-0055-04

探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

1.認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論

認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論把學(xué)習(xí)看作對(duì)信息進(jìn)行主動(dòng)選擇和理解的過(guò)程，認(rèn)為人的認(rèn)知過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)信息加工過(guò)程，知識(shí)不是由外界刺激直接給予的，而是外界刺激和認(rèn)知主體內(nèi)部心理過(guò)程相互作用的結(jié)果。采用三維虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，認(rèn)知對(duì)象從傳統(tǒng)的與現(xiàn)實(shí)世界打交道，變成與虛擬世界進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生了一種新的認(rèn)知方式。因此設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須從學(xué)生的認(rèn)知心理出發(fā)，注重學(xué)生的具體經(jīng)驗(yàn)和對(duì)情境的了解，使學(xué)習(xí)者新舊知識(shí)之間的同化能順利完成，最終促進(jìn)自己的認(rèn)知發(fā)展。

2.情境學(xué)習(xí)理論

情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，特定的知識(shí)應(yīng)該在特定的情境中去學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)是一個(gè)社會(huì)性過(guò)程，知識(shí)在這個(gè)過(guò)程中由學(xué)習(xí)者與周圍環(huán)境相互作用共同構(gòu)建。情境學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者應(yīng)經(jīng)歷社會(huì)真實(shí)情境，通過(guò)實(shí)際活動(dòng)使其在真實(shí)情境中學(xué)習(xí)知識(shí)、技能和策略，對(duì)知識(shí)做合理的解釋并能靈活運(yùn)用知識(shí)。因此，設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程所需要的各種情境，為學(xué)生主動(dòng)探究提供環(huán)境支撐。

3.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是建構(gòu)內(nèi)在心理表征的過(guò)程，學(xué)習(xí)者以已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)與外界的相互作用來(lái)建構(gòu)新的理解，學(xué)習(xí)者知識(shí)的獲得是個(gè)體與外部環(huán)境交互的結(jié)果。因此，設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須提供靈活的交互方式，同時(shí)為學(xué)習(xí)者提供豐富的資源和工具，方便學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的探究活動(dòng)，有效建構(gòu)自己的知識(shí)。

中學(xué)物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)原則

直觀性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，增加學(xué)生者親身體驗(yàn)的經(jīng)歷。由于操作步驟復(fù)雜、觀測(cè)過(guò)程漫長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴等原因而無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)要逼真模擬，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象抽象和微觀的就要突破時(shí)空限制轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^呈現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程不能及時(shí)控制的要設(shè)計(jì)關(guān)鍵現(xiàn)象模擬情境，使學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境下，便于觀察物理現(xiàn)象，更好地理解和掌握實(shí)驗(yàn)原理。

交互性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供更多交互的環(huán)節(jié)和實(shí)時(shí)的反饋，方便學(xué)習(xí)者選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件、改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)。使學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境下，按照自己的學(xué)習(xí)特征、學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)方式進(jìn)行主動(dòng)探究。

開(kāi)放性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)資源和工具，使學(xué)習(xí)者能夠按照自己的興趣自由地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、演示實(shí)驗(yàn)效果，并提供及時(shí)的反饋。

趣味性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供能夠激發(fā)好奇心和求知欲的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象，能夠吸引學(xué)生的注意力，給學(xué)習(xí)者悅?cè)さ捏w驗(yàn)，激發(fā)其學(xué)習(xí)物理的興趣。

2.設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）實(shí)驗(yàn)類型和主題的設(shè)計(jì)

按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為：聲音類、光學(xué)類、電路類、電磁類、理學(xué)類、能量類。本研究從眾多實(shí)驗(yàn)中選擇了部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)仿真，具體包括真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不易觀察的實(shí)驗(yàn)、真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不易控制的實(shí)驗(yàn)兩類。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)共包括實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)提示、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)四個(gè)模塊。其中，實(shí)驗(yàn)介紹包括儀器介紹和內(nèi)容介紹。儀器介紹闡述虛擬實(shí)驗(yàn)中用到的關(guān)鍵儀器的功能、使用方法等。內(nèi)容介紹闡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理等；實(shí)驗(yàn)操作是虛擬實(shí)驗(yàn)的核心部分，通過(guò)分析該階段學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)交互式的用戶界面和探究性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和步驟，在三維虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作，完成實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)提示是指對(duì)實(shí)驗(yàn)中容易出錯(cuò)的地方為學(xué)生提供必要的幫助；實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

中學(xué)物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

1.主要開(kāi)發(fā)工具的選擇

探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、各種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的三維建模，以及提供探究活動(dòng)的虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)的開(kāi)發(fā)，用到的開(kāi)發(fā)工具主要包括三維建模工具3ds Max和虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具Unity 3D。

（1）3ds Max

3ds Max是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的基于PC的三維動(dòng)畫制作、編輯、播放與三維建模和渲染軟件。它具有易于使用、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是許多個(gè)人和公司用戶首選的三維建模與動(dòng)畫軟件。3ds Max被廣泛應(yīng)用于廣告、影視、游戲開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、角色動(dòng)畫、工業(yè)設(shè)計(jì)和輔助教學(xué)等諸多領(lǐng)域。

