虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用創(chuàng)新研究

張梓峰

（山東省青島第九中學(xué)，山東青島，266012）

0 引言

當(dāng)今中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程仍然是以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)為主，因其存在準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)、課堂效率較低、參與熱度不高，還存在潛在安全風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，已很難滿足廣大熱愛物理學(xué)科的中學(xué)生對(duì)物理問(wèn)題的探究欲望。其后引入的“翻轉(zhuǎn)課堂”、“電子書包進(jìn)教室”、“遠(yuǎn)程直播互動(dòng)”等物理創(chuàng)新教學(xué)形式，雖然在一定程度上激發(fā)了大家對(duì)學(xué)科的積極性，但是仍未能提高大家的物理能力素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)[1]。而從2016年（VR元年）高速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其多感官沉浸、實(shí)時(shí)交互、三維實(shí)景動(dòng)態(tài)模擬等特點(diǎn)迅速滲透到包括臨床醫(yī)學(xué)、工業(yè)仿真、汽車設(shè)計(jì)、航空航天、游戲娛樂(lè)、文物保護(hù)等幾乎各個(gè)領(lǐng)域。因而隨“互聯(lián)網(wǎng)+”模式出現(xiàn)后又發(fā)展出“VR+”這種前沿技術(shù)應(yīng)用模式，自然聯(lián)想到將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)課程改革創(chuàng)新，通過(guò)其無(wú)法比擬的沉浸互動(dòng)體驗(yàn)，讓大家不再害怕學(xué)習(xí)物理，不再頭疼物理實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而促進(jìn)大家對(duì)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣及核心素養(yǎng)的提高[2]。

本文結(jié)合自己對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理解，創(chuàng)新性地提出將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)，為提高大家參與物理實(shí)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)物理規(guī)律開拓思路，同時(shí)也促進(jìn)對(duì)計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步掌握，為后續(xù)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

1 VR技術(shù)概況

■1.1 VR系統(tǒng)構(gòu)成

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是集實(shí)時(shí)處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等為一體的典型新技術(shù)。VR技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)創(chuàng)建虛擬環(huán)境，并通過(guò)多種傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶與該虛擬環(huán)境多感官、多層次、多維度的實(shí)時(shí)人機(jī)交互，其一般系統(tǒng)組成如圖1所示。

計(jì)算機(jī)被稱為“虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)”，是虛擬環(huán)境的載體，是建造虛擬世界的地基。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的構(gòu)建與生成、環(huán)境內(nèi)容數(shù)據(jù)的運(yùn)行與處理、實(shí)時(shí)人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)等，同時(shí)也承擔(dān)互聯(lián)網(wǎng)的接入、云端數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出等。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

■1.2 VR在教學(xué)應(yīng)用中的核心技術(shù)分析

虛擬現(xiàn)實(shí)VR技術(shù)是一門典型的交叉性技術(shù)，其涵蓋的技術(shù)主要有動(dòng)態(tài)建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、立體顯示技術(shù)、視覺(jué)跟蹤技術(shù)、多感知技術(shù)和語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等，當(dāng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建時(shí)[3]，其核心的技術(shù)有：動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)、立體多維顯示技術(shù)。

(1)動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置的動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的核心，其主要是針對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境或目標(biāo)模擬環(huán)境進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，其最終目的就是借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，將真實(shí)客觀環(huán)境和虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維立體虛擬環(huán)境。

(2)真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制技術(shù)

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的需要，真實(shí)感實(shí)時(shí)繪制是以當(dāng)前計(jì)算機(jī)圖形和計(jì)算機(jī)硬件為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物理模型、實(shí)際行為和視覺(jué)感知上的真實(shí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)逼真生動(dòng)的模擬。其中實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性十分重要，包括對(duì)對(duì)象變化的實(shí)時(shí)計(jì)算與實(shí)時(shí)跟蹤，需要借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪制功能達(dá)到預(yù)期實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

(3)立體多維顯示技術(shù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目的就是展示三維立體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c過(guò)程演示，該技術(shù)的本質(zhì)是利用眼睛對(duì)立體視覺(jué)差產(chǎn)生的綜合神經(jīng)反射，通過(guò)光學(xué)技術(shù)為眼睛提供兩幅具有特定位差的圖像，這樣在人們的視覺(jué)和心理反應(yīng)基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了三維立體感覺(jué)。

2 VR在物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用分析

■2.1 應(yīng)用背景分析

高中物理實(shí)驗(yàn)主要涉及到“測(cè)定金屬電阻率”、“描繪小燈泡的伏安特性曲線”、“測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”以及“練習(xí)使用多用電表”這四個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于電器元件精密不易操作、操作平臺(tái)數(shù)量少，往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)課堂內(nèi)全員參與全過(guò)程實(shí)驗(yàn)，因此造成有的實(shí)驗(yàn)是以小組形式進(jìn)行，無(wú)法保證人人獨(dú)立參與，這種局限性導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)理解不深，甚至影響實(shí)驗(yàn)獨(dú)立設(shè)計(jì)思考能力。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)過(guò)程中，電學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)情況往往與課本直接對(duì)接而弱化了自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)這一過(guò)程。如在電學(xué)實(shí)驗(yàn)“測(cè)定金屬電阻率”中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，可得，其中需要實(shí)驗(yàn)測(cè)量的物理量有金屬絲長(zhǎng)度L、直徑d及電阻R?；诮滩膶?shí)驗(yàn)，引入螺旋測(cè)微器測(cè)量金屬絲橫截面直徑。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，老師在課堂中一般只提供螺旋測(cè)微器一種長(zhǎng)度測(cè)量工具，在課堂上易出現(xiàn)傳授方式死板、僵化等問(wèn)題。

