基于VR技術(shù)的中學(xué)物理教學(xué)研究回顧與展望

聶麗宇 李洋 李艷芳 張雨

【摘要】本文在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，回顧了物理教育中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)VR（VirtualReality）技術(shù)的發(fā)展之路。結(jié)合VR技術(shù)應(yīng)用于物理教學(xué)的現(xiàn)實(shí)情況，分析了VR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教育的可行性。在分別研究課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、線上教學(xué)三種不同的方式，采用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理教育教學(xué)智能化的同時(shí)，分別分析了它們的不同之處和優(yōu)缺點(diǎn)，以期達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);中學(xué)物理教育;VR

物理學(xué)科是一門理論與實(shí)踐結(jié)合的學(xué)科。中學(xué)物理教材中的文字、圖片，課件中的視頻等很難將復(fù)雜的物理概念、物理模型清晰呈現(xiàn)，又由于中學(xué)生認(rèn)識(shí)思維的局限性，在學(xué)習(xí)一些抽象性知識(shí)難以理解時(shí)，對(duì)物理學(xué)習(xí)容易失去信心。如今以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)為主是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的主流，但是因其存在準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)、課堂效率較低，還存在潛在安全風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生參與度不高且很難激發(fā)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)探究的欲望。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中，通過(guò)沉浸互動(dòng)體驗(yàn)，讓學(xué)生如同身臨其境一般，觀察電腦中模擬三維空間內(nèi)的事物，進(jìn)入到知識(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)世界，促進(jìn)學(xué)生的理解和記憶，有利于教師實(shí)施探究式教學(xué)巨指導(dǎo)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)。

在中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）中以“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)”為主題進(jìn)行檢索，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)的研究文章數(shù)以千篇，但以 “虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”加“物理教學(xué)”為主題進(jìn)行檢索，總結(jié)并繪制出發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量和相關(guān)的年份關(guān)系圖，如圖1所示。對(duì)于以“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”加“中學(xué)物理教學(xué)”為主題進(jìn)行檢索時(shí)，知網(wǎng)中這方面的研究的文章更是少之又少。

由圖1可以看出，自從2002年虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)始被提及運(yùn)用于物理教學(xué)以來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)始有相關(guān)的學(xué)者開(kāi)始研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于物理教學(xué)，但研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。由于對(duì)理論基礎(chǔ)的研究較發(fā)達(dá)國(guó)家略有落后，我國(guó)對(duì)于VR技術(shù)在物理教學(xué)中使用的研究還相對(duì)較少，而且發(fā)展時(shí)間較短，所以研究成果暫時(shí)不及國(guó)外豐碩。國(guó)內(nèi)對(duì)VR技術(shù)在教育領(lǐng)域的研究，主要是高校利用虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M虛擬工程應(yīng)用于教學(xué)，少數(shù)中小學(xué)也開(kāi)始研究將虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于課堂教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。

一、在教學(xué)中應(yīng)用VR的技術(shù)理論基礎(chǔ)

VR技術(shù)包括計(jì)算書(shū)嗆」建虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)和VR處理模塊，通過(guò)輸入模塊、反饋模塊等多種傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶與該虛擬環(huán)境多維度，多感官的實(shí)時(shí)人機(jī)交互，其系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

當(dāng)VR應(yīng)用于學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建時(shí)，其核心的技術(shù)有：環(huán)境的動(dòng)態(tài)建模技術(shù)、實(shí)時(shí)感知繪制技術(shù)、立體多維顯示技術(shù)。

1.環(huán)」竟的動(dòng)態(tài)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，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.實(shí)時(shí)感知繪制技術(shù)

實(shí)時(shí)感知繪制是能夠令用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形和硬件為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)在物理模型、用戶行為和視覺(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)性包括對(duì)對(duì)象變化的實(shí)時(shí)計(jì)算與實(shí)時(shí)跟蹤，借助計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)繪制功能達(dá)到預(yù)期體驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

3.立體多維顯示技術(shù)

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)。

二、在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)有哪些途徑

通過(guò)文獻(xiàn)的閱讀與總結(jié)，整理出物理教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)的途徑分類為以下三種：

1.應(yīng)用于課堂教學(xué)

課堂教學(xué)是教學(xué)的主要途徑，對(duì)于物理學(xué)科這類抽象性思維要求比較高的科學(xué)來(lái)說(shuō)，也是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要情境。此外，物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的私陣羚，在物理課堂基礎(chǔ)教學(xué)中亦不可避免地會(huì)涉及到大量的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備。在傳統(tǒng)的物理課堂教學(xué)課件中，一般的處理方法有兩種：一是通過(guò)圖片或視頻進(jìn)行演示和說(shuō)明。其優(yōu)點(diǎn)是制作方法簡(jiǎn)單、效率高。缺點(diǎn)是缺乏交互性且二維圖象很難完整體現(xiàn)各種設(shè)備的全部細(xì)節(jié);二是通過(guò)編程設(shè)計(jì)出物理模型或者實(shí)驗(yàn)裝備。其優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的交互性。缺點(diǎn)是制作過(guò)程較復(fù)雜、工作量大一且要求制作者具有較高的編程能力，因而并不適合于普通教師采用。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的介入，將至少在以下三個(gè)方面有助于解決教師以上的困擾、幫助學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解：

