虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探究“三體運(yùn)動”

李昊霖 鄭鋒士 蔡蘇

【摘 要】物理抽象概念的表示以及理想的物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬，一直是中學(xué)物理學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)。一些抽象思維尚未完全成熟的高中生難以準(zhǔn)確地想象天體運(yùn)行的規(guī)律。而虛擬現(xiàn)實(shí)以其沉浸性、交互性、想象性的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確模擬虛擬的“理想環(huán)境”，形象地表示抽象的概念，并能讓學(xué)生與實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行交互，以解決傳統(tǒng)物理課堂中情境性、沉浸感、互動性不強(qiáng)的問題。本文設(shè)計、開發(fā)“三體運(yùn)動”VR教學(xué)軟件，并通過在實(shí)踐中應(yīng)用該軟件，探索了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中物理學(xué)習(xí)中的影響及效果。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)；VR教學(xué)；高中物理；三體運(yùn)動

【中圖分類號】 G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2018）010-074-03

前 言

物理是高中階段非常重要的學(xué)科，學(xué)生通過對物體運(yùn)動本質(zhì)規(guī)律的參悟，會幫助其塑造辯證、科學(xué)的世界觀和人生觀[1]。但抽象的物理概念的理解，復(fù)雜的物體運(yùn)動規(guī)律的參悟，理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬一直是學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)的難點(diǎn)，這些虛幻游離的力、電、磁等，往往令學(xué)生望而生畏。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為物理教學(xué)帶來了新的機(jī)遇，恰好可以解決上述這些問題。虛擬現(xiàn)實(shí)可以創(chuàng)設(shè)逼真的三維多感官環(huán)境，同時環(huán)境還會對參與者行為產(chǎn)生相應(yīng)的反饋，應(yīng)用于教學(xué)中，可實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)、創(chuàng)設(shè)心理沉浸感[2]。本研究聚焦高中物理重點(diǎn)內(nèi)容“萬有引力定律”，開發(fā)并應(yīng)用“三體運(yùn)動”VR教學(xué)軟件，旨在探究VR技術(shù)在高中物理學(xué)習(xí)中的影響及效果。

VR技術(shù)在物理學(xué)科中的應(yīng)用案例

1.國外VR技術(shù)在物理學(xué)科中的應(yīng)用

國外大學(xué)很早就開始關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理學(xué)科中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為物理虛擬實(shí)驗(yàn)。美國科羅拉多大學(xué)的一個研究團(tuán)隊(duì)，基于Java和VR技術(shù)研發(fā)了一套物理學(xué)科的“PhET系列互動仿真軟件”，該軟件通過虛擬實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生理解抽象的概念和隱含的關(guān)系[3]。該軟件以寓教于樂的方式，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。美國路易斯安那州立大學(xué)的學(xué)者，將VR和AR技術(shù)在物理教學(xué)（主要為力學(xué)、電磁學(xué)等）中的應(yīng)用模式進(jìn)行了對比[4]。研究結(jié)果表明，這兩類技術(shù)均能促進(jìn)教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的質(zhì)量。此外，還有美國俄勒岡大學(xué)設(shè)計的物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站“VLab”，以及卡羅萊納州立大學(xué)開發(fā)的基于WEB的“探究型虛擬物理實(shí)驗(yàn)室”等眾多應(yīng)用[5]。

2.國內(nèi)VR技術(shù)在物理學(xué)科中的應(yīng)用

與國外相比，國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用起步較晚，但近年來越來越受到重視。同樣，也主要集中于多媒體輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

中國科技大學(xué)人工智能與計算機(jī)應(yīng)用研究室開發(fā)出了一個“幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計平臺”，該系統(tǒng)基本涵蓋了中學(xué)物理的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過該虛擬系統(tǒng)提供的實(shí)驗(yàn)儀器，完成或練習(xí)大部分的光學(xué)實(shí)驗(yàn)。西安科技大學(xué)開發(fā)了一套“通信原理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要基于Matlab技術(shù)，不僅有較強(qiáng)的交互性，而且操作簡單，十分人性化[5]。

運(yùn)用VR技術(shù)開展高中萬有引力定律教學(xué)的實(shí)證研究

筆者開發(fā)了一款“三體運(yùn)動”VR教學(xué)軟件，模擬出“萬有引力定律”章節(jié)中的實(shí)驗(yàn)，對“三體運(yùn)動”進(jìn)行直觀的表現(xiàn)，創(chuàng)設(shè)一個沉浸式的、交互性的虛擬教學(xué)環(huán)境。

1.“三體運(yùn)動”VR教學(xué)教具

“三體運(yùn)動”VR教學(xué)軟件基于C#語言、Unity3D平臺設(shè)計開發(fā)，并以“智能手機(jī)+Cardboard”作為終端。通過Unity3D創(chuàng)建三個球體代表三體，為每一個球體添加了運(yùn)動軌跡，并將三個球體的物理屬性設(shè)為剛性球體碰撞。以“萬有引力定律”和“牛頓第二定律”為基礎(chǔ)來模擬三個球體的相互運(yùn)動。

