孫佩雄 劉 通

(天津師范大學(xué)，天津 300387)

1 問題的提出

物理作為一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,需要學(xué)習(xí)者具備縝密的思維與高度的空間想象力．傳統(tǒng)的以文字、圖片、視頻為載體的知識傳輸方式很多時候很難將復(fù)雜的物理概念、物理模型清晰呈現(xiàn),學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程中遇到的障礙較多,由此對物理學(xué)習(xí)失去興趣,這不利于其創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”總體框架中提到,實踐創(chuàng)新應(yīng)該成為學(xué)生的6大綜合表現(xiàn)之一．虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace作為近年來新興的虛擬現(xiàn)實教學(xué)設(shè)備,是STEM(science 科學(xué),technology 技術(shù),engineering 工程,mathematics 數(shù)學(xué))教育的主要的體現(xiàn),通過情景化、交互性等特點,解決技術(shù)和工程問題,用科學(xué)知識和數(shù)學(xué)工具進行分析．[1]它可以全方位展現(xiàn)知識內(nèi)容,提升學(xué)習(xí)者對物理學(xué)習(xí)的興趣,加深學(xué)習(xí)者對復(fù)雜物理概念、復(fù)雜物理模型的理解,提高學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力．因此,將zSpace應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué),可以解決傳統(tǒng)教學(xué)過程中無法解決的問題．

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace的主要特征

圖1 zSpace虛擬現(xiàn)實交互式學(xué)習(xí)一體機

zSpace是美國硅谷一家公司研發(fā)的一種能夠在教育、醫(yī)學(xué)、軍事等多領(lǐng)域使用的技術(shù)手段.運用虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合方式,讓其用戶感受科技融入真實世界的魅力．zSpace以STEM教育理念為指引,交互式軟硬件zSpace虛擬現(xiàn)實交互式學(xué)習(xí)一體機系統(tǒng)．它主要由帶有頭部追蹤的全彩色、高清、沉浸式立體感顯示器、追蹤眼鏡及虛擬交互筆組成(如圖1所示),高清顯示屏的主要構(gòu)造為一體機,學(xué)生要觀察到的實驗現(xiàn)象均通過此機器進行,在一體機的左右兩端安有紅外感應(yīng)裝置,能夠?qū)ψ粉櫻坨R進行追蹤,從而根據(jù)眼鏡的位置調(diào)整電腦內(nèi)部場景的觀察位置．通過虛擬交互筆能夠控制操作界面,完成整個實驗的操作和觀察．此外,zSpace虛擬現(xiàn)實交互式學(xué)習(xí)一體機還可以通過Z-View投影到屏幕上,達到裸眼3D的效果,便于課堂教學(xué)的使用．基于此平臺可以使學(xué)習(xí)者體驗到超出傳統(tǒng)計算機環(huán)境的感受,可以模擬很多真實課堂環(huán)境下不能實現(xiàn)或不便于觀察的實驗．[2]

虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace以其仿真、交互等特征,給學(xué)習(xí)者提供了情景化的學(xué)習(xí)環(huán)境,結(jié)合中學(xué)物理教學(xué)實際,虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace的主要特征: (1) 將自然條件下無法滿足的理想條件,理想模型,通過一體機展示出來,使學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)內(nèi)容更加了解,幫助學(xué)生對物理的理解．(2) 可以時刻切換場景模式,省去因變化外界環(huán)境帶來的技術(shù)影響等問題．(3) 將抽象的、不易想象的模型轉(zhuǎn)變成可以近距離觀察的、可接觸的模型．通過交互模式,將抽象內(nèi)容通過zSpace轉(zhuǎn)成直觀、可操作的模型．學(xué)生可以將抽象的模型具體化、真實化,供學(xué)生全方位的理解抽象模型,并對模型進行全面的觀察和操作．(4) 可以避免實驗失敗帶來的后果,且可以觀察實驗失敗后的現(xiàn)象,增加了實驗的可操作性．[3-4]

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace在物理教學(xué)中應(yīng)用的課例分析

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace的主要特征,結(jié)合中學(xué)物理教學(xué)中存在的困難,設(shè)計出4個課程案例并進行分析．

3.1 實現(xiàn)“理想化”條件

在中學(xué)物理教學(xué)中,經(jīng)常提到“理想條件下”,然而這樣的理想條件是想象的,現(xiàn)實環(huán)境下沒有辦法提供一個真正的理想條件．比如用斜面實驗來驗證“牛頓第一定律”時,教師只能不停地減小斜面傾角,在實驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)之上做出推論,真正的無摩擦條件是永遠無法實現(xiàn)的,教師只能無限地接近這一條件,從而引入了“實驗+推理”的理想實驗．雖然理想實驗是以實驗為基礎(chǔ),但是其中主觀上的想象推理也是極為重要的,因此可能會出現(xiàn)有些學(xué)生難以理解的問題．將zSpace引入教學(xué)中,可以模擬沒有摩擦力和空氣阻力的環(huán)境,讓學(xué)生親眼觀察這種理想條件下小球的運動情況——小球滑下斜面后,水平方向上不受力,一直保持勻速直線運動狀態(tài)．如圖2所示,質(zhì)量為3.0kg的小球在高為2.5m斜面下滑的路程分別在10.32m、11.92m、12.62m時小球的速率都為4.34m/s．這樣就將理想實驗中的推理結(jié)論直接展現(xiàn)在了學(xué)生面前．zSpace的引入增強了學(xué)生的感性認識,加深了學(xué)生對科學(xué)理論的直觀理解．

