借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，突破物理教學(xué)難點

段越瑩

【摘要】在物理學(xué)所涉及的范疇里，有許多抽象的、難以理解的知識長期以來一直困擾著學(xué)生們的學(xué)習(xí)與教師的教學(xué)。基于計算機3D技術(shù)的虛擬現(xiàn)實的興起與發(fā)展為突破這類物理教學(xué)難題提供了解決的可能。本文主要介紹了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物理教學(xué)中使用的概況，然后著重介紹美國俄亥俄州立大學(xué)的實證研究案例，說明虛擬現(xiàn)實對物理教學(xué)的促進(jìn)作用。最后簡單闡述虛擬現(xiàn)實在物理教學(xué)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展將要克服的問題。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實 物理教學(xué) 抽象概念 實證研究

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）12-0156-02

引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機模擬已逐漸滲透進(jìn)了自然學(xué)科的教學(xué)中。計算機模擬技術(shù)可以幫助研究復(fù)雜的場景，還允許師生嘗試完成實驗室中困難的、不可能完成的任務(wù)。然而，由于傳統(tǒng)的計算機模擬缺乏交互性，模擬情景是事先已經(jīng)設(shè)定好并且難以修改，使得傳統(tǒng)計算機模擬無法給使用者提供一種身臨其境的感覺。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的興起，恰好彌補了這一不足。

所謂虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality），簡稱VR，是20世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)，與多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并稱為三大前景最好的計算機技術(shù)[1]。它借助計算機技術(shù)生成一個逼真的三維世界，使用者以自己的視點為主，對虛擬世界中的物體進(jìn)行瀏覽和交互[2]。

1.虛擬現(xiàn)實在教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢和特點

在物理學(xué)史上，視覺理解是一個很古老的話題。從古至今，人們幾乎都是進(jìn)行可視化思考，由此有人提出“直覺物理”來形容人對物質(zhì)世界運行的直覺認(rèn)知能力。正是人們在長期的學(xué)習(xí)過程中采用直覺的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，使得許多抽象的物理知識和物理概念難以為學(xué)生正確掌握。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，為抽象的物理概念可視化提供了可能。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)，需要計算機硬件和軟件的支持。硬件方面包括3D眼鏡，頭盔，手套，操縱桿等，這些工具都安裝有傳感器。軟件方面則包括了3D動畫、圖像等相關(guān)軟件。計算題通過硬件中的傳感器將現(xiàn)實中的動作、受力情況傳遞到計算機中，然后軟件通過這些信號進(jìn)行圖像的合成，模擬出現(xiàn)實場景，然后反饋到硬件中，讓使用者感覺到身臨其境。因此，Grigore Burdea與Phi1ippe Coiffet將虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點概括為三個方面，分別為：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和構(gòu)想性（Imagination）[3]。

圖1 虛擬現(xiàn)實的基本特征

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域中應(yīng)用，優(yōu)勢體現(xiàn)為兩個：第一，虛擬現(xiàn)實技術(shù)強調(diào)身臨其境、互動式、主人公式的模擬，有利于學(xué)生進(jìn)行發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)，給學(xué)生提供了另一種新的途徑來學(xué)習(xí)物理。第二，建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)者能對知識進(jìn)行自我構(gòu)建。虛擬現(xiàn)實的三大特點能充分調(diào)動起學(xué)生學(xué)習(xí)能動性，讓學(xué)生模擬現(xiàn)實中不存在的角色、物體或完成難以進(jìn)行的實驗，從而完整對知識的主動學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)動力。