（2）Unity 3D

Unity 3D是由Unity Technologies公司推出的一款強(qiáng)大的3D跨平臺(tái)游戲引擎，包括圖形、光照、音頻、渲染、物理和網(wǎng)絡(luò)等多方面的引擎支持，目前已不僅僅局限于游戲開(kāi)發(fā)，而成為強(qiáng)大的綜合性虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具，在虛擬漫游與實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)、人體數(shù)字化展示等領(lǐng)域都得到有效應(yīng)用。

2.開(kāi)發(fā)流程

三維虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)步驟為：①三維虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)儀器的建模；②分析學(xué)生的心理和認(rèn)知結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)探究環(huán)節(jié)；③設(shè)計(jì)交互界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的交互操作；④測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化；⑤發(fā)布虛擬實(shí)驗(yàn)。

3.探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)

（1）實(shí)例1：布朗運(yùn)動(dòng)

①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：布朗運(yùn)動(dòng)是由微觀分子間做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)而形成的。在現(xiàn)實(shí)生活中，難于操作，不易觀察，只有借助顯微鏡才能觀察，使得學(xué)生缺乏創(chuàng)造力和空間想象力。而在三維虛擬實(shí)驗(yàn)中可以克服這些不足，利用Unity 3D提供的物理引擎，可以很好地模擬微觀分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)交互式的界面接口，使學(xué)生可以通過(guò)控制溫度變化或調(diào)整微觀分子大小，模擬微觀分子的運(yùn)動(dòng)變化情況，從而使實(shí)驗(yàn)者更好地理解布朗運(yùn)動(dòng)。

②虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)器材的三維建模。實(shí)驗(yàn)采用3ds Max對(duì)三維仿真實(shí)驗(yàn)中用到的模型進(jìn)行構(gòu)建，主要包括實(shí)驗(yàn)桌、實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)主界面如下頁(yè)圖1所示。

③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)提供了兩個(gè)觀察角度，即宏觀和微觀，宏觀角度用來(lái)展示實(shí)驗(yàn)前的狀況；微觀角度用來(lái)展示微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀況，通過(guò)使用攝像機(jī)效果，使得觀察者能夠清晰地看到微觀世界中分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)驗(yàn)操作界面如下頁(yè)圖2所示。

下面詳細(xì)介紹微觀角度下實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。首先，學(xué)生點(diǎn)擊微觀按鈕后，攝像機(jī)被激活顯示，同時(shí)向液體分子拉近，這時(shí)出現(xiàn)圖2所示的界面，屏幕下方出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)條用于控制條件，一種是溫度變化，一種是分子大小變化。這里用到了NGUI插件里的Tween Position動(dòng)畫。其次，液體分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)模擬是用Unity自帶的碰撞檢測(cè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)分子之間相互碰撞時(shí)，會(huì)觸發(fā)自身的碰撞檢測(cè)，從而受到一個(gè)反向作用力被反彈回去。當(dāng)多個(gè)分子發(fā)生碰撞時(shí)，它們的運(yùn)動(dòng)就會(huì)變得毫無(wú)規(guī)律，從而形成了無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

（2）實(shí)例2：光的反射與折射

①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：光的反射與折射定律探究的是光從一種介質(zhì)照射到另一種介質(zhì)時(shí)發(fā)生傳播方向改變的光學(xué)現(xiàn)象。在現(xiàn)實(shí)生活中，為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和靈活性，特別要保證三線共面，需要實(shí)驗(yàn)操作細(xì)致，入射角、反射角、折射角的測(cè)量也很費(fèi)時(shí)，且不易控制。而在三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中可以克服這些不足，利用Unity 3D可以很好地模擬光線的反射、折射現(xiàn)象，以及入射角、反射角、折射角之間的關(guān)系。

②虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)器材的三維建模。本實(shí)驗(yàn)采用3ds Max對(duì)三維仿真實(shí)驗(yàn)中用到的模型進(jìn)行構(gòu)建，主要實(shí)驗(yàn)儀器如圖3所示。

③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)用來(lái)展示入射角變化時(shí)，反射角、折射角的變化情況，通過(guò)圓盤上的刻度標(biāo)定，能夠隨時(shí)讀出確切的值，實(shí)驗(yàn)者能夠清晰地看到入射角、反射角、折射角的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)操作界面如圖4所示。

結(jié)束語(yǔ)

新技術(shù)、新媒體的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)教育教學(xué)改革具有推動(dòng)作用，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)初中物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)，能夠有效改進(jìn)傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，為學(xué)生進(jìn)一步理解基本概念、掌握實(shí)驗(yàn)規(guī)律和實(shí)驗(yàn)原理，提供了主動(dòng)探究的環(huán)境，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有重要價(jià)值，對(duì)探索信息技術(shù)環(huán)境下中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬發(fā)揮，李獻(xiàn)業(yè)，鐘永江，陳紅珍.初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式研究[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2010（9）：48-50.

[2]姬洪強(qiáng).《現(xiàn)代教育技術(shù)》虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].金華：浙江師范大學(xué)，2009.

[3]張秀敏.仿真實(shí)驗(yàn)室在初中物理虛擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2015（11）：158-159.

[4]張林譽(yù).初中物理虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中師范大學(xué)，2013.

[5]徐一帆.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的中學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.

[6]單美賢.虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)的分類研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2011，21（10）：117-120.

[7]白偉潔.高中物理探究性虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2014.

[8]朱柱.基于Unity3D的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2012.