■2.2 VR設(shè)計(jì)方案

(1)硬件配置

中學(xué)物理的VR教學(xué)配備的硬件設(shè)備應(yīng)符合成本低、操作簡(jiǎn)易、可長(zhǎng)時(shí)間佩戴、符合人體工學(xué)等特點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)最大限度的保持其沉浸性和交互性。

增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（Augmented VR）為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的硬件設(shè)配方案。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)允許用戶同時(shí)看到虛擬世界和真實(shí)世界，虛擬世界的對(duì)象是真實(shí)世界的一種疊加或組合，既可對(duì)現(xiàn)實(shí)物體進(jìn)行虛擬操作，也降低了虛擬環(huán)境構(gòu)建所需要的硬件門檻，且不失與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互，是一種亦虛亦實(shí)的系統(tǒng)。用戶可基于三維立體顯示器或桌面式一體機(jī)作為教學(xué)平臺(tái)兼計(jì)算機(jī)處理設(shè)備，將模型進(jìn)行三維投影，用戶佩戴光學(xué)透視眼鏡可接收三維投影模型，利用數(shù)據(jù)手套或三維輔助鼠標(biāo)對(duì)投影模型進(jìn)行操作。這種與現(xiàn)實(shí)立體環(huán)境整合的硬件系統(tǒng)，既能滿足使用者與虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)交互，也降低了昂貴的硬件成本，利于VR教學(xué)的普及。

(2)構(gòu)建元件數(shù)據(jù)庫(kù)

類似沙盒游戲《Minecraft》當(dāng)中玩家使用“麥塊”作為單元構(gòu)建虛擬世界，物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用需要對(duì)各類基礎(chǔ)用電器的結(jié)構(gòu)、功能、作用進(jìn)行基本建模。其中一個(gè)電路需要運(yùn)作，必須包含電源、用電器和閉合的回路，如在實(shí)驗(yàn)“測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”中，所需要的電器元件包括：電源（可由1.5V干電池、3V鋰電池或?qū)W生電源代替）、單刀開關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)電流表、標(biāo)準(zhǔn)電壓表、滑動(dòng)變阻器（最大阻值20Ω或100Ω）及導(dǎo)線若干?？筛鶕?jù)教育部《JY/T 0361–1999》號(hào)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求，可構(gòu)建“J1202型”學(xué)生電源的實(shí)物參數(shù)模型。同理，也可以根據(jù)相關(guān)生產(chǎn)信息構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室常用的“磁電式”直流電流表（0–0.6A或0–3A）、“指針式”電壓表（0–3V或0–15V）、轉(zhuǎn)柄式電阻箱、滑動(dòng)變阻器、實(shí)驗(yàn)室用小燈泡等元件的實(shí)物參數(shù)模型。

除上述在教材中經(jīng)常出現(xiàn)的電器元件之外，還可將出現(xiàn)頻率較低的如發(fā)光二極管、電容器、單刀多擲開關(guān)、靈敏電流表G、邏輯電路出現(xiàn)的邏輯門、簡(jiǎn)單傳感器等納入電器元件數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。

接著便可利用OpenGL、Java3D、VRML等編程軟件進(jìn)行手動(dòng)的人工幾何模型構(gòu)建，或憑借CAD/CAM，利用3D掃描儀等工具可以對(duì)電器元件掃描后進(jìn)行自動(dòng)的幾何模型構(gòu)建，構(gòu)建時(shí)需符合基本物理定律。

電器模型的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建完畢后，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的集成完善，不僅可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中拖出電器元件放在智能電子白板上，進(jìn)行電路設(shè)計(jì)并自主調(diào)整回路中各項(xiàng)用電器的參數(shù)（調(diào)節(jié)電源、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)等），而且在設(shè)計(jì)好的、可以工作的通路中，電器元件將會(huì)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如小燈泡發(fā)亮、表盤指針偏轉(zhuǎn)）、運(yùn)作當(dāng)中的參數(shù)（如電流表、電壓表的示數(shù)）實(shí)時(shí)地展示給通路的設(shè)計(jì)者，以便記錄數(shù)據(jù)或調(diào)整電路或改裝電表再次實(shí)驗(yàn)等。

可見，正如構(gòu)建好的電器元件模型可以隨時(shí)拖入設(shè)計(jì)面板，被導(dǎo)線連接組成各式各樣的電路，遵循物理法則?！霸鼗钡碾娖髟谟?jì)算機(jī)的模擬下再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室課堂中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，或是對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新，大大提高了電路設(shè)計(jì)的自由度和實(shí)際操作的可行性。

最后，在VR技術(shù)的幫助下，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以實(shí)現(xiàn)常見的精密測(cè)量工具：米尺、游標(biāo)卡尺、百分表甚至測(cè)長(zhǎng)儀等的虛擬環(huán)境體驗(yàn)，有助于提高實(shí)驗(yàn)的參與度和對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的理解。

3 總結(jié)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，一方面可以代替不易操作的電器元件，最大限度地令每位學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)架構(gòu)中，親手利用VR的仿真技術(shù)重現(xiàn)電器元件在電路中發(fā)揮的作用。另一方面，構(gòu)建在3D建模中的數(shù)字化電器元件也能通過(guò)交互技術(shù)更加直觀的體現(xiàn)電路中電壓、電流在流經(jīng)用電器前后的變化或是用電器在電路條件改變后各類參量的變化，從而加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。