2.虛擬現(xiàn)實在物理教學(xué)中應(yīng)用的實證研究

國外虛擬現(xiàn)實技術(shù)起步較早，技術(shù)、理論與應(yīng)用的研究都已經(jīng)達(dá)到了一定的高度，尤其是在軍事、醫(yī)學(xué)、教育領(lǐng)域的應(yīng)用都已經(jīng)開始趨于成熟。80年代開始，虛擬現(xiàn)實就運用于教育之中，針對物理學(xué)科的運用則從90年代開始。1992年，馬克·英格里伯格和洛賓·比得迪提合作創(chuàng)建了一個虛擬物理實驗室，其目標(biāo)是使它成為具有高度可操作性的實驗環(huán)境，以便學(xué)生們能夠在此進(jìn)行基礎(chǔ)物理研究。此后，更多的虛擬現(xiàn)實實驗室被陸續(xù)建立起來：有德國的漢諾威大學(xué)的虛擬自動化實驗室[4]，西班牙大學(xué)電子系的電子儀器虛擬工作平臺[4]，意大利帕瓦多大學(xué)的遠(yuǎn)程虛擬教育實驗室[4]。與一些發(fā)達(dá)國家相比，我國的VR技術(shù)還有一定的差距，但已引起政府有關(guān)部門和科學(xué)家的高度重視。國內(nèi)一些理論物理課程也開始進(jìn)行相關(guān)平臺的設(shè)計，例如劉建軍、路彥鋒對固體物理課程進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實可視化教學(xué)的研究[5]；尚作萍等也對理論力學(xué)實驗教學(xué)進(jìn)行了實驗平臺設(shè)計[6]。然而國內(nèi)研究存在著不足，多數(shù)研究停留在系統(tǒng)平臺的設(shè)計開發(fā)或者理論層面，并沒有對技術(shù)的有效性進(jìn)行實證研究。

1997年，Pieter Jan Stappers在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)進(jìn)行的Non-Newtonian physics（非牛頓物理學(xué)）教學(xué)[7]，要求學(xué)生佩戴上頭盔和手套進(jìn)行不同的扔球?qū)嶒?，從而體會在牛頓力學(xué)和非牛頓力學(xué)的世界里，物體究竟是如何進(jìn)行拋體運動的。香港城市大學(xué)與香港順德聯(lián)誼總會譚伯羽中學(xué)聯(lián)合提出了一個方案，嘗試?yán)肰R技術(shù)，突破中學(xué)物理抽象概念的教學(xué)難點。這一方案為構(gòu)建主義者的學(xué)習(xí)理論在中學(xué)物理教學(xué)實踐中奠定基礎(chǔ)[8]。與此同時，這篇文章還是國內(nèi)第一次將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用在中學(xué)物理教學(xué)中。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用在物理教學(xué)中，現(xiàn)階段最有代表性的是華南師范大學(xué)周少娜博士在美國俄亥俄州立大學(xué)進(jìn)行的利用虛擬現(xiàn)實進(jìn)行物理概念轉(zhuǎn)變教學(xué)的研究[9]。下面以該研究實例說明虛擬現(xiàn)實是如何突破物理抽象概念的教學(xué)難點，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的。

3.美國俄亥俄州立大學(xué)的交互式虛擬實驗介紹

對于物體在做圓周運動過程中的“向心力”概念，學(xué)生經(jīng)常存在一種錯誤的觀點：認(rèn)為在缺乏外力的情況下，物體能夠做曲線運動[9]。他們對圓周運動中力和運動的錯誤理解，一方面是認(rèn)為力是物體維持運動的原因，另一方面是對速度矢量性缺乏正確理解。傳統(tǒng)的課堂中，教師會通過演示實驗讓學(xué)生看到圓周運動的現(xiàn)象。學(xué)生只能看，卻無法親自感受到運動小球的受力情況，只能憑直覺水平上的個人經(jīng)驗來理解“向心力”的概念，從而導(dǎo)致以上錯誤理解的產(chǎn)生。為此，華南師范大學(xué)的周少娜博士利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，開發(fā)了一個交互式的虛擬現(xiàn)實工具（圖2），并在美國俄亥俄州立大學(xué)進(jìn)行了圓周運動向心力的物理概念轉(zhuǎn)變教學(xué)研究。

圖2 一學(xué)生正使用精密操縱桿來與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行交互[9]

這項研究中共有52名美國俄亥俄州立大學(xué)本科工程專業(yè)的學(xué)生作為研究對象。他們在實驗進(jìn)行的兩周之前就學(xué)習(xí)了圓周運動的基本概念。這些學(xué)生被隨機分成兩組——VE（虛擬實驗）組以及PS（解決問題）組。

