孫春艷

（安慶師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院，安徽 安慶246133）

0 引言

物理實(shí)驗(yàn)在物理課程中占比較高。隨著教育規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，其教學(xué)對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等要求不斷提高，因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已不適應(yīng)于當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)實(shí)，并在一定程度上影響著物理教學(xué)的發(fā)展。而VR 技術(shù)的出現(xiàn)則有效的彌補(bǔ)了物理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，進(jìn)一步提高其教學(xué)質(zhì)量。所以需要深入研究VR 技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，并探索出推動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的實(shí)踐路徑。

1 VR 技術(shù)

1．1 內(nèi)涵

VR 技術(shù)是指Virtual Reality，中文翻譯為虛擬現(xiàn)實(shí)，二十世紀(jì)以來(lái)，該技術(shù)是一種全新的實(shí)用技術(shù)，主要是指在計(jì)算機(jī)技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、仿真技術(shù)等技術(shù)的綜合的基礎(chǔ)上建立的高新技術(shù)，通過在多維空間中建立一個(gè)虛擬環(huán)境，讓用戶親自參與其中，并同環(huán)境進(jìn)行良好的交互。

1.2 特點(diǎn)

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，VR 技術(shù)方面的應(yīng)用具有三個(gè)典型特征，其一是沉浸式，即通過構(gòu)建一個(gè)仿真的虛擬世界，讓人們看到、聽到其中所發(fā)生的一切，這一真實(shí)性能夠讓人們?nèi)轿怀两谶@一虛擬世界中。其二是交互性，主要通過多種傳感器，與多位化信息的環(huán)境進(jìn)行交互作用，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的開放性，從而對(duì)使用者的輸出作出響應(yīng)。其三是構(gòu)想性，VR 技術(shù)是基于物理實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)以及教學(xué)實(shí)際而涉及構(gòu)建的虛擬世界，學(xué)生可以從定性、定量等方面集成物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境中獲得感性和理性的認(rèn)知，從而提高其對(duì)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握。

2 VR 技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合

2．1 VR+教育理論

VR 技術(shù)具有沉浸性、想象性、具象化等特正，將其應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供多個(gè)維度的沉浸、交互和認(rèn)知，進(jìn)而增強(qiáng)其學(xué)習(xí)體驗(yàn)、提高其學(xué)習(xí)效率。

（1）建構(gòu)主義理論。構(gòu)建主義理論認(rèn)為知識(shí)的構(gòu)建主要來(lái)源于實(shí)際生活的體驗(yàn)，唯有在實(shí)際情境中，知識(shí)才能真正被了解、認(rèn)識(shí)，而教學(xué)活動(dòng)則是為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，促使其在學(xué)習(xí)的體驗(yàn)中認(rèn)識(shí)和理解知識(shí)?；赩R 技術(shù)的沉浸性、想象性等特征同構(gòu)建主義所強(qiáng)調(diào)的情景式教學(xué)完美契合，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還原現(xiàn)實(shí)生活，讓學(xué)生身臨其境的去認(rèn)知理解新知識(shí)，從而構(gòu)建自我的知識(shí)體系。

（2）具身認(rèn)知理論。該理論認(rèn)為人類的認(rèn)知不僅僅由大腦控制，還由自身對(duì)外界的感知得到。其一，影響人類認(rèn)知過程的重要因素之一是身體對(duì)外界環(huán)境的感受，人類的大腦除控制身體之外，還受到了身體感受的影響；其二，知識(shí)的獲取需要一定環(huán)境，人們的身體在與周遭環(huán)境進(jìn)行信息交流的同時(shí)，身體的各部分感官也在發(fā)出同樣的信號(hào)并相互融合，形成整體感受，這一感受將直接影響人的認(rèn)知過程，因此，認(rèn)知、身體和環(huán)境實(shí)際上是一個(gè)動(dòng)態(tài)的統(tǒng)一體。而VR 技術(shù)能夠推動(dòng)這一有機(jī)體的融合發(fā)展。

