如何將VR應(yīng)用到物理課堂當(dāng)中

徐超凡 王林

摘 要：第三次教育革命后，規(guī)?；逃饾u轉(zhuǎn)變?yōu)閭€性化教育。未來，虛擬化的交互式學(xué)習(xí)模式將會成為學(xué)生學(xué)習(xí)的新途徑。VR（虛擬現(xiàn)實）充分利用計算機可視化技術(shù)呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，在情境中交互地學(xué)習(xí)物理知識，模擬物理實驗。利用VR技術(shù)所具有的沉浸性、交互性和構(gòu)想性的特點激發(fā)學(xué)生的主動性和興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。虛實結(jié)合再造物理課程，提高學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：VR教育；中學(xué)物理；交互；沉浸；實驗教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）10-0069-3

1 VR教育現(xiàn)狀

從目前的行業(yè)上看來，VR領(lǐng)域主要存在于VR游戲、VR社交和VR教育當(dāng)中。VR教育仍然還停留在將傳統(tǒng)教育的形式和內(nèi)容直接放入VR中，像VR搭積木、VR看人體構(gòu)造、VR看靜態(tài)3D場景及文字等。但是，這樣做只是簡單改變了交互的方式，將電腦顯示器“套”在了學(xué)生頭上。就像看紙質(zhì)書和電子書，本質(zhì)上沒有區(qū)別。

在CNKI數(shù)據(jù)庫中以“VR學(xué)習(xí)”“VR教育”為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索，篩查無用文獻(xiàn)后共檢索到247篇相關(guān)文獻(xiàn)。利用 CiteSpace進(jìn)行知識圖譜可視化分析后得到圖1。通過圖譜可以看出，在之前我國對于VR教育的研究中，VR在學(xué)習(xí)過程中所提供的沉浸感和學(xué)習(xí)體驗已經(jīng)被研究者們所重視，并且在職業(yè)教育中配合增強現(xiàn)實技術(shù)后得到了廣泛運用。

國外將VR應(yīng)用到教育的例子包括Jang、Susan等的3D解剖課程，借助虛擬操作平臺、觸覺輸入設(shè)備及動物模型，配合交互性的解剖結(jié)構(gòu)參照系，構(gòu)建可直接操作的3D解剖課程；還有Alho Barata的電力變壓器操作課程；Rupasinhe Thashikad的關(guān)于飛機維修技術(shù)的培訓(xùn)課程；Kim、Pyoung Won的操作電動機課程；Trautrims、Alexander的物流全球虛擬團(tuán)隊教學(xué)工具；Butavicius、MarcusA的腹腔鏡模擬操作和心理測試等。

從之前的大量研究案例中可以看出，在原理理論性教學(xué)中，不認(rèn)為VR有超過傳統(tǒng)教學(xué)方式的優(yōu)勢，更多的還是對于理論聯(lián)系實踐的直觀表現(xiàn)。但是在體驗性操作教育上，VR優(yōu)于提供場景，適當(dāng)?shù)膱鼍澳芤l(fā)真正的學(xué)習(xí)需求，能夠有效替代現(xiàn)有教育中的部分體驗性操作內(nèi)容。VR所具有的七大教育功能：體驗、探究、訓(xùn)練、矯正、交流、創(chuàng)作與游戲在集中學(xué)生關(guān)注度和提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣上效果顯著。

