虚拟现实技术在物理实验教学领域中的应用研究

冯宇超

【摘 要】随着教育改革深化，物理实验教学条件改善，但物理实验教学仍存在弊端：学生单凭理论记忆而对知识的掌握浅薄；实验仪器比较昂贵，实验器材与材料准备繁琐且易损坏或缺失；限制的实验地点、开放时间与实验资源；当实验遇到安全问题时，会采取其他方式，甚至放弃实验等。VR应用于物理实验教学，不仅能实现现实教学所不具备的实验条件，还能提高实验教学效果，实现自主探究的实验目的，推动实验教学的改革与创新。

【关键词】物理实验教学；虚拟现实技术；虚拟物理实验平台

1虚拟物理实验发展

虚拟物理实验通过VR实现在虚拟环境下模拟物理实验，解决现实实验教学中难以解决的问题，并充分发挥VR在物理实验教学中的优势。如今虚拟现实在教育领域的应用还是比较浅层，虚拟物理实验教学具有广泛的研究意义。

2虚拟物理实验教学的优势

①自主性学习：仪器设备齐全，功能参数可更改，突破“纸上谈兵”。

②绿色性学习：虚拟实验不会对现实造成影响，不消耗实验材料。

③科学性学习：实验教学引入信息化教学手段，实验结果更直观。

④高效性学习：实验效率高，可避免长时间等待实验结果。

⑤开发性学习：学生可自主设计，比如可自主选择集成电路设计电路板。

⑥交互性学习：可在平台上实现资源共享与跨区域教学。

3虚拟现实技术在物理实验教学中的应用

①还原物理实体：可展现各现实中难以展现或极其复杂的物理实体。

②还原实验现象：可将现象放大、减缓演变、色彩处理等，使其清晰可查。

③还原现象场景：模仿首都博物馆用VR还原物理现象发现的场景。

④还原理论建立：可把抽象的物理理论转化为生动的物理实验。

4虚拟物理实验平台的需求

4.1虚拟仪器的需求

与传统仪器相比，虚拟仪器可像电路板一样自主设计，还有不损坏、易使用、可更改的特点，不仅大大节省了对于仪器设备的购买支出与定期的维护支出，还能将算法等应用于虚拟仪器之中，实现传统仪器所不具备的功能。

4.2交互需求

4.2.1操作交互：学生与平台界面的交互

操作交互是信息与概念交互的桥梁，基本的操作交互的不顺就会阻碍其他层面的交互，要满足人性化与科技型平台要求，实现简单高效的交互理念。

4.2.2信息交互：学生与教学要素的交互

提示和反馈信息是虚拟物理实验的重要保障。提示出现在实验操作前，分为视频、文档等固定提示与对应操作的动态提示，反馈出现在操作后，用于对目前操作的认定。

4.2.3概念交互：旧概念与新概念的交互

物理实验最终的目的是使学生了解物理理论，概念交互的效果决定学生获得教学信息的总量与质量。

4.3指导需求

有必要在虚拟物理实验平台上建构信息提示功能，通过计算机及时信息处理，针对性地反馈每一位学生的实验进度、学习效率。

5虚拟物理实验平台的设计

5.1基本设计原则

①科学性原则：构建的虚拟設备逼近真实部件的操作，实验操作与结果等近乎实际。

②开放性原则：允许在任一终端上通过帐号密码登入平台。

③交互性原则：实现虚拟物理实验功能，设立在线答疑、论坛、E-mail等交流工具。

5.2开发要求

5.2.1硬件要求

平台主要由计算机、传感器、信息采集处理模块、交互模块等组成，完成对被测信号的收集、传送与显示。在必要的硬件支持下，将仪器的功能分为各个模块，再编程以完成相应功能，继而组合完成虚拟仪器。

5.2.2软件要求

软件系统是连接系统各部分的纽带，应根据系统功能要求来进行设计。

①软件开发采用图形化或面向对象的编程，常用的为LabVIEW。

②软件模块应包括输入、输出、A/D转换、D/A转换、数据处理、功能模块等。

③程序模块设计应选择合适的程序结构，并对程序做出必要注释，编程时还需注意各程序模块的接口，防止数据不能传递。

6虚拟物理实验平台的研究意义

作为全新的、科技型教学工具，虚拟物理实验平台能满足移动性课堂实验教学的需求，教师不用把实验的注意事项一一说明，也不用在每次实验前检查实验器材、配备实验材料、考虑实验安全性等。教学的目的不是为了“教全”，而是为了“教会”，只要把重要方法教给学生，让学生自主探索，举一反三，那么在实践中必然能学到更多。

传统的物理实验教学中，实验往往在老师的指导下，规避危险操作，按部就班地完成。虚拟物理实验平台的建立，能够满足学生自主探究物理实验的需求，给学生提供大量的虚拟仪器进行实验操作，又能极大地激发他们对于物理实验的学习热情与探究积极性。

虚拟物理实验平台集教育、创新、实践于一体，响应了我国对于深化教育领域综合改革的号召，能够在有效践行高质量物理实验教学的前提下，突破传统对于学生物理实验的培养模式与方法，将促进物理实验教学的重心转移，即从在安全实验操作下学习模式转移至培养学生创新精神与实践能力的学习模式，从而充分发挥物理实验的教学意义。