探討VR技術(shù)在高中物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

汪紫婕

（廣州市第十六中學(xué)，廣州 510080）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）構(gòu)想最初是在二十世紀(jì)八十年代早期出現(xiàn)的，它的內(nèi)容是基于人機(jī)交互手段這個(gè)基礎(chǔ)的創(chuàng)新，使用的是計(jì)算機(jī)和新式的傳感器工藝。VR技術(shù)讓人們把概念上的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用實(shí)踐的手段投入到中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)里面，借此研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在物理實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用前景以及投入與收獲的性價(jià)比。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成長是建立在不斷進(jìn)化的計(jì)算機(jī)科學(xué)之上的復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)性技術(shù)，它可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的意愿形成類同的模擬實(shí)驗(yàn)情景，實(shí)驗(yàn)的人可以親身體會(huì)到實(shí)驗(yàn)基中周遭環(huán)境的改變。其中虛擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了計(jì)算機(jī)里面的圖形形成技術(shù)，采取用 虛擬 的手段模仿實(shí)驗(yàn)環(huán)境和流程，這樣就能方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)投入到物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)里面，不僅讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段生動(dòng)科學(xué)，而且可以讓同學(xué)對物理學(xué)習(xí)充滿積極性和趣味性，而且運(yùn)用虛擬技術(shù)可以讓教學(xué)資源的分布變得合理化和高性價(jià)比化。和之前經(jīng)典的實(shí)體操作不同，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以任意設(shè)置工具和儀器，而且能夠消除設(shè)備數(shù)據(jù)誤差，在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整出多組數(shù)據(jù)，另外它在物理實(shí)驗(yàn)中限制很小，幾乎都能應(yīng)用。虛擬實(shí)驗(yàn)對設(shè)備的損耗微小，不會(huì)受到實(shí)驗(yàn)室大小和工具種類的限制，因此能夠提高實(shí)驗(yàn)的凈收益。這種實(shí)驗(yàn)技術(shù)是以高端計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的，所以能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的高效性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性，可以應(yīng)用在多原理和手段的物理實(shí)驗(yàn)中，通過這種實(shí)驗(yàn)手段，同學(xué)對物理學(xué)習(xí)的積極性大大提高，資源的共享也增加了同學(xué)學(xué)習(xí)的效率。虛擬實(shí)驗(yàn)里面得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以連接計(jì)算機(jī)上的打印機(jī)直接打印出來，更加地適于互相探討和分享。將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)投入到物理學(xué)科教學(xué)之中，可以使同學(xué)和教師寓教于樂，在一種輕松愉悅的環(huán)境中學(xué)習(xí)知識(shí)，通過這樣開展的教學(xué)使得同學(xué)對學(xué)習(xí)物理的好奇心日益增長，有助于高效地完成教學(xué)目標(biāo)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中物理實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用

目前高中物理實(shí)驗(yàn)的分類大致分為：測量型實(shí)驗(yàn)、探究型實(shí)驗(yàn)、演示型實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)等。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何投入到演示型實(shí)驗(yàn)里

在物理的課堂上，教師們常常用到演示實(shí)驗(yàn)。同學(xué)在觀察過教師對物理實(shí)驗(yàn)的演示之后，能夠激發(fā)自己對物理學(xué)科內(nèi)容的好奇心和求知欲。由于自身特性，演示實(shí)驗(yàn)的完成效果會(huì)被實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境所改變，若是周圍實(shí)驗(yàn)條件不好則實(shí)驗(yàn)效果也會(huì)不好，這樣實(shí)驗(yàn)就不夠準(zhǔn)確了。在做光的反射實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師會(huì)運(yùn)用演示設(shè)備告訴同學(xué)們光反射的基本原理以及現(xiàn)象。由于實(shí)驗(yàn)室外界的光線條件不可控制，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的效果的完成度也會(huì)受到波及，這樣就失去了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。但是如果教師使用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)來補(bǔ)完在現(xiàn)實(shí)條件下無法控制的元素，就能改善這一結(jié)果。實(shí)體實(shí)驗(yàn)中無法完全獲取的平行光，可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)來補(bǔ)充，之后再根據(jù)平面鏡對光的反射的相關(guān)知識(shí)，將該實(shí)驗(yàn)對同學(xué)進(jìn)行演示。之后再讓同學(xué)從中領(lǐng)悟，從自己的角度總結(jié)出從光反射演示實(shí)驗(yàn)中觀察得到的結(jié)論和規(guī)律。教師還可以讓同學(xué)輪流使用儀器，選取一個(gè)自己的入射角然后觀察光的反射，然后將自己的數(shù)據(jù)記錄下來，和其他學(xué)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行類比。根據(jù)同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師綜合起來得到較為規(guī)范的光反射規(guī)律。

