VR技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用探析

摘 要：介紹了國家教育數(shù)字化政策背景下，VR技術(shù)在中學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢。通過分析VR技術(shù)應(yīng)用物理教學(xué)的意義和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了VR技術(shù)應(yīng)用中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用策略。為教師提高教育信息技術(shù)應(yīng)用水平，推動(dòng)中學(xué)數(shù)字物理模型教學(xué)的“大眾化”提供參考。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理教學(xué)；VR技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、背景

當(dāng)前，數(shù)字技術(shù)成為驅(qū)動(dòng)社會(huì)變革的重要力量。教育作為社會(huì)發(fā)展的重要組成部分，其數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為必然趨勢。我國政府高度重視數(shù)字教育的發(fā)展，提出實(shí)施教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)，加快推進(jìn)教育數(shù)字轉(zhuǎn)型和智能升級。在此背景下，國家出臺了一系列政策，通過推廣在線教育、建立數(shù)字化教學(xué)管理平臺等方式，實(shí)現(xiàn)教育過程的數(shù)字化，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。此外，政策還關(guān)注教師數(shù)字化能力的提升，加強(qiáng)教師培訓(xùn)，使其能夠適應(yīng)數(shù)字化時(shí)代的教學(xué)需求，培養(yǎng)適應(yīng)數(shù)字化時(shí)代需求的人才[1]。

在教育數(shù)字化發(fā)展的大背景下，VR技術(shù)已走入中學(xué)教學(xué)。它能夠?qū)⑻摂M和現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合，形成一種與特定情境一致的數(shù)字化環(huán)境；可以實(shí)現(xiàn)一種交互式的虛擬與現(xiàn)實(shí)混合的三維動(dòng)態(tài)視景和動(dòng)態(tài)實(shí)體行為，幫助學(xué)生打造一個(gè)仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率[2]。

（一）沉浸性

VR技術(shù)通過計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生置身其中，仿佛身臨其境，成為虛擬環(huán)境的一部分。虛擬環(huán)境的場景會(huì)刺激人體的中樞系統(tǒng)，從而產(chǎn)生一系列的真實(shí)反應(yīng)，讓人真假難辨。

（二）交互性

VR技術(shù)可以對計(jì)算機(jī)的指令做出相應(yīng)的改變，可以根據(jù)學(xué)生的需求來改變虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)而能夠讓學(xué)生得到與現(xiàn)實(shí)世界相同的反饋。

（三）構(gòu)想性

教師利用VR技術(shù)建立模型，通過設(shè)置參數(shù)對現(xiàn)實(shí)的教學(xué)情境進(jìn)行模擬，繼而將抽象難懂的問題生動(dòng)化、直觀化，有助于學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中加深對相關(guān)知識的理解。同時(shí)，模型也拓寬了學(xué)生在真實(shí)世界中的想象力，大大拓展了學(xué)生的發(fā)散思維。

VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，可將知識的二維表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)向三維表現(xiàn)形式，從而讓學(xué)生融入虛擬課堂之中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，強(qiáng)化了師生之間的交流[3]。

二、VR技術(shù)應(yīng)用于教育發(fā)展的現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)的VR技術(shù)在教育中的應(yīng)用還僅僅停留在直接播放VR內(nèi)容上。以中學(xué)物理教學(xué)為例，利用VR技術(shù)僅僅展示原子的微觀結(jié)構(gòu)、磁感線、電場線等，學(xué)生僅能看到部分中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但無法真實(shí)體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程。這在本質(zhì)上與看電子書并沒有區(qū)別，加上高額的VR制作成本及VR本身的限制，使許多學(xué)校很難接受VR，仍需要經(jīng)歷較長時(shí)間的實(shí)踐。筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)，國外已有很多將VR成功應(yīng)用于教育的例子，包括借助虛擬人體操作及學(xué)習(xí)平臺、觸覺輸入設(shè)備及三維動(dòng)物模型相配合，可實(shí)現(xiàn)交互性的人體三維立體解剖系統(tǒng)與解剖結(jié)構(gòu)參照系，從而構(gòu)建起一個(gè)完全可直接進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)操作的3D虛擬人體解剖類教學(xué)課程（見圖1）；利用VR創(chuàng)設(shè)電力變壓器操作培訓(xùn)課程（見圖2）和腹腔鏡模擬操作等等。