VE組的學(xué)生是利用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)完成關(guān)于圓周運動的探究學(xué)習(xí)，配有一份實驗指導(dǎo)手冊。PS組的學(xué)生則按照傳統(tǒng)方式，通過做圓周運動章節(jié)后的習(xí)題進(jìn)行學(xué)習(xí)，配有一本教科書。兩組學(xué)生學(xué)習(xí)過程都沒有教師的現(xiàn)場指導(dǎo)，學(xué)習(xí)時間均為半小時。VE組的實驗題目是要求學(xué)生給一個具有初速度的物體施加一個力，使它可以在一個半徑為0.5米的白色虛線圓中運動，已知物體所在平面光滑，質(zhì)量、初速度一定。

兩組學(xué)生的學(xué)習(xí)活動都要共同經(jīng)歷三個階段——前測、VE模擬/解決習(xí)題和后測[9]。（1）前測的目的是了解學(xué)生對在圓周運動背景下的有關(guān)力與運動的理解的基線水平。（2）第二階段VE組學(xué)生開始進(jìn)行模擬操作，而PS組學(xué)生完成三道從教科書中選出的物理題。解決問題環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生練習(xí)和進(jìn)一步研究相關(guān)知識。通過對比傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式與VE活動模式，就可以確定VE活動模式有效性是否會高于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式，是在何種程度上有所不同。（3）后測采用的題目情景與前測完全一樣，從而直接比較學(xué)生在經(jīng)歷不同的教學(xué)方法前后的掌握情況。VE組還有額外的第四階段，他們需要做一個評估調(diào)查，說出他們使用后的感受，來比較兩種學(xué)習(xí)方法的優(yōu)缺點。

通過對比前、后測的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：與解決問題模式相比，虛擬現(xiàn)實學(xué)習(xí)活動在幫助學(xué)生理解在圓周運動中力和運動的關(guān)系上更加有效[9]。VE組第四階段評估調(diào)查顯示，通過操縱桿的實際感受，讓他們能夠體會到小球在運動中的受力情況，加深了對“向心力”概念的理解，明白缺乏外力的情況下，物體不可能做曲線運動。這結(jié)果給予教師一個新視角，面對學(xué)生做了大量習(xí)題后仍不能轉(zhuǎn)變錯誤概念這一困難提供了可能的解決途徑。

圖3 學(xué)生前測與后測的結(jié)果分析[9]

4.虛擬現(xiàn)實在物理教育應(yīng)用中存在的問題

4.1適應(yīng)性問題

以上實證的例子證明了虛擬現(xiàn)實在物理教學(xué)中起到一個促進(jìn)的作用，然而并不是所有的物理課題都適合使用虛擬現(xiàn)實。一般是一些抽象的、現(xiàn)實中難以實現(xiàn)的知識更適合使用這一技術(shù)。因此，哪些課題適合使用虛擬現(xiàn)實進(jìn)行教學(xué)，怎樣運用該技術(shù)才能更好的輔助教學(xué)，是虛擬現(xiàn)實在物理教育領(lǐng)域里需要進(jìn)一步研究的課題。

4.2 學(xué)習(xí)主體的認(rèn)知機制上的問題

當(dāng)學(xué)習(xí)主體沉浸在一個高分辨率，全景式的虛擬空間中時，學(xué)習(xí)主體很容易陷入虛擬空間中。這時人的認(rèn)知機制將會受到了影響，并導(dǎo)致了不可低估的認(rèn)知問題的出現(xiàn)。因為當(dāng)一個人長期沉浸在一個虛擬的環(huán)境中，突然再回到現(xiàn)實中，容易導(dǎo)致他有種“落差”感覺[10]。我們無法估計這種感覺給人帶來的心理的沖擊的程度，這種沖擊可能會對學(xué)生學(xué)習(xí)帶來負(fù)面影響。為此教師在使用虛擬現(xiàn)實進(jìn)行教學(xué)的時候，需要密切關(guān)注學(xué)生使用后的心理變化。

結(jié)語

通過利用虛擬現(xiàn)實可以幫助突破物理課堂中的一些教學(xué)難點，使得學(xué)生對一些抽象概念有更深刻的理解。同時虛擬現(xiàn)實的交互性促進(jìn)了學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成于發(fā)展，改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)上一味用解決問題式或灌輸式的教學(xué)模式，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力，明顯地提高了物理課堂效率。總之，隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信虛擬現(xiàn)實在物理教學(xué)中會發(fā)揮更大的輔助作用。

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