（1）采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)三維的研究對(duì)象，如電磁場(chǎng)的模型，可以解決二維平面表達(dá)造成學(xué)生劉概念理解不全面的問(wèn)題;（2）通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)演示一些具有潛在的危險(xiǎn)，而不便于現(xiàn)場(chǎng)演示的實(shí)驗(yàn)，或一些硬件設(shè)備太過(guò)高昂的實(shí)驗(yàn);（3）對(duì)于某些因受時(shí)空限制而在真實(shí)世界中無(wú)法觀察和控制的過(guò)程和現(xiàn)象，例如沿著太陽(yáng)系航行考察，在微觀尺度上觀察原子的運(yùn)動(dòng)及相互作用等，則可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行真實(shí)的模擬。

2.應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)

可運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，物理學(xué)科經(jīng)常涉及三維物理模型的構(gòu)建，通過(guò)VR技術(shù)完成一個(gè)包含三維模型或環(huán)境定義的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)可交互的虛擬環(huán)境，可以靈活地從任意角度觀察物理模型，VR技術(shù)提供滿足教學(xué)大綱要求的可實(shí)時(shí)操作的工具，包括頭盔、鼠標(biāo)、游戲桿和定位跟蹤器等。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室主要有兩種分類：

（1）非交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室：學(xué)生登陸網(wǎng)站，選擇觀看實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但是不能自己動(dòng)手移動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，

（2）交互式式虛擬實(shí)驗(yàn)室：指網(wǎng)上學(xué)生不僅可以觀看實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還可運(yùn)用上文介紹的輸入設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)施進(jìn)行操作。目前在中學(xué)物理中比較流行的交互式虛擬實(shí)驗(yàn)室有NB物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站或者APP，操作較簡(jiǎn)單。虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用VRML建模語(yǔ)言，通過(guò)它可以建立所需的虛擬實(shí)驗(yàn)室空間。該實(shí)驗(yàn)室較以前有許多優(yōu)點(diǎn)，如，操作性強(qiáng)、參與感佳、隨機(jī)性好、實(shí)施效果優(yōu)等，一些微觀的實(shí)驗(yàn)例如阿法粒子散射等，不易于觀察的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。

3.應(yīng)用于線上教學(xué)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)校遠(yuǎn)程教育教學(xué)提供可移動(dòng)的電子教學(xué)場(chǎng)所。以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為技術(shù)基礎(chǔ)，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)行為不再拘泥于特定的時(shí)間地點(diǎn)。新冠肺炎疫清期間，如果有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為輔助的物理教學(xué)，一定能讓線上教學(xué)大放光彩，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的遠(yuǎn)程教學(xué)課題，學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)，可提高遠(yuǎn)程教學(xué)的質(zhì)量。學(xué)生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)完成了線上學(xué)習(xí)，同時(shí)可以在線上進(jìn)行研討。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持的新型教學(xué)模式，使學(xué)生能比較全面的掌握所學(xué)的知識(shí)，學(xué)生通過(guò)自己的情況進(jìn)行不同進(jìn)度的學(xué)習(xí)，滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)性化需求。從而讓整個(gè)中學(xué)物理無(wú)論從內(nèi)容上還是形式上真正的實(shí)現(xiàn)“開(kāi)放”式教學(xué)，以及學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，教師主導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。

通過(guò)總結(jié)和分析三種途徑，并給出了對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)與不足給出適當(dāng)?shù)慕ㄗh，如表1所示。

三、結(jié)語(yǔ)

回顧虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于物理教育的發(fā)展之路發(fā)現(xiàn)：在物理教學(xué)中，VR技術(shù)可以彌補(bǔ)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地等方面的原因而造成的感性認(rèn)識(shí)不足，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解;對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)操作中不自信，擔(dān)心損壞實(shí)驗(yàn)儀器的學(xué)生，或在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)因得不到正確數(shù)據(jù)和結(jié)論而浪費(fèi)太多時(shí)間的學(xué)生來(lái)說(shuō)，采用中斷錯(cuò)誤操作的VR設(shè)計(jì)，并且VR系統(tǒng)中操作簡(jiǎn)便、實(shí)驗(yàn)儀器可重復(fù)使用，學(xué)生可放心大膽地操作;虛擬現(xiàn)實(shí)還能幫助提高線上物理教學(xué)質(zhì)量，線上上課也能讓學(xué)生進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作。通過(guò)VR技術(shù)理論研究、技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以及在課堂教學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)，線上教學(xué)三方面的分析總結(jié)，基于VR技術(shù)實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中有的良好效果，應(yīng)當(dāng)積極地開(kāi)展VR教學(xué)平臺(tái)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)工作。應(yīng)在大學(xué)物理師范專業(yè)中大力開(kāi)展相關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)工作，讓大學(xué)本科畢業(yè)生也有能夠制作簡(jiǎn)單3D虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，在今后的教學(xué)應(yīng)用研究中，需要加強(qiáng)對(duì)VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫佩雄，劉通.例談STEM教育理念下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)zSpace在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教師，2018，39（09）：68-70.

[2]阿巖松.虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[D].寧夏大學(xué)，2019.

[3]張躍，范鴻飛.利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)初中“直流電動(dòng)機(jī)”的教學(xué)突破[J].物理教師，2017，38（09）：36-38.

[4]孫伯旺.基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].名師在線，2019（27）：6-7.

[S]嚴(yán)煒，楊曉梅.虛擬實(shí)驗(yàn)室在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J]，物理教學(xué)探討，2019，37（07）：70-72.

[6]胡章華.虛擬情境在電子物理教學(xué)的應(yīng)用初探[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（82）：127-128.