2.2 VR如何運(yùn)用在一些探究型實(shí)驗(yàn)之中

探究型實(shí)驗(yàn)注重培養(yǎng)同學(xué)的動(dòng)手能力和對真理的一種探索精神。教師合理的利用VR技術(shù)來讓學(xué)生們在虛擬現(xiàn)實(shí)之中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，不僅排除了可能對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響的因素，而且會(huì)讓同學(xué)更有新奇感，激發(fā)同學(xué)的實(shí)驗(yàn)興趣。就拿探討凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)舉例，在現(xiàn)實(shí)中光線會(huì)對該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生非常大的影響，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期結(jié)果產(chǎn)生較大的差距，所以可以利用VR技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)的七大步驟，教師首先在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作，在進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教程之后同學(xué)對實(shí)驗(yàn)之中一些現(xiàn)象提出想相關(guān)的問題，然后教師讓同學(xué)們對這些問題的答案進(jìn)行一些假設(shè)和猜想，比如凸透鏡和物體之間的距離的長短會(huì)對成像產(chǎn)生怎樣的影響等。之后學(xué)生們在教師創(chuàng)立好的一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)空間里進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作，先將物體放在離凸透鏡較遠(yuǎn)的距離，然后緩緩的利用鼠標(biāo)縮小物體和凸透鏡的距離，觀察這一過程中物體透過凸透鏡成像的特點(diǎn)，然后用相關(guān)的物理知識(shí)總結(jié)出規(guī)律。老師在學(xué)生總結(jié)完規(guī)律之后再用規(guī)范的物理知識(shí)解釋凸透鏡成像的原理。

由于中學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)課程時(shí)間較少，同學(xué)對這類實(shí)驗(yàn)可操作的次數(shù)沒有那么多，使得一些學(xué)到的知識(shí)沒有得到實(shí)踐操作的鞏固而容易忘記，不能完成相關(guān)的教學(xué)目的。所以為了使同學(xué)學(xué)的知識(shí)和實(shí)踐操作能夠得到完美的融合，可以利用VR技術(shù)來完成一些現(xiàn)實(shí)生活中難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，使得同學(xué)們能夠在實(shí)驗(yàn)之中結(jié)合自己已經(jīng)學(xué)到的知識(shí)，增加對物理學(xué)科的興趣，打下堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)。比如中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的 探究電路短路問題 這一實(shí)驗(yàn)之中由于現(xiàn)實(shí)設(shè)備如果短路會(huì)對設(shè)備造成很大的損壞，所以難以在現(xiàn)實(shí)之中完成，大多數(shù)老師們只能通過課堂講解的方式讓同學(xué)們懂得電路短路的有關(guān)物理知識(shí)，所能夠?qū)W到的知識(shí)非常有限，在面臨現(xiàn)實(shí)中實(shí)際電路短路的時(shí)候也無法運(yùn)用及時(shí)有效的途徑去解決，雖然有一些老師用演示的方法對有關(guān)知識(shí)進(jìn)行了講解，但是依然無法讓同學(xué)們可以自己動(dòng)手進(jìn)行相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)操作。相反，如果利用VR技術(shù)，就可以模擬出電路短路的物理實(shí)驗(yàn)，讓同學(xué)們可以直接動(dòng)手進(jìn)行相關(guān)的操作，不僅讓同學(xué)們懂得了電路短路的產(chǎn)生原理，也讓同學(xué)們知道了如何進(jìn)行有效的解決短路問題。而且由于采取的是虛擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)，可以避免了現(xiàn)實(shí)之中可能導(dǎo)致安全隱患因素的產(chǎn)生。在電路短路實(shí)驗(yàn)之中，首先是電源短路，同學(xué)們在設(shè)立好的虛擬空間利用鼠標(biāo)將一根導(dǎo)線直接將電源正負(fù)極連接起來，觀察電路現(xiàn)象，然后將所有元件用導(dǎo)線連接起來組成線路，觀察電路的情況，用電流表測量電路之中的電流，用電壓表測量負(fù)載的電壓。記錄好測量的數(shù)據(jù)，然后將電源短路，再用電流表測量電路的電流，用電壓表測量負(fù)載的電壓。對比兩次測量數(shù)據(jù)的不同，總結(jié)電路短路的規(guī)律和特點(diǎn)，然后同學(xué)結(jié)合自己已經(jīng)學(xué)到的知識(shí)和剛剛在實(shí)驗(yàn)之中的操作，可以得到如果電源短路就會(huì)導(dǎo)致電路之中的電流超過負(fù)載的額定電流，導(dǎo)致負(fù)載也就是我們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫碾娖鞅粺龎牡?。通過實(shí)驗(yàn)之后同學(xué)們也會(huì)知道如何可以預(yù)防電源短路的現(xiàn)象的產(chǎn)生以及產(chǎn)生之后的處理方法，使得同學(xué)們對于電路問題的理解更加的深刻了。探究完電源短路之后還可以探究負(fù)載被短路的情況，比如同學(xué)可以利用鼠標(biāo)將兩個(gè)或者更多的燈泡串聯(lián)在一起，然后用鼠標(biāo)控制導(dǎo)線將小燈泡正負(fù)兩級連接在一起，用電流表測量此時(shí)電路的電流，然后用電壓表分別測量未短路燈泡的電壓和短路燈泡的電壓，將小燈泡短路和未短路的作比較和將短路電源和短路燈泡的電路中的電流作比較，總結(jié)出兩者的不同和相關(guān)的規(guī)律。之后如果有機(jī)會(huì)還可以讓同學(xué)們做出并聯(lián)電路中燈泡的短路會(huì)對電路帶來什么影響等擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，這種利用VR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)在保證了實(shí)驗(yàn)的安全性和不被影響性的情況下可以極大的激發(fā)同學(xué)們對于物理世界的探索興趣。

3 結(jié)束語

通過對VR技術(shù)在中學(xué)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的可實(shí)現(xiàn)性和優(yōu)點(diǎn)的分析和討論，可以看出VR的虛擬技術(shù)其實(shí)對中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)有著非常大的作用，還原了實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)精神，保持對真理織織不倦的探索精神。虛擬技術(shù)高度模擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，提升中學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

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