（3）“做中學(xué)”理論。傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師口授的方式，往往只重視知識(shí)教育。學(xué)生的學(xué)習(xí)是機(jī)械被動(dòng)的，忽略了創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。杜威在“做中學(xué)”理論中強(qiáng)調(diào)，學(xué)習(xí)是行動(dòng)副產(chǎn)品，教師可以從營(yíng)造“做”的環(huán)境的方法來(lái)引導(dǎo)學(xué)生思考以此獲取知識(shí)，這一教學(xué)理論為VR 技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。借助VR 技術(shù)，營(yíng)造了逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在這一環(huán)境中動(dòng)手實(shí)踐，掌握實(shí)驗(yàn)原理和方法，進(jìn)而形成自己的知識(shí)體系，同時(shí)還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提高了學(xué)習(xí)效率。

2.2 優(yōu)勢(shì)與特征

（1）拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和空間。VR 技術(shù)應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以從內(nèi)容和空間兩個(gè)方面提高其實(shí)效性。其一，VR 技術(shù)搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以完成傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中難以完成的一些危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)或成本較高的實(shí)驗(yàn)，解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器不足等問題；其二，傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多局限在一維的物理空間，而VR 技術(shù)則可以拓展為物理實(shí)驗(yàn)空間和虛擬空間相融合的二維空間，在此環(huán)境中教師無(wú)須移動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備且能夠靈活組織教學(xué)，從而提高教學(xué)效率。

（2）借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)仿真情境。VR 技術(shù)能夠借助多種技術(shù)創(chuàng)設(shè)仿真情景，將學(xué)生迅速殆盡學(xué)習(xí)氛圍中，進(jìn)而產(chǎn)生沉浸感，將因此若在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用VR 技術(shù)，那么學(xué)生就能夠在仿真情境中親自體驗(yàn)和探究知識(shí)的基本概念與獲取方式，從而較容易掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)論，進(jìn)而深化探究，為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)累積經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，學(xué)生也可以從實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)一些無(wú)法預(yù)料到的問題，并不斷改進(jìn)，這樣既能夠鞏固其對(duì)知識(shí)的掌握，還能夠培養(yǎng)獨(dú)立探究和創(chuàng)新思維。

（3）降低試錯(cuò)成本，提升教學(xué)效率。在VR 技術(shù)基礎(chǔ)上搭建的方針實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠降低物理實(shí)驗(yàn)中的是錯(cuò)成本，讓學(xué)生大膽嘗試，體驗(yàn)生活中難以實(shí)現(xiàn)的情境，幫助學(xué)生尋找到理論知識(shí)同具體實(shí)踐之間的差別與聯(lián)系，從而更好都掌握物理實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容。同時(shí)，這一仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的智能搜索等功能還能夠及時(shí)解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的困難，提高其實(shí)驗(yàn)效率。

3 VR 技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一門操作性很強(qiáng)的課程，純粹靠課本上的文字以及教師口授是無(wú)法真正理解教學(xué)知識(shí)、把握其中核心內(nèi)容，因而無(wú)法達(dá)到其預(yù)期的教學(xué)效果，而VR 技術(shù)的出現(xiàn)能夠有效彌補(bǔ)這一不足，接下來(lái)將著重討論在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用。

3.1 VR 技術(shù)在演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

演示實(shí)驗(yàn)是在理論教學(xué)中最常用的方法，一般對(duì)于教具的要求較高，但是對(duì)于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)和理論知識(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)只能通過口授教學(xué)方法，很難描述清楚。但目前可以借用VR 技術(shù)，制作教學(xué)仿真課件，以立體、真實(shí)的漫游畫面展現(xiàn)環(huán)境、場(chǎng)景以及目標(biāo)物，只需鼠標(biāo)和鍵盤操控，讓學(xué)生身臨其境完成知識(shí)的理解和掌握。比如，在機(jī)械加工的屏幕仿真教學(xué)課件中，學(xué)生可以激活模擬物吊車，并控制吊車進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)將重力、慣性等力學(xué)算法輸入物品中，其運(yùn)動(dòng)軌跡同現(xiàn)實(shí)生活中移動(dòng)情況完全相同，學(xué)生可以在用鼠標(biāo)控制調(diào)查觀察其變化，從而掌握這一知識(shí)點(diǎn)。

