新工科背景下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

張振清

摘要：提出新工科背景下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化大學(xué)物理教學(xué)的總體方法和思路：一是充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)推動(dòng)大學(xué)物理教學(xué)改革，優(yōu)化大學(xué)物理教學(xué)的內(nèi)容和方法;二是改善虛擬儀器和元器件設(shè)計(jì)，改善虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境;三是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化物理教學(xué)，提升大學(xué)物理教學(xué)效果;四是整合虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，促進(jìn)物理教學(xué)資源共享.

關(guān)鍵詞：新工科;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);大學(xué)物理教學(xué)

[中圖分類(lèi)號(hào)]O4-3[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Research on the Application of Virtual Reality Technology

in College Physics Teaching under the

Background of New Engineering

ZHANG Zhenqing a，b

（Railway Police College? a.Department of Criminal Science and technology; b.Zhengzhou Key

Laboratory of Criminal Science and Technology，Zhengzhou 450053，China）

Abstract：The general method and idea of virtual reality technology to optimize college physics teaching are put forward under the background of new engineering.Make full use of virtual reality technology to promote the reform of college physics teaching and optimize the contents and methods of college physics teaching.Improve the design of virtual instruments and components，and improve the virtual reality teaching environment.Optimize physics teaching with virtual reality technology and improve the effect of college physics teaching. Integrate virtual reality teaching resources and promote the sharing of physics teaching resources.

Key words：new engineering course;virtual reality technology;college physics teaching

2017年，教育部提出加強(qiáng)高校新工科建設(shè)，2020年教育部提出建設(shè)未來(lái)技術(shù)學(xué)院的發(fā)展規(guī)劃，為新工科建設(shè)提出了嶄新的發(fā)展方向.[1-4]新工科以產(chǎn)業(yè)需要為導(dǎo)向設(shè)置專(zhuān)業(yè)，以技術(shù)發(fā)展為目標(biāo)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為目標(biāo)創(chuàng)新教學(xué)方式，顛覆了傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)模式.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)化、智能化時(shí)代的新技術(shù)，從新工科視角看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化了大學(xué)物理教學(xué)理念、方法和模式，提升了大學(xué)物理教學(xué)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化水平，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于大學(xué)物理教學(xué)，能夠推動(dòng)大學(xué)物理教學(xué)改革.本文從新工科教育背景出發(fā)，考察虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用.

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的重要意義虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅改變了人們的工作、生活和實(shí)踐方式，也對(duì)人們的思維方式和學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生了較大影響.新工科是在智能化、數(shù)字化、萬(wàn)物互聯(lián)等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)的時(shí)代背景下產(chǎn)生的工科教育新理念，也是推動(dòng)高校工科教學(xué)改革的指導(dǎo)思想，從新工科背景探討虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的影響有重要意義.

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)順應(yīng)新工科教育理念要求

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大大提高了人們的實(shí)踐認(rèn)知，提高了人們的主觀能動(dòng)性，是推動(dòng)新工科教學(xué)改革的重要工具.人類(lèi)歷史上每次重大技術(shù)變革，都是人們對(duì)社會(huì)認(rèn)知的又一個(gè)新高度，如蒸汽機(jī)革命、內(nèi)燃機(jī)和電力革命、計(jì)算機(jī)革命等都深刻改變了人類(lèi)的思維范式、生存方式.從總體上看，科技革命對(duì)人類(lèi)社會(huì)的沖擊是多方位的，不僅是對(duì)生產(chǎn)能力、社會(huì)關(guān)系、社會(huì)結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生較大沖擊，同時(shí)也對(duì)人類(lèi)的價(jià)值觀念、教育理念、認(rèn)知方式等產(chǎn)生較大沖擊.在量子計(jì)算、萬(wàn)物互聯(lián)、5G、人工智能等蓬勃發(fā)展的新一輪信息技術(shù)革命背景下，高校工科教育也面臨巨大挑戰(zhàn)，在這種背景下教育部提出了新工科教育理念，形成了以“復(fù)旦共識(shí)”“北京指南”“天大行動(dòng)”等為主的新工科建設(shè)思路，為大學(xué)物理教學(xué)改革提供了嶄新的思想指導(dǎo).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，顧名思義就是營(yíng)造出一個(gè)虛擬的場(chǎng)景，工作人員在這個(gè)場(chǎng)景中進(jìn)行感受和實(shí)踐創(chuàng)作.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使人們從多維度去認(rèn)識(shí)新生事物，可以超時(shí)空去感知不同的領(lǐng)域，增加人們認(rèn)識(shí)的深和廣度，通過(guò)虛擬交流，認(rèn)識(shí)更多的特殊群體或環(huán)境.

