探讨VR技术在高中物理实验中的应用

2018-03-20汪紫婕

数字通信世界 2018年1期

汪紫婕

（广州市第十六中学，广州 510080）

虚拟现实技术（VR）构想最初是在二十世纪八十年代早期出现的，它的内容是基于人机交互手段这个基础的创新，使用的是计算机和新式的传感器工艺。VR技术让人们把概念上的虚拟现实技术用实践的手段投入到中学物理实验里面，借此研究虚拟现实技术能够在物理实验方面的应用前景以及投入与收获的性价比。

1 虚拟现实技术在物理实验中的应用前景

虚拟现实技术的成长是建立在不断进化的计算机科学之上的复杂的实验性技术，它可以根据实验者的意愿形成类同的模拟实验情景，实验的人可以亲身体会到实验基中周遭环境的改变。其中虚拟实验运用了计算机里面的图形形成技术，采取用虚拟的手段模仿实验环境和流程，这样就能方便实验的进行。

虚拟现实技术投入到物理教学实验里面，不仅让实验教学手段生动科学，而且可以让同学对物理学习充满积极性和趣味性，而且运用虚拟技术可以让教学资源的分布变得合理化和高性价比化。和之前经典的实体操作不同，虚拟实验技术可以任意设置工具和仪器，而且能够消除设备数据误差，在短时间内调整出多组数据，另外它在物理实验中限制很小，几乎都能应用。虚拟实验对设备的损耗微小，不会受到实验室大小和工具种类的限制，因此能够提高实验的净收益。这种实验技术是以高端计算机技术为基础的，所以能够达到实验进行的高效性和实验结果的精确性，可以应用在多原理和手段的物理实验中，通过这种实验手段，同学对物理学习的积极性大大提高，资源的共享也增加了同学学习的效率。虚拟实验里面得到的实验结果可以连接计算机上的打印机直接打印出来，更加地适于互相探讨和分享。将现代计算机技术投入到物理学科教学之中，可以使同学和教师寓教于乐，在一种轻松愉悦的环境中学习知识，通过这样开展的教学使得同学对学习物理的好奇心日益增长，有助于高效地完成教学目标。

2 虚拟现实技术在高中物理实验中的具体应用

目前高中物理实验的分类大致分为：测量型实验、探究型实验、演示型实验、设计型实验等。

2.1 虚拟现实技术如何投入到演示型实验里

在物理的课堂上，教师们常常用到演示实验。同学在观察过教师对物理实验的演示之后，能够激发自己对物理学科内容的好奇心和求知欲。由于自身特性，演示实验的完成效果会被实验室的环境所改变，若是周围实验条件不好则实验效果也会不好，这样实验就不够准确了。在做光的反射实验时，教师会运用演示设备告诉同学们光反射的基本原理以及现象。由于实验室外界的光线条件不可控制，这个实验的效果的完成度也会受到波及，这样就失去了实验的科学性。但是如果教师使用虚拟实验技术来补完在现实条件下无法控制的元素，就能改善这一结果。实体实验中无法完全获取的平行光，可以通过虚拟实验来补充，之后再根据平面镜对光的反射的相关知识，将该实验对同学进行演示。之后再让同学从中领悟，从自己的角度总结出从光反射演示实验中观察得到的结论和规律。教师还可以让同学轮流使用仪器，选取一个自己的入射角然后观察光的反射，然后将自己的数据记录下来，和其他学生的数据进行类比。根据同学的实验结果，教师综合起来得到较为规范的光反射规律。

2.2 VR如何运用在一些探究型实验之中

探究型实验注重培养同学的动手能力和对真理的一种探索精神。教师合理的利用VR技术来让学生们在虚拟现实之中进行实验操作，不仅排除了可能对实验产生影响的因素，而且会让同学更有新奇感，激发同学的实验兴趣。就拿探讨凸透镜成像规律的实验举例，在现实中光线会对该实验产生非常大的影响，经常会导致实验结果和预期结果产生较大的差距，所以可以利用VR技术进行虚拟实验。根据物理实验的七大步骤，教师首先在现实中进行实际的实验操作，在进行实际的实验教程之后同学对实验之中一些现象提出想相关的问题，然后教师让同学们对这些问题的答案进行一些假设和猜想，比如凸透镜和物体之间的距离的长短会对成像产生怎样的影响等。之后学生们在教师创立好的一个虚拟实验空间里进行虚拟实验操作，先将物体放在离凸透镜较远的距离，然后缓缓的利用鼠标缩小物体和凸透镜的距离，观察这一过程中物体透过凸透镜成像的特点，然后用相关的物理知识总结出规律。老师在学生总结完规律之后再用规范的物理知识解释凸透镜成像的原理。

由于中学的物理实验课程时间较少，同学对这类实验可操作的次数没有那么多，使得一些学到的知识没有得到实践操作的巩固而容易忘记，不能完成相关的教学目的。所以为了使同学学的知识和实践操作能够得到完美的融合，可以利用VR技术来完成一些现实生活中难以实现的实验，使得同学们能够在实验之中结合自己已经学到的知识，增加对物理学科的兴趣，打下坚实的知识基础。比如中学物理实验的探究电路短路问题这一实验之中由于现实设备如果短路会对设备造成很大的损坏，所以难以在现实之中完成，大多数老师们只能通过课堂讲解的方式让同学们懂得电路短路的有关物理知识，所能够学到的知识非常有限，在面临现实中实际电路短路的时候也无法运用及时有效的途径去解决，虽然有一些老师用演示的方法对有关知识进行了讲解，但是依然无法让同学们可以自己动手进行相关的物理实验操作。相反，如果利用VR技术，就可以模拟出电路短路的物理实验，让同学们可以直接动手进行相关的操作，不仅让同学们懂得了电路短路的产生原理，也让同学们知道了如何进行有效的解决短路问题。而且由于采取的是虚拟实验的技术，可以避免了现实之中可能导致安全隐患因素的产生。在电路短路实验之中，首先是电源短路，同学们在设立好的虚拟空间利用鼠标将一根导线直接将电源正负极连接起来，观察电路现象，然后将所有元件用导线连接起来组成线路，观察电路的情况，用电流表测量电路之中的电流，用电压表测量负载的电压。记录好测量的数据，然后将电源短路，再用电流表测量电路的电流，用电压表测量负载的电压。对比两次测量数据的不同，总结电路短路的规律和特点，然后同学结合自己已经学到的知识和刚刚在实验之中的操作，可以得到如果电源短路就会导致电路之中的电流超过负载的额定电流，导致负载也就是我们日常生活中所使用的电器被烧坏等。通过实验之后同学们也会知道如何可以预防电源短路的现象的产生以及产生之后的处理方法，使得同学们对于电路问题的理解更加的深刻了。探究完电源短路之后还可以探究负载被短路的情况，比如同学可以利用鼠标将两个或者更多的灯泡串联在一起，然后用鼠标控制导线将小灯泡正负两级连接在一起，用电流表测量此时电路的电流，然后用电压表分别测量未短路灯泡的电压和短路灯泡的电压，将小灯泡短路和未短路的作比较和将短路电源和短路灯泡的电路中的电流作比较，总结出两者的不同和相关的规律。之后如果有机会还可以让同学们做出并联电路中灯泡的短路会对电路带来什么影响等扩展实验，这种利用VR技术的虚拟实验在保证了实验的安全性和不被影响性的情况下可以极大的激发同学们对于物理世界的探索兴趣。