2.用戶操作

使用該軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，學(xué)生只需戴上CardBoard，向左便能看到導(dǎo)航界面，可以自主選擇想要觀察的場景。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)場景后，學(xué)生在觀察時可以通過改變頭部位置凝視交互的方式，來改變每個球體的位置、質(zhì)量、速度等，觀察由此發(fā)生的運(yùn)動改變，實(shí)現(xiàn)其與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容交互。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究選擇北京市八一中學(xué)高二年級的一個班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共計40位學(xué)生和1位物理教師。在師生體驗(yàn)了軟件后，發(fā)放問卷，并隨機(jī)抽取5名學(xué)生（3男2女）和1名教師進(jìn)行訪談，收集他們對該應(yīng)用的感受及建議。

通過對問卷和訪談數(shù)據(jù)的分析，主要包括學(xué)生對VR教學(xué)的已有經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度、滿意度及效果評價，得出以下結(jié)論。

（1）高中生對VR的已有經(jīng)驗(yàn)

研究發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生對VR技術(shù)有一定了解，但是了解不多；大多數(shù)學(xué)生都曾經(jīng)體驗(yàn)過VR產(chǎn)品，但是體驗(yàn)不多。絕大多數(shù)學(xué)生沒有體驗(yàn)過VR在教學(xué)中的應(yīng)用。

（2）高中生對VR教學(xué)的態(tài)度

學(xué)生整體上對VR教學(xué)持非常積極的態(tài)度。使用VR教學(xué)軟件前后的數(shù)據(jù)對比顯示，“三體運(yùn)動”VR軟件顯著提升了學(xué)生對VR教學(xué)的興趣。有95%的學(xué)生表示愿意或非常愿意在未來教學(xué)中能應(yīng)用VR，特別是在“物理、化學(xué)、生物、地理”等學(xué)科。他們期待通過VR教學(xué)提升他們對內(nèi)容的興趣和學(xué)習(xí)積極性。

（3）師生對VR教學(xué)教具的滿意度

體驗(yàn)過VR教學(xué)軟件后，100%的學(xué)生都對該軟件的界面設(shè)計、交互設(shè)計、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、架構(gòu)設(shè)計表示滿意，其中75%以上的學(xué)生表示非常滿意。同時，學(xué)生們也對軟件的交互設(shè)計提出了更高的期望。

（4）師生對VR教學(xué)教具效果的評價

問卷和訪談數(shù)據(jù)都表明，教師和學(xué)生們都非常認(rèn)可VR教學(xué)軟件的教學(xué)效果，包括：能夠創(chuàng)設(shè)生動形象的學(xué)習(xí)情境、有助于萬有引力定律的理解、有助于對空間三體運(yùn)動的理解、有助于擴(kuò)展物理知識、有助于提升物理學(xué)習(xí)興趣。

物理教師表示，“這款軟件對于幫助學(xué)生理解天體運(yùn)動和相關(guān)知識很有幫助，它很適合作為物理教學(xué)的輔助軟件”。幾乎所有學(xué)生都對這款VR教具表現(xiàn)出了濃厚的興趣，均認(rèn)為該軟件創(chuàng)設(shè)了生動形象的學(xué)習(xí)情境，能夠加深他們對知識點(diǎn)的理解，因?yàn)樗鼘ⅰ翱床灰姟钡臇|西變得直觀了。他們說，“這款軟件能夠把那些看不見、摸不著、離我們非常遙遠(yuǎn)的東西呈現(xiàn)在我們眼前，使它們具體化了，幫助我們更深刻地理解”。

總 結(jié)

“三體運(yùn)動”VR教學(xué)軟件體現(xiàn)了VR在物理學(xué)科教學(xué)中的潛力。通過本研究發(fā)現(xiàn)，VR在教學(xué)中的應(yīng)用非常必要且充滿潛力，高中生有濃厚興趣；VR教學(xué)軟件在創(chuàng)設(shè)情境、提升學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)知識理解方面存在積極有效的作用。它以其構(gòu)建學(xué)習(xí)情境、形象化抽象內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)自然交互的優(yōu)勢，既可以用于內(nèi)容展示，又可以實(shí)現(xiàn)探究式學(xué)習(xí)[3][5]，其提升學(xué)習(xí)動機(jī)、優(yōu)化學(xué)習(xí)效果的作用展現(xiàn)得淋漓盡致。

物理學(xué)科需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，這意味著VR技術(shù)在物理教學(xué)中有巨大的發(fā)展空間[6]，也有更多的探索之處。哪些內(nèi)容適合VR技術(shù)？如何將其融入學(xué)習(xí)活動中？如何使VR工具更便捷、更具可獲得性？這需要更多設(shè)計人員和實(shí)踐者的參與，進(jìn)一步優(yōu)化其效果，并解決成本過高的問題，早日實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)進(jìn)課堂。

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作者單位：1.北京市八一中學(xué) 2.北京師范大學(xué)教育學(xué)部教育技術(shù)學(xué)院 3.北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室