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)推動(dòng)大學(xué)物理教學(xué)改革

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能促進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)改革，推動(dòng)物理教學(xué)內(nèi)容、方式創(chuàng)新，提高大學(xué)物理教學(xué)的生動(dòng)性、趣味性和有效性.[5]當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)終身學(xué)習(xí)的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，在這種教育環(huán)境中虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)被廣泛用于教學(xué)活動(dòng)中，成為推動(dòng)教育教學(xué)改革的重要?jiǎng)恿?物理學(xué)科作為一門(mén)傳統(tǒng)學(xué)科，物理知識(shí)學(xué)習(xí)、物理實(shí)驗(yàn)操作等與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，能夠大大降低大學(xué)物理教學(xué)的難度，提高大學(xué)物理教學(xué)的形象性、簡(jiǎn)潔性、通俗性;可以將抽象難懂、無(wú)法演示的物理理論或?qū)嶒?yàn)轉(zhuǎn)化為生動(dòng)形象的圖像、視頻等，降低學(xué)生的物理學(xué)習(xí)難度.學(xué)生可以通過(guò)虛擬實(shí)踐增加更多體驗(yàn)，提高個(gè)人的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力.

1.3虛實(shí)結(jié)合能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)證思維能力

大學(xué)物理教學(xué)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛運(yùn)用，讓學(xué)生有更多機(jī)會(huì)去體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境，有助于培養(yǎng)學(xué)生的思維創(chuàng)新能力、邏輯實(shí)證思維.[6]創(chuàng)新源于實(shí)踐又高于實(shí)踐，最終還要回歸到實(shí)踐中去.物理學(xué)科作為一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，以總結(jié)物理規(guī)律、發(fā)現(xiàn)真理定理、開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)為重要內(nèi)容.大學(xué)物理是實(shí)踐性、實(shí)驗(yàn)性和理論性等都比較強(qiáng)的學(xué)科，大學(xué)物理教學(xué)的許多觀點(diǎn)、理論等都需要實(shí)驗(yàn)證明，需要實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn).[7]虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在一定程度上還原了真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)、物理規(guī)律和物理理論，這些對(duì)于提高物理教學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性具有重要意義.比如一個(gè)物理命題的提出，要論證它的前提就是要運(yùn)用假想思維，根據(jù)假設(shè)將這個(gè)物理命題建設(shè)成為一個(gè)模型，虛擬的也好，實(shí)際的也行，目的就是要論證其真假.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)比實(shí)際建設(shè)場(chǎng)景更加智能化便捷化，在某種程度上體現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)的實(shí)際狀況.

2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀新工科思維是在人工智能、新能源、量子計(jì)算、新材料等新技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代背景下提出的高校工科教學(xué)新理念，順應(yīng)了產(chǎn)業(yè)升級(jí)和新經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求.從新工科教育理念看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中仍存在許多問(wèn)題，如虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備短缺、教學(xué)方法缺乏針對(duì)性等，這些直接影響虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用.

2.1虛擬儀器和元器件品類(lèi)不夠齊全

工科院校虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)備匱乏直接影響虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用.部分高校的虛擬儀器、元器件等遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，物理教師需要在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建上花費(fèi)更大的精力.物理實(shí)驗(yàn)的目的是根據(jù)可行性實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作，完成儀器、元器件等配件的連接和啟動(dòng)，以達(dá)到某種物理實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo).[8-9]虛擬實(shí)驗(yàn)的目的和真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景一致，首先利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操控過(guò)程，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，最后歸納、總結(jié)、論證.在物理實(shí)驗(yàn)中，儀器和元器件必不可少，如果虛擬元器件能夠迅速提取并能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的各種需求，那將為實(shí)驗(yàn)教學(xué)節(jié)省大量的時(shí)間和財(cái)力.

2.2教師對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用較少

部分教師虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)掌握的不夠好，不能很好地將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于物理教學(xué)之中.教師對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等不甚了解，不能用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決物理教學(xué)問(wèn)題，不能根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)或者物理問(wèn)題的多變性給出更精確的回答或者建議.部分教師不會(huì)使用SGI高端圖形工作站等高端設(shè)備，不能充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的物理教學(xué)功能.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以用三維動(dòng)畫(huà)、虛擬場(chǎng)景等方式呈現(xiàn)抽象的物理規(guī)律、物理現(xiàn)象，帶給學(xué)生強(qiáng)烈的沉浸感，但是許多物理老師不會(huì)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作課件，這些都影響著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用.

2.3虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源共享程度不夠

部分高校教學(xué)資源共享平臺(tái)建設(shè)滯后，高校之間的教學(xué)資源共享不充分，優(yōu)質(zhì)物理教學(xué)資源不能在高校之間共享.開(kāi)展大學(xué)物理教學(xué)時(shí)，教師往往需要制作物理課件，設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)物理課件或?qū)嶒?yàn)，這些直接影響了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)除能夠促進(jìn)物理教學(xué)資源共享、提高物理教學(xué)的體驗(yàn)性和沉浸感，在虛擬場(chǎng)景中，人機(jī)互動(dòng)、彼此交流，不僅讓學(xué)生有極大的學(xué)習(xí)興趣，還能提高協(xié)作交流的能力.當(dāng)學(xué)生帶著激情參與體驗(yàn)和交流的時(shí)候，學(xué)習(xí)效率非常高，學(xué)生的求知欲也會(huì)增加，最終在娛樂(lè)中學(xué)習(xí).