2 VR的教育應(yīng)用在物理課堂的理論分析

VR技術(shù)對教育改革最明顯的優(yōu)勢就是加入了虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境。通過VR技術(shù)引入教學(xué)內(nèi)容，絕不是課程內(nèi)容和工具的簡單相加。VR的教育價值已經(jīng)不是一頂頭盔和一副眼鏡能夠涵蓋的，VR可以是一種學(xué)習(xí)或思考方式。通過VR可以把課堂上教師沒有辦法用語言描述的、抽象的圖像，通過具體的、全方位的、全沉浸的場景給學(xué)生展示出來，讓學(xué)生全身心地進(jìn)入這個場景。這樣不僅可以讓學(xué)生身臨其境，還可以很大程度上解決學(xué)生對課堂內(nèi)容專注度不足的問題，讓學(xué)生更好地理解原理。例如，用VR操作挖掘機、用VR進(jìn)行飛行模擬等都是已經(jīng)實現(xiàn)的將教育應(yīng)用到職業(yè)教育中的典型例子。在實踐性、感性、三維的教學(xué)內(nèi)容中，VR相對傳統(tǒng)、理性、二維的實驗教學(xué)有巨大的優(yōu)勢。

VR作為一種傳播媒體，其核心在于擴展學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗，使得學(xué)習(xí)者能夠與環(huán)境交互，從而掌握新觀念。二十世紀(jì)80年代以來，情境化認(rèn)識理論已經(jīng)成為重要的學(xué)習(xí)理論之一。它通過建立情境來使學(xué)習(xí)可以從一種情境遷移至另一種情境。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否能產(chǎn)生共鳴，都取決于教學(xué)情境的生動性與逼真性，情境越生動、越逼真就越能引發(fā)個體的身體體驗。教育活動具有很強的情境性，識別情景可以幫助學(xué)生更好地理解新的概念。學(xué)生通過VR跟虛擬世界產(chǎn)生聯(lián)系，進(jìn)入真實的場景中，理解本來抽象難懂的教學(xué)內(nèi)容。讓學(xué)生自己動手、自己探討，在操作中記住知識，而不是大規(guī)模地抄寫、背誦。

知識不是完全客觀的，知識的展現(xiàn)需要通過具體的事物和場景。通過親身實踐獲得知識，對學(xué)生來說不僅更加容易理解而且不易遺忘。傳統(tǒng)課堂過多地強調(diào)了知識的接受，而教育應(yīng)該是調(diào)動人的全部生理與心理特性的。這也是如今翻轉(zhuǎn)課堂、慕課（Mooc）、微課等新型學(xué)習(xí)模式不斷涌現(xiàn)的原因。當(dāng)學(xué)生沉浸在一個問題情境中，在情境中獲得知識和技能及其應(yīng)用規(guī)則來解決問題時，有效的學(xué)習(xí)才能發(fā)生，可以做到不刻意地去學(xué)去記，而是更加輕松地在腦海中構(gòu)建知識體系。

物理作為一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，通過演示實驗進(jìn)行教學(xué)是必不可少的。在課堂中，往往受到教學(xué)設(shè)備和教室環(huán)境的限制，實驗效果得不到最大程度的體現(xiàn)。但是，使用VR技術(shù)就可以非常好地解決這個問題，所有的學(xué)生都處于一個虛擬的環(huán)境，體驗的都是同樣的內(nèi)容，產(chǎn)生的卻是各自與VR交互的體驗。將每一個學(xué)生都“沉浸”在環(huán)境之中，讓學(xué)生在類似虛擬游戲的體驗中實現(xiàn)現(xiàn)實不可能做的事情。這里說的VR實驗不是為了讓學(xué)生看見一個3D的愛迪生如何實驗幾百種燈絲材料，而是讓學(xué)生自己“成為愛迪生”，用別人的眼睛去看，用別人的耳朵去聽，用別人的心去感受，多角度地去體驗實驗過程，在過程中反思，然后得出自己的感悟。

在物理課堂，VR的主要作用是喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在家中，VR能夠讓孩子定下心來學(xué)習(xí)。從而實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容可視化、教學(xué)環(huán)境虛擬化和個別化、教學(xué)過程個性化和交互化、教學(xué)評價客觀標(biāo)準(zhǔn)化。