從國外例證及國內(nèi)VR技術(shù)應(yīng)用教學(xué)的現(xiàn)實(shí)可以看出，提高國內(nèi)VR技術(shù)應(yīng)用教學(xué)十分必要。例如，在傳統(tǒng)中學(xué)物理課堂中，當(dāng)面對抽象的中學(xué)物理學(xué)概念時(shí)，一部分學(xué)生就失去了學(xué)習(xí)這門學(xué)科的興趣，但VR技術(shù)的應(yīng)用恰恰能解決這一問題。同時(shí)提升學(xué)生核心素養(yǎng)、完善學(xué)生中學(xué)物理思維以及培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力等方面發(fā)揮舉足輕重作用[4]。

三、VR技術(shù)應(yīng)用物理教學(xué)的意義

相比其他基礎(chǔ)課程，中學(xué)物理學(xué)科因其邏輯性強(qiáng)、抽象性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，讓很多學(xué)生僅僅看到了枯燥的公式和抽象的概念就望而卻步，產(chǎn)生厭學(xué)心理。當(dāng)VR技術(shù)引入中學(xué)物理教學(xué)后，其獨(dú)特優(yōu)勢就凸顯出來。

（一）打破傳統(tǒng)教育模式，學(xué)生成為教學(xué)主體

傳統(tǒng)教學(xué)模式是以教師講授為主，學(xué)生只能被動(dòng)地接受知識。隨著VR技術(shù)的引入，打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式，不但實(shí)現(xiàn)了教學(xué)創(chuàng)新和學(xué)科融合，而且給學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)仿真的自主學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)習(xí)變得更有趣、更安全，實(shí)現(xiàn)了以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教育形式。

（二）構(gòu)建高度的沉浸性、交互性以及可構(gòu)想的學(xué)習(xí)環(huán)境

若將VR技術(shù)科學(xué)合理地應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，便可以讓學(xué)生從視覺、嗅覺、觸覺等多個(gè)感官方面沉浸于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，既能親身體驗(yàn)并產(chǎn)生認(rèn)知反應(yīng)，又能在具體情境中習(xí)得技能或知識。這對發(fā)揮學(xué)生在課堂中的主體作用以及提高課堂教學(xué)效率具有極大的優(yōu)勢。

（三）化抽象為具象，提升學(xué)習(xí)的趣味性

很多理工科學(xué)生在學(xué)習(xí)一些抽象的中學(xué)物理概念時(shí)，往往無法對已有的知識體系進(jìn)行梳理，難以在提取有用信息基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)知識的遷移。久而久之，學(xué)生在學(xué)習(xí)中必然失去主觀能動(dòng)性，繼而使其綜合運(yùn)用知識的能力受到影響。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已深入到各個(gè)學(xué)科的教學(xué)，學(xué)生對于計(jì)算機(jī)技術(shù)的需求與日俱增。在當(dāng)前計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)不斷向前發(fā)展的新時(shí)代環(huán)境下，為了實(shí)現(xiàn)中學(xué)物理模型教學(xué)的“大眾化”，教師可借助VR技術(shù)建立一種立體化的數(shù)字中學(xué)物理教學(xué)模型，以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解中學(xué)物理規(guī)律。因此，教師有必要提高自身教育信息技術(shù)的應(yīng)用水平，熟練地帶領(lǐng)學(xué)生對計(jì)算機(jī)模型參數(shù)進(jìn)行合理化設(shè)置，以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的教學(xué)價(jià)值，達(dá)成在增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生對中學(xué)物理知識的認(rèn)知、理解、探究能力以及操作能力、創(chuàng)新能力，提升中學(xué)物理核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)[5]。

