VR技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新中的應(yīng)用

何 珊

(廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動(dòng)化系，廣東 肇慶 526100)

20世紀(jì)末，VR技術(shù)因?yàn)槠鋬?yōu)秀的性能被迅速應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，VR技術(shù)包括數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)識(shí)別、多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)并行處理、人工智能等信息技術(shù)和高性能計(jì)算技術(shù)。VR技術(shù)立體感強(qiáng)，表現(xiàn)出色，豐富了人機(jī)交流方式。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)系統(tǒng)相比，VR技術(shù)具備以下三個(gè)特點(diǎn)：“浸入式體驗(yàn)”的沉浸感；新的人機(jī)交互方式促使交互性和真實(shí)性更高；通過虛擬畫面增強(qiáng)用戶的刺激感。VR技術(shù)的廣泛應(yīng)用和自身的特點(diǎn)使用戶在虛擬環(huán)境中獲得極致真實(shí)的體驗(yàn)[1]。

物理實(shí)驗(yàn)對(duì)當(dāng)代物理學(xué)研究有著很重要的意義，物理學(xué)的發(fā)展可以引起科學(xué)與社會(huì)的巨大變革。當(dāng)前我國(guó)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還存在一些問題，例如當(dāng)前教育局對(duì)引入VR技術(shù)的重視程度不足，相關(guān)部門下發(fā)的經(jīng)費(fèi)不足，能夠正確使用VR技術(shù)的教師過少等問題。就目前來看，大多數(shù)學(xué)校的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備過于陳舊，且種類較少，這些都成為了取得物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的限制條件。因此根據(jù)VR技術(shù)特點(diǎn)，研究VR技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，不僅能夠有效改善實(shí)驗(yàn)儀器與部件的不足，同時(shí)能夠減少儀器消耗，避免使用過程中操作不當(dāng)導(dǎo)致儀器損壞，使學(xué)生能夠在短時(shí)間內(nèi)快速掌握課堂教學(xué)內(nèi)容，從而更好地理解物理學(xué)概念和相關(guān)原理，幫助教師在教學(xué)過程中能夠更好地教授學(xué)生，培養(yǎng)和提高學(xué)生在物理學(xué)方面的綜合能力，提高學(xué)生的開拓創(chuàng)新能力。

1 VR技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用對(duì)策

將VR技術(shù)用于課堂物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以將課堂變成一個(gè)“虛擬的”場(chǎng)景，為學(xué)生提供不同的體驗(yàn)。只要條件允許，可以讓學(xué)生在一個(gè)相對(duì)真實(shí)的環(huán)境中完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)。首先通過VR技術(shù)模擬物理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，然后在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行具體操作實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)中使用教學(xué)軟件主要是為了便于學(xué)生理解和掌握實(shí)驗(yàn)原理，利用物理實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和思考能力，確保學(xué)生能夠更加全面發(fā)展，否則容易造成學(xué)生實(shí)踐能力的低下，設(shè)定相關(guān)對(duì)策讓學(xué)生操作各種技能。

將VR技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教學(xué)軟件是整個(gè)教學(xué)的基礎(chǔ)，其質(zhì)量至關(guān)重要。因此在安裝軟件時(shí)，首先要考慮科學(xué)原理，比如安裝過程中考慮大規(guī)模應(yīng)用、設(shè)置參數(shù)、盡可能少地連接外設(shè)等因素。使用工具即使用顏色，也要科學(xué)真實(shí)，確保學(xué)生不會(huì)因其產(chǎn)生錯(cuò)誤操作，一旦出錯(cuò)，其影響范圍將難以預(yù)測(cè)。因此，在產(chǎn)品投入使用之前，生產(chǎn)廠家必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加工，加工完成后，經(jīng)過反復(fù)檢驗(yàn)確認(rèn)無誤后才可投入使用。除此以外，在教學(xué)過程中還應(yīng)根據(jù)教學(xué)需要，正確選擇實(shí)驗(yàn)材料，根據(jù)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解與接受程度，合理安排教學(xué)內(nèi)容，以達(dá)到教學(xué)目的。

除上述應(yīng)用對(duì)策以外，學(xué)校還可以根據(jù)教學(xué)需要配備傳感器，觸摸屏，壓力表等輔助設(shè)備，或者頭盔，數(shù)據(jù)手套等外部裝備，以及通過影視媒介為學(xué)生提供一些另類的體驗(yàn)，讓學(xué)生更清楚地了解科技的發(fā)展。