圖2 理想條件下小球滑下斜面后的運動狀態(tài)

3.2 輕松突破實驗技術(shù)難關(guān)

在物理教學(xué)實踐中,許多教學(xué)實驗都存在一些技術(shù)方面的局限性．例如在關(guān)于“平拋運動”的討論中,由于技術(shù)的限制,教師不能改變實驗所在環(huán)境的重力加速度,于是只能探究物體初速度和高度對運動軌跡的影響．但在zSpace的虛擬環(huán)境中,就可以任意地選擇自己所處的“星球”或者進入零重力空間,這樣就使實驗中的重力加速度發(fā)生了改變．如圖3所示,質(zhì)量為3.0kg的小球分別在重力加速度為g的地球和重力加速度為2.54g的木星,高為2.5m的拋體發(fā)射器上用相同的力使小球做平拋運動,小球落地點的位移分別為5.61m和3.69m,學(xué)生觀察到與平時生活中完全不同的現(xiàn)象,從而使他們更加主動地對物理現(xiàn)象的影響因素進行探究,幫助他們更加深刻地認識到物理學(xué)規(guī)律在宇宙中的普適性．在zSpace的幫助,可以虛擬許多現(xiàn)實里不能實現(xiàn)的場景,甚至“身臨”太空,親自動手完成太空中的實驗．[5]

圖3 小球分別在地球和木星上做平拋運動

3.3 將抽象概念形象化

物理學(xué)中常常出現(xiàn)一些肉眼不可見的抽象概念,如“電場”、“磁場”．在傳統(tǒng)教學(xué)中,教師只能告訴學(xué)生,電場是空間里存在的一種特殊物質(zhì),它真實存在卻不可見．毫無疑問,這一概念是抽象難以理解的．zSpace則可以直接呈現(xiàn)出“場”的存在,將不可見變?yōu)榭梢?將抽象變?yōu)樾蜗螅鐖D4所示,電場的局域和方向清晰可見,在此電場中放置一個帶電荷的小球,我們就可以觀察到小球在電場力的作用下開始進行直線運動,并且清楚地看到小球從電場中離開或進入電場的過程以及受力變化．這種可視性可以極大地加深學(xué)生對電場的理解并且激發(fā)他們對物理學(xué)的學(xué)習(xí)興趣．

圖4 電場和帶電荷的小球在電場力作用下的運動狀態(tài)

3.4 有效處理危險性或危害性實驗

實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ),任何一條物理學(xué)假設(shè)、原理、定律,都是建立在大量的觀測和實驗的基礎(chǔ)之上的,同樣實驗教學(xué)也是物理教學(xué)的重要組成部分．但在現(xiàn)實教學(xué)中,教師必須杜絕教學(xué)事故問題,一些高難度、危險、危害性的實驗無法在教室進行演示操作．因此,可以通過zSpace來進行一些操作或現(xiàn)象比較危險的實驗．例如,在學(xué)習(xí)“短路”現(xiàn)象時,直接將導(dǎo)線與電源連接在現(xiàn)實教學(xué)中屬于教學(xué)事故．如圖5所示,在zSpace操作中則不會造成任何損失和傷害．學(xué)習(xí)者也可以身臨其境地觀察到由于電流過大燈泡被燒毀的過程,體會到這種操作的危險性．在zSpace虛擬出的各種實驗中,學(xué)習(xí)者不僅能避免在進行實驗時不規(guī)范操作造成的危害和損失,還能提高對危險操作和現(xiàn)象的警惕性,甚至可以進行一些普通教室里不能進行的危險系數(shù)較高的實驗．[6]

圖5 短路和燈泡燒毀現(xiàn)象

4 總結(jié)與展望

時代的變遷,教育方式也要隨之改變．信息時代教育的發(fā)展必然有信息技術(shù)在其中的應(yīng)用．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在當今教育領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾,同時在中學(xué)物理教學(xué)的發(fā)展前景是廣闊的．選擇4個中學(xué)物理課程在傳統(tǒng)教學(xué)中不易理解和呈現(xiàn)的片段,將虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace交互式學(xué)習(xí)一體機應(yīng)用于其中,啟發(fā)更多物理教育者在教育教學(xué)中的新思路．基于STEM教育理念,個性化為學(xué)生搭建學(xué)習(xí)平臺,培養(yǎng)了學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新能力．但發(fā)展的同時也是有亟待解決的問題,zSpace的售價一直居高不下,資金不足是許多學(xué)校未配備的首要原因．其次,學(xué)校的很多教師從未接觸過此技術(shù),更不用說使用其授課及開發(fā)zSpace的課程資源,這也一定程度地制約了虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace在中學(xué)物理教學(xué)過程中的普及．因此,將其應(yīng)用于中學(xué)物理教學(xué)中,還需要社會各界人士的努力．使師范類高校、公司、中學(xué)教師3方面的結(jié)合,開發(fā)和培訓(xùn)相關(guān)課程,虛擬現(xiàn)實技術(shù)才能更好的服務(wù)教學(xué)．相信在不久的將來,虛擬現(xiàn)實技術(shù)zSpace在教育領(lǐng)域會用更多的應(yīng)用．