（四）增強(qiáng)學(xué)生的參與度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

教師可針對問題借助VR技術(shù)設(shè)計(jì)具體的教學(xué)情境，以便基于虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)合作探究學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，并提高其學(xué)習(xí)的參與度。進(jìn)而言之， VR技術(shù)不僅針對教學(xué)內(nèi)容，它更加側(cè)重于學(xué)生的身心感受，賦予體驗(yàn)者角色帶入，從而讓學(xué)生有一種身在其中的感覺，增加了學(xué)習(xí)的趣味性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、VR技術(shù)應(yīng)用中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用策略

將VR技術(shù)融入中學(xué)物理教學(xué)中，發(fā)揮其多重再現(xiàn)的特點(diǎn)，可以有針對性地解決個(gè)性化學(xué)習(xí)、情境式教學(xué)、沉浸式教學(xué)等中的難點(diǎn)問題。

（一）打破傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)的局限性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)操能力

中學(xué)物理學(xué)科是一門追求真理的學(xué)科，很多中學(xué)物理原理需要通過實(shí)驗(yàn)來真正理解，但是很多中學(xué)物理問題具有抽象性，對中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的要求比較高。例如，一些中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)會(huì)受濕度、溫度、摩擦等諸多客觀因素的影響，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗或達(dá)不到實(shí)驗(yàn)預(yù)期。又如，受場地不足、器材較少、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)不便操作等因素的限制，學(xué)生難以將所學(xué)知識應(yīng)用于實(shí)踐中。而將VR技術(shù)融于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就克服了以上問題，不僅讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更加準(zhǔn)確生動(dòng)，便于學(xué)生深刻理解中學(xué)物理現(xiàn)象及原理，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，尤其對一些學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不強(qiáng)的學(xué)生更是起到很強(qiáng)的激勵(lì)作用。例如，在大氣壓的測量實(shí)驗(yàn)中，由于水銀有毒，且如果換用水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則需要10米多的高度水柱，所以學(xué)生很難動(dòng)手實(shí)際操作，只能通過觀看視頻或由教師講解加演示的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。借助VR技術(shù)，就可以模擬出各種儀器和十分豐富的實(shí)驗(yàn)材料，而學(xué)生可根據(jù)教師發(fā)布的任務(wù)，選擇不同的實(shí)驗(yàn)材料（水，鹽水，水銀等）反復(fù)操作，很容易取得理想的實(shí)驗(yàn)效果，真實(shí)地體驗(yàn)了測量大氣壓強(qiáng)的過程（見圖3），感受到了科學(xué)家托里拆利測量大氣壓時(shí)的心理旅程。實(shí)踐證明，VR教學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面相對于傳統(tǒng)教學(xué)方式擁有更大的發(fā)展空間。再如，為了解科學(xué)規(guī)律或中學(xué)物理定律被發(fā)現(xiàn)的過程和中學(xué)物理學(xué)的發(fā)展歷史，提高學(xué)習(xí)中學(xué)物理的興趣，可將VR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，既無需擔(dān)心安全問題，又沒有原料損耗、器材限制，且可以重復(fù)操作，很容易提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，并取得比教師演示實(shí)驗(yàn)更好的學(xué)習(xí)效果[6]。