3.2 VR 技術(shù)在測(cè)量實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

測(cè)量類實(shí)驗(yàn)室物理實(shí)驗(yàn)中常見的實(shí)驗(yàn)類型，其目的在于檢測(cè)學(xué)生能否靈活操作實(shí)驗(yàn)器材，而這些測(cè)量實(shí)驗(yàn)復(fù)雜程度參差不齊，若果學(xué)生無(wú)法親身試驗(yàn)，將無(wú)法熟練掌握這一操作技術(shù)，在實(shí)際教學(xué)中，因物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器有限，在一節(jié)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師無(wú)法確保每一位學(xué)生都親身參與物理實(shí)驗(yàn)，而借助VR技術(shù)能夠有效輔助物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，構(gòu)建出相對(duì)應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供各種儀器模型，且其參數(shù)通真是物品相一致，這能夠最大限度地確保學(xué)生在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)的安全性以及準(zhǔn)確性。

3.3 VR 技術(shù)在探究實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

探究性實(shí)驗(yàn)也是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)類型，這一實(shí)驗(yàn)類型以“問題”為導(dǎo)向，指導(dǎo)學(xué)生通過分析、觀察、探索物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最終得出物理結(jié)論，通過這一實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生找到物理知識(shí)的本質(zhì)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生觀察物理知識(shí)和探究物理理論的能力，提高其科學(xué)素養(yǎng)，但此類實(shí)驗(yàn)易受外界因素的影響，而借助VR 技術(shù)能夠彌補(bǔ)這一不足。如，“凸透鏡成像規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中，教師在上課前先通過大屏幕為學(xué)生導(dǎo)入相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，隨后向?qū)W生提出探究問題，即“凸透鏡和物體之間的距離是否會(huì)影響凸透鏡成像結(jié)果”。隨后讓學(xué)生自由思考，并提出自己的猜想，隨后教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用VR 技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證個(gè)人猜想，并得出真實(shí)結(jié)論。這樣一來(lái)，學(xué)生可以通過真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情景來(lái)逐步提高自身觀察能力，豐富其物理學(xué)習(xí)效果。

4 加強(qiáng)VR 技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐策略

4．1 搭建教學(xué)環(huán)境平臺(tái)

加快VR 技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用首先應(yīng)當(dāng)搭建教學(xué)環(huán)境平臺(tái)。首先，加強(qiáng)管理模塊建設(shè)，一方面應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)申請(qǐng)注冊(cè)、權(quán)限設(shè)置、咨詢服務(wù)等平臺(tái)系統(tǒng)的管理；另一方面應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)師生基本信息、課程設(shè)置、學(xué)習(xí)情況等內(nèi)容的管理，確保教學(xué)活動(dòng)的順利展開，并未學(xué)生提供便捷的服務(wù)。其次，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)虛擬教學(xué)資源庫(kù)的建設(shè)，包括虛擬素材、電子教學(xué)案例等等，滿足教學(xué)需求，提高教學(xué)效果。此外，教學(xué)效果的好壞需要相應(yīng)的教學(xué)評(píng)價(jià)進(jìn)行評(píng)判，唯有建立適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方式，才能不斷提高教師教學(xué)質(zhì)量，因此，要不斷優(yōu)化平臺(tái)的智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、豐富評(píng)價(jià)指標(biāo)，為教師教學(xué)提供更加科學(xué)的指導(dǎo)。

4.2 實(shí)現(xiàn)情境化教學(xué)