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化大學(xué)物理教學(xué)的方法與思路新工科以產(chǎn)業(yè)需要為導(dǎo)向設(shè)置專(zhuān)業(yè)，以技術(shù)發(fā)展為目標(biāo)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為目標(biāo)創(chuàng)新教學(xué)方式，以高校為主體推動(dòng)改革，以資源融合為方式建構(gòu)教育生態(tài).[10]新工科思想為大學(xué)物理教學(xué)提供了嶄新的教學(xué)理念，也為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)，為此，應(yīng)當(dāng)以新工科思想指導(dǎo)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用，推動(dòng)大學(xué)物理教學(xué)理念和模式創(chuàng)新.[11-12]

3.1改善虛擬儀器和元器件設(shè)計(jì)，改善虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)是以虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)教室等為基本前提，只有改善學(xué)校的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)硬軟件設(shè)施，才能有效推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用.學(xué)校應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源的投入，購(gòu)置虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)備，建設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái);應(yīng)購(gòu)置虛擬元器件、虛擬儀器等，改善大學(xué)物理教學(xué)的虛擬教學(xué)條件;應(yīng)優(yōu)化虛擬教學(xué)設(shè)備的使用方式（比如虛擬元器件不被固定在單個(gè)項(xiàng)目或者某臺(tái)機(jī)器上，可以隨時(shí)安裝、卸載和更新，在多個(gè)終端上進(jìn)行操作與靈活運(yùn)用）;應(yīng)將功能特點(diǎn)完全不同的模塊以組件的形式設(shè)置，當(dāng)需要它們組合在一起完成某項(xiàng)測(cè)試時(shí)，可以隨時(shí)調(diào)用，如果測(cè)試要求變化時(shí)，又可以根據(jù)變化調(diào)整元器件進(jìn)入操作;以組件形式組合成虛擬儀器，根據(jù)功能劃分為多種模塊，提高虛擬設(shè)置的利用率.

3.2以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)化物理教學(xué)，提升大學(xué)物理教學(xué)效果一是提高教師對(duì)虛擬教學(xué)設(shè)備的使用能力.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能從不同的維度、不同的層次、不同的空間來(lái)解決不同的問(wèn)題，它需要多方面的技術(shù)支持、終端的理解操作、數(shù)據(jù)庫(kù)的更新整理、問(wèn)題的分析運(yùn)用.所以，在大學(xué)物理教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)針對(duì)學(xué)生的物理基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力和個(gè)性特點(diǎn)，開(kāi)展虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué).二是利用“虛擬導(dǎo)師”開(kāi)展教學(xué)和輔導(dǎo).利用大數(shù)據(jù)、智能語(yǔ)音、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)設(shè)計(jì)“虛擬導(dǎo)師”（數(shù)據(jù)智能語(yǔ)音），讓“虛擬導(dǎo)師”與學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)交流，幫助學(xué)生解決物理學(xué)習(xí)中的問(wèn)題;根據(jù)學(xué)生提出的問(wèn)題不斷升級(jí)“虛擬導(dǎo)師”，提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用范圍;利用“虛擬導(dǎo)師”跟蹤學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并及時(shí)解決學(xué)生的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題.三是充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)，展現(xiàn)物理規(guī)律，提高大學(xué)物理教學(xué)的生動(dòng)性和體驗(yàn)感.在物理教學(xué)中，熵、量子通訊、復(fù)雜系統(tǒng)等物理知識(shí)較為抽象，無(wú)法以傳統(tǒng)的教學(xué)方式演示或講解，在這種情況下教師可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)呈現(xiàn)相關(guān)的物理現(xiàn)象、物理規(guī)律等，幫助學(xué)生更加直觀生動(dòng)地理解物理知識(shí).

3.3整合虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，促進(jìn)物理教學(xué)資源共享整合虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，建立工科院校共享的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)平臺(tái)，推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源共享，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟件和硬件的有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化建設(shè);向?qū)W生開(kāi)放虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源，鼓勵(lì)學(xué)生利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行物理學(xué)習(xí)協(xié)作、物理實(shí)驗(yàn)操作，使大學(xué)物理教學(xué)能夠突破時(shí)空限制.

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅僅是一種工具存在，更是改變?nèi)藗兩罘绞健⑽镔|(zhì)文明、精神文明的核心技術(shù)和存在，具有超時(shí)空、超感知、超現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破了人們的思維慣性，讓人們的認(rèn)識(shí)發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變，在新工科教育背景下，應(yīng)當(dāng)充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)推動(dòng)大學(xué)物理教學(xué)改革，優(yōu)化大學(xué)物理教學(xué)的內(nèi)容和方法.

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編輯：吳楠