（二）借虛擬現(xiàn)實(shí)達(dá)成知識的平面化向立體化的轉(zhuǎn)變

例如，“磁體周圍磁場分布”實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生理解磁體周圍存在磁場，但磁場是看不見摸不著的，即如何在學(xué)生頭腦中建立磁場的概念，讓學(xué)生感知磁場的存在，是教學(xué)的難點(diǎn)。為此，教師可先利用VR技術(shù)創(chuàng)設(shè)三維磁場場景，就能讓學(xué)生切實(shí)感受磁場的存在，并充分認(rèn)識到磁場的強(qiáng)弱以及方向。然后，教師提出問題、引出公式，并讓學(xué)生通過計(jì)算解決問題，就能順利地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。又如，聲波是“聲現(xiàn)象”一章中較為抽象的概念，學(xué)生對此難以理解。為此，教師可利用VR技術(shù)呈現(xiàn)真實(shí)環(huán)境中聲波的產(chǎn)生及傳播過程，有助于學(xué)生理解聲音是以聲波的形式傳播的這一難點(diǎn)。再如，伽利略的理想實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)中是無法實(shí)現(xiàn)的，但采用VR技術(shù)就可以通過設(shè)置參數(shù)改變小球與斜面間的摩擦力，讓學(xué)生直觀地觀察到小球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，直至摩擦力為零（見圖4）。在觀察過程中，學(xué)生很自然地聯(lián)想到小球?qū)⒆鰟蛩僦本€運(yùn)動(dòng)，從而正確認(rèn)識了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系[7]。

要知道，VR技術(shù)可以創(chuàng)建仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)室，給學(xué)生一種身臨其境的感覺，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)中時(shí)間和空間的不足，自然能為學(xué)習(xí)者提供一種“替代經(jīng)驗(yàn)”。

（三）實(shí)現(xiàn)生生之間的深度交流，提高學(xué)生在分組實(shí)驗(yàn)中的參與度

在傳統(tǒng)分組實(shí)驗(yàn)中，因小組中學(xué)生分工不同，故每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度和感受必然不同。VR技術(shù)可以讓每位學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)之中，積極思考實(shí)驗(yàn)問題，勇于表達(dá)和交流。例如，在探究地球和其同步運(yùn)行衛(wèi)星的軌道時(shí)，通常還需要做一些力學(xué)分析，但學(xué)生對教師分析地球同步衛(wèi)星軌道的過程仍然難以理解。此時(shí)，教師可利用穿戴式VR將學(xué)生直接模擬成衛(wèi)星，讓其在充分感知受力情況，從而制出地球同步衛(wèi)星軌道的受力分析圖例，并模擬出同步衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)方向，則學(xué)生能清楚直觀地感受到地球同步衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡。憑借VR視覺與感知方式進(jìn)行的猜想、設(shè)計(jì)、反證、交流互動(dòng)等一系列互動(dòng)探究體驗(yàn)過程，教師可以促進(jìn)學(xué)生的探究興趣與參與研究的熱情，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)理性的辯證創(chuàng)新思維和積極的科學(xué)態(tài)度。事實(shí)表明，將全體學(xué)生分為幾組，組織其自由探討所觀察到的課題內(nèi)容，有助于互相交流解決問題的心得或體會(huì)，從而提升其對宇宙世界的科學(xué)認(rèn)知。又如，在利用VR設(shè)備探究凸透鏡成像特點(diǎn)時(shí)，教師可以讓學(xué)生以小組為單位設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，明確實(shí)驗(yàn)過程中需要觀察、記錄及測量的中學(xué)物理量。在此過程中，小組協(xié)作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，直接觀察成像過程，并通過比對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出凸透鏡成像的規(guī)律（見圖5）。這一教學(xué)模式在提高學(xué)生參與度的同時(shí)，加深了他們對課程知識的認(rèn)知和理解；學(xué)生在積極表達(dá)個(gè)人觀點(diǎn)的同時(shí)，能夠快速提升自身的語言表達(dá)能力和人際溝通能力。進(jìn)一步說，在結(jié)合沉浸式學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)教學(xué)模式下，AR教育模式可以讓學(xué)生通過體驗(yàn)和操作發(fā)現(xiàn)問題、合作探究問題，并分享學(xué)習(xí)心得[8]。