理論知識(shí)的學(xué)習(xí)過于單調(diào)和乏味，而借助情景式來(lái)構(gòu)建知識(shí)能夠產(chǎn)生良好的效果，在物理實(shí)驗(yàn)中，如果學(xué)習(xí)者能夠通過特定的場(chǎng)景來(lái)構(gòu)建知識(shí)結(jié)果，那么將能夠起到意想不到的效果，因此，教師應(yīng)當(dāng)借助VR技術(shù)來(lái)建立仿真的實(shí)驗(yàn)情境，形成逼真的立體效果，進(jìn)而使學(xué)生沉浸于此，自主建立知識(shí)結(jié)構(gòu)。例如在物理實(shí)驗(yàn)中，教師可以建立虛擬化學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作場(chǎng)景，讓學(xué)生在該場(chǎng)景中了解各種實(shí)驗(yàn)一起的操作、材料的使用以及實(shí)驗(yàn)步驟、安全隱患等等，幫助學(xué)生更好地了解物理實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)而提高其實(shí)驗(yàn)效率。

4.3 加快促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展

VR 技術(shù)的發(fā)展需要多方力量的推動(dòng)，因此，政府、學(xué)校、行業(yè)應(yīng)當(dāng)共同攜手促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。首先，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮其政府宏觀調(diào)控的作用。一方面政府應(yīng)當(dāng)立足于實(shí)際，并結(jié)合市場(chǎng)發(fā)展需求制定VR 技術(shù)行業(yè)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步規(guī)范其產(chǎn)品生產(chǎn)，解決當(dāng)前各種VR 產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)、儀器間不能對(duì)接、無(wú)法批量化生產(chǎn)等問題，進(jìn)一步推動(dòng)VR 產(chǎn)品的生產(chǎn)發(fā)展；另一方面，政府應(yīng)當(dāng)盡快出臺(tái)相關(guān)政策，從稅收減免、資金補(bǔ)貼等方式為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力的政策保證，推動(dòng)行業(yè)全力研發(fā)VR 產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，推動(dòng)其在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。其次，加快企業(yè)的研發(fā)進(jìn)度。一方面，企業(yè)應(yīng)當(dāng)加快VR 技術(shù)的研發(fā)，不斷提高視覺傳感、觸覺反饋等關(guān)鍵性技術(shù)； 另一方面企業(yè)還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)VR 技術(shù)同教育領(lǐng)域的融合發(fā)展，繼續(xù)優(yōu)化當(dāng)前VR 產(chǎn)品，加快研發(fā)速度，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)設(shè)備。

4.4 深入拓展教學(xué)應(yīng)用

VR 技術(shù)在營(yíng)造教學(xué)環(huán)境、 提高教學(xué)效率等方面有著積極的作用，因此，未來(lái)應(yīng)當(dāng)繼續(xù)拓展VR 研究教學(xué)，提高教學(xué)實(shí)效。首先，教學(xué)創(chuàng)新和教學(xué)改革離不開參考案例的分析，要想將VR 技術(shù)成功應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)研究分析，形成完整的教學(xué)模式和基本理論。此外，虛擬時(shí)間教學(xué)過程較為復(fù)雜，要想將這一技術(shù)成功應(yīng)用于教育領(lǐng)域，真正將其變成現(xiàn)實(shí)，這與教育者有著莫大關(guān)系。教師是教育的主導(dǎo)者，其應(yīng)當(dāng)以教學(xué)實(shí)際和學(xué)生需求為基礎(chǔ)，針對(duì)VR 技術(shù)教學(xué)展開教學(xué)理論的探究，創(chuàng)建詳細(xì)有效的學(xué)習(xí)理論模型，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的課程教學(xué)內(nèi)容以及監(jiān)督和評(píng)價(jià)機(jī)制，完善教學(xué)過程，進(jìn)一步提高教學(xué)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高教學(xué)效果，本論文提出了VR 技術(shù)融合到傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，分別從VR 技術(shù)原理、VR 技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合、VR 技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例、加強(qiáng)VR 技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐策略等方面進(jìn)行了深入討論，此技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及創(chuàng)新思維，為物理教學(xué)提供了新的思路。