3 VR在物理課堂中的應(yīng)用實例

以電學(xué)為例，36 V以下的電壓被稱為安全電壓，但我國家庭電壓為220 V，接觸220 V的電壓又會怎樣？若這時使用VR就能在保證學(xué)生人身安全的情況下讓學(xué)生親身體驗觸電的感覺，讓學(xué)生對原先虛無縹緲的電的概念有了新的認(rèn)識。

在學(xué)習(xí)熱機一章時，一般課堂都是通過汽油機或柴油機的演示模型演示由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的做功沖程，通過VR可以打開熱機的外殼，詳細(xì)地觀察吸氣、壓縮、做功、排氣四個沖程的工作原理，對于圖片難以表達(dá)的工程元件曲軸、連桿等也可以有一個更加直觀的認(rèn)識。

在《光的干涉和衍射》這一節(jié)，物理老師通常在課堂上講了半天，學(xué)生卻目光呆滯，面無表情，甚至不知道自己為什么要學(xué)習(xí)這個知識點，一開始就聽得云里霧里，失去了學(xué)習(xí)和記憶的興趣。因為這種微觀粒子的運動，用語言是很難表達(dá)的，加上實驗難度較高，難以演示，學(xué)生很難想象粒子究竟是如何穿過狹縫的，而通過幻燈片的展示又差了那么點意思。這時就可以通過VR來展現(xiàn)。

在講述宇宙中天體之間的關(guān)系或衛(wèi)星發(fā)射這些問題的時候，只通過圖片是很難讓學(xué)生真正理解具體的實際情況。但通過VR，學(xué)生可以親自駕駛火箭或飛船，起飛時體驗飛船擺脫地球引力的速度，而不是單單記住一串?dāng)?shù)字，飛行時可以看到星球在他們身邊旋轉(zhuǎn)，甚至可以登陸到一個具體的星球上去感受一下。降落時感受重力加速度帶來的沖擊力。這種經(jīng)過“真實”體驗，親手觸摸比較后，學(xué)生的好奇心和探索欲將會被有效地 調(diào)動起來，對于知識的專注度也會得到顯著提升。圖2是通過VR讓學(xué)生感受過山車。

VR不僅在模擬真實環(huán)境時有用，還可以模擬真實環(huán)境中看不到的場景。例如，在研究聲音傳播時，可以通過VR模擬真實環(huán)境中看不到的波形效果，讓學(xué)生感受到聲波具體是怎樣傳播的，還有光學(xué)中的望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等，都可以通過VR將抽象的實驗現(xiàn)象具體化，將原本密閉的實驗系統(tǒng)透明化。

4 VR教育目前的缺陷

VR教育的學(xué)習(xí)環(huán)境必定也會有其獨特的支持與約束因素。VR具備重塑教育的潛力，但VR大范圍變革教育的路還很長。國外學(xué)者分析了VR學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)習(xí)者受到的支持與約束因素，通過對參與者進(jìn)行定性分析和評估，揭示了技術(shù)和后勤支持是學(xué)習(xí)的限制性因素。具體到中學(xué)課堂中，VR在課堂中能否被教師所掌握，對于教室的設(shè)備要求以及成本投入問題都還有待改進(jìn)。

Michael Bodekaer在TED大會上關(guān)于VR科學(xué)實驗室的演講中提到：“如果能將常青藤百萬美元級別的實驗室提供給每一個富有創(chuàng)造力的年輕人，為他們提供世界上最先進(jìn)、最優(yōu)秀的實驗儀器，那將會激勵整整一代的科學(xué)家們來創(chuàng)新和改造我們的世界?！痹?jīng)我們將投影儀引入課堂，隨后電腦、PPT、Flash、智能手機、iPad、電子白板也被引入。21世紀(jì)是信息化的時代，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展顛覆了許多傳統(tǒng)行業(yè)。只有不斷改變媒介，提升品質(zhì)，推陳出新，才能在這個充滿競爭與壓力的環(huán)境中求得生存和發(fā)展。

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