（四）提升教學(xué)效果，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

教師可以借助VR技術(shù)的特點(diǎn)，展示更多的實(shí)驗(yàn)常識和技能，并對這些實(shí)驗(yàn)常識和技能進(jìn)行科學(xué)評價(jià)，引導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行深入學(xué)習(xí)。圖6為教學(xué)實(shí)踐流程圖。

例如，電學(xué)故障分析因其較為抽象而成為初中電學(xué)實(shí)驗(yàn)的重難點(diǎn)。在初中電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生雖然會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，但并不是所有學(xué)生都能夠一次性成功，總會(huì)遇到多種多樣的電學(xué)故障。還有，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程評價(jià)時(shí)，多數(shù)學(xué)生難以準(zhǔn)確描述實(shí)驗(yàn)中遇到的電學(xué)故障現(xiàn)象。當(dāng)引入VR技術(shù)后，學(xué)生在講解的同時(shí)，就可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中將實(shí)驗(yàn)中遇到的故障快速準(zhǔn)確地加以重現(xiàn)，此時(shí)其他學(xué)生能夠直觀地體會(huì)到故障現(xiàn)象，變抽象為具象，從而更容易分析電學(xué)故障產(chǎn)生的原因。在此具體教學(xué)實(shí)踐中，筆者選擇了使用VR技術(shù)（虛擬實(shí)驗(yàn)室）和未使用VR技術(shù)的兩個(gè)平行班級進(jìn)行對比，即以試卷形式進(jìn)行一次測評，從中發(fā)現(xiàn)：使用VR技術(shù)進(jìn)行電學(xué)故障分析的班級，其正確率能夠達(dá)到85%；未使用VR技術(shù)的班級，其正確率僅為66%。之后，筆者以尋談形式對兩個(gè)班級中回答正確的學(xué)生進(jìn)行了一次調(diào)查，從中發(fā)現(xiàn)：使用VR技術(shù)班級的學(xué)生對電學(xué)故障的理解更為透徹，能夠準(zhǔn)確地描述出故障的原因及現(xiàn)象；未使用班級的學(xué)生對未遇到過的電學(xué)故障比較迷茫，更多的是對知識點(diǎn)的死記硬背。最后，筆者再次以電路故障排查實(shí)驗(yàn)對兩個(gè)班級進(jìn)行了比對，從中發(fā)現(xiàn)：使用VR虛擬實(shí)驗(yàn)室的班級不僅動(dòng)手能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間比不使用VR技術(shù)的班級大幅度縮短，而且使用VR技術(shù)的班級還能夠想到使用多種器材（電壓表，導(dǎo)線，燈泡，導(dǎo)線等）排查故障并進(jìn)行實(shí)踐。進(jìn)一步了解筆者還發(fā)現(xiàn)：不使用VR技術(shù)的班級學(xué)生僅能夠按照教師的要求完成實(shí)驗(yàn)[9-11]。

綜合來看，使用VR技術(shù)的班級學(xué)生在人與VR深度交互的過程中，能夠完成知識的遷移、思維的發(fā)散和能力的提升，取得了超過預(yù)期的教學(xué)效果。

五、結(jié)語

總而言之，推進(jìn)VR技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用道阻且長，但中學(xué)物理作為基礎(chǔ)教育的基礎(chǔ)性課程，應(yīng)該充分發(fā)揮這種新的教學(xué)方式的優(yōu)勢，讓學(xué)生不會(huì)畏懼中學(xué)物理這門學(xué)科，直觀感受中學(xué)物理的魅力，從而愛上中學(xué)物理學(xué)科。教師應(yīng)該積極加速將VR技術(shù)應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)之中，促進(jìn)教學(xué)課堂的改革，創(chuàng)新課堂、創(chuàng)新教育方式，不斷提高中學(xué)物理教學(xué)的效率。筆者相信，在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，我們更應(yīng)趁著這股東風(fēng)，讓中學(xué)物理教學(xué)更上一層樓。

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（責(zé)任編輯：加順花）