2 VR技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方式

VR技術(shù)在經(jīng)歷了20多年的研究與探索后，于20世紀(jì)80年代后期逐步從理論研究和探索階段開始進(jìn)入應(yīng)用階段。在傳統(tǒng)的“教促學(xué)”模式的基礎(chǔ)上，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^大學(xué)生自身與信息環(huán)境的互動(dòng)，創(chuàng)造“自主學(xué)習(xí)”的學(xué)習(xí)環(huán)境。VR技術(shù)在教育市場(chǎng)的應(yīng)用前景也十分令人振奮，尤其是在開發(fā)了更好更廉價(jià)的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件和硬件后，由于其允許學(xué)生獲取各種信息，學(xué)科的范圍涉及面廣。教師可以不受限制地使用VR技術(shù)以提升各學(xué)科的教學(xué)效果，為學(xué)習(xí)者提供了眾多的學(xué)習(xí)方法和實(shí)踐方法[2]。

2.1 模擬物理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

VR技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)世界的綜合技術(shù)，由于該技術(shù)可以創(chuàng)造一種與現(xiàn)實(shí)社會(huì)相似的環(huán)境，從而解決情景化、自然化交互式學(xué)習(xí)媒介的需求，因而在教育領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景[3]。

VR技術(shù)可以使實(shí)驗(yàn)室一室多用，不同的學(xué)生都能夠在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，從而解決實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部資金緊張問題。使用VR技術(shù)由于不需要花費(fèi)太多的精力去遷移和準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在方便教學(xué)組織的同時(shí)，也可以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織更加靈活多樣，如物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)可以通過單獨(dú)利用計(jì)算機(jī)完成，也可以分組完成。學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)尋求教師和同學(xué)的幫助，除此以外，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生和教師能夠更好地在資料庫(kù)中查詢知識(shí)，確保實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋酶樌剡M(jìn)行。

2.2 拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

VR技術(shù)有很強(qiáng)的滲透感和刺激感。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)，為學(xué)生帶來真實(shí)感的同時(shí)，對(duì)實(shí)際教學(xué)中不能完成的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)、放射性毒性實(shí)驗(yàn)等物理實(shí)驗(yàn)，采用虛擬實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生獲得不同的體驗(yàn)。運(yùn)用VR技術(shù)構(gòu)建“虛擬場(chǎng)景”，確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和實(shí)際效果。舉例來說，在浮力實(shí)驗(yàn)中，教師通常要求學(xué)生在盛水的容器里放上一個(gè)體積較大的物體，然后通過不斷增加重量的方法完成實(shí)驗(yàn)，但用VR技術(shù)完成該實(shí)驗(yàn)時(shí)則有所不同。實(shí)驗(yàn)人員可以在虛擬場(chǎng)景中完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以假定他們是潛水艇的船長(zhǎng)，借助計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備，控制潛水艇航行、撤退、沉降和懸浮等狀態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無論潛水艇處于何種運(yùn)行狀態(tài)，其重量都會(huì)落入水中。通過VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)生動(dòng)活潑的虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過VR技術(shù)視覺同步，深刻理解浮力知識(shí)的基礎(chǔ)上，又能激發(fā)想象思維，從而培養(yǎng)和提升學(xué)生的綜合分析能力。

3 應(yīng)用效果分析

將VR技術(shù)應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅需使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件。因此，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以首先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，然后再進(jìn)行實(shí)際操作，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用頻次，提高其使用壽命，節(jié)約資金。同時(shí)，學(xué)生們可以在實(shí)驗(yàn)室課堂外利用計(jì)算機(jī)完成物理實(shí)驗(yàn)，場(chǎng)地布置靈活方便，組織形式多樣，有利于擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)模。

利用VR技術(shù)，使學(xué)生在不同的實(shí)驗(yàn)中都能高效而大膽嘗試完成實(shí)驗(yàn)。采取主動(dòng)、有趣、靈活、多樣的實(shí)驗(yàn)方法，不僅能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也能確保物理學(xué)的教學(xué)質(zhì)量。做實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生也應(yīng)該注意理解、運(yùn)用和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理，避免操作不當(dāng)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用VR技術(shù)軟件能幫助學(xué)生快速、準(zhǔn)確地解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中“多教少教”的問題。

4 結(jié)束語

目前北京大學(xué)、清華大學(xué)等許多大學(xué)在物理教學(xué)上，都應(yīng)用了VR技術(shù)，并取得了一定的成效。以各種經(jīng)典的通用對(duì)象實(shí)驗(yàn)為主線，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，以互動(dòng)視聽、虛擬形式，在計(jì)算機(jī)屏幕上呈現(xiàn)大量難以闡明的實(shí)驗(yàn)原理和科學(xué)現(xiàn)象。許多實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)果都表示，VR技術(shù)在物理教學(xué)中可以取得很好的效果，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)能力，同時(shí)也能夠提高學(xué)生的操作能力和創(chuàng)新能力。對(duì)于當(dāng)代物理教學(xué)來說，如何更好地利用VR技術(shù)培養(yǎng)物理人才，辦好實(shí)驗(yàn)課程，是當(dāng)前迫切需要解決的問題，希望本文的研究對(duì)于物理教學(xué)能夠有一定的啟發(fā)意義。