3D虚拟增强现实技术在中学物理教学中的应用研究

侯 丹，宋昊泽

2016年，新一轮的教育改革正式拉开了序幕，确立了新的教学改革方向，提出发展学生核心素养的新要求。［1］物理学科在新课程改革核心素养的框架下也凝练出了本学科的教学价值，提出了物理核心素养，即“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”。［2］确立了基于物理学科核心素养的教学目标和内容，强调在教学设计中重视教学情境的创设，重视科学探究能力的培养和信息技术的应用，通过问题解决发展学生物理学科核心素养。

当前，虚拟现实技术的发展为教育的改革和发展提供了前所未有的机遇与挑战。通过3D虚拟增强现实技术可以创设丰富的教学情境，加强信息技术在学生探究能力的培养与问题解决中的应用，以教育信息化带动教育现代化，突破制约我国教育改革的难点，促进教育教学的创新和变革，加快教育大国向教育强国迈进的进程。

一、物理核心素养的发展

物理学科核心素养是物理学科育人的集中体现，是学生通过物理学科的学习逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。物理核心素养主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”四个方面。［3］（P4-5）

（一）物理观念

“物理观念”包括运动观念、物质观念、相互作用观念和能量观念，是从物理学视角形成的基本认识，它们不是单纯的物理概念和规律，是物理概念和规律在头脑中的提炼和升华，是从物理学角度解释自然现象、解决实际问题的基础，强调应用这些观念解决实际问题。

（二）科学思维

物理学科核心素养中的“科学思维”是人脑对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实构建思想模型的抽象概括过程。［4］科学思维的核心部分是科学推理［5］，科学推理是在经历问题解决的过程中才能表现出来的。因此，科学思维的发展强调在问题解决的过程中进行模型建构，渗透科学推理、科学论证和质疑创新等要素。

（三）科学探究

“科学探究”是物理学科核心素养的重要组成部分，是指在观察和实验的基础上提出物理问题，形成猜想，建立假设，设计实验、制定解决方案，搜集和处理信息和数据，基于证据得出结论给予解释，并对科学探究的过程和结果进行交流、评估和反思的素养。整个科学探究的过程是在问题解决的过程中表现和发展的。

（四）科学态度与责任

“科学态度和责任”，是指在认识科学本质，理解科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成的严谨的科学态度，探索自然的内在动力，推动可持续发展的社会责任感。

学生核心素养的发展是在真实情境中解决问题时才能表现出来的。而3D虚拟增强现实技术，能够为教学提供有效的教学情境，设置逻辑清晰的探究过程，帮助学生体验应用所学知识解决实际问题的过程，保证学生有效地经历科学探究和思维加工的过程，保证学生核心素养的内化，拥有正确的科学思维，发展科学探究能力，形成正确的科学态度和责任。

二、3D虚拟增强现实技术的教育内容

（一）教育内涵

3D虚拟增强现实技术是虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)与增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）相结合的产物，是计算机仿真系统发展的新产物。3D虚拟增强现实技术在教育中的应用是以可视化的3D立体模型为基础，通过启发式、项目体验式的教学方式，综合应用VR、AR技术，实现沉浸性、交互性、真实性强的学习情境，完善探究学习和认知的过程，培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力、跨学科学习能力和团队写作能力等。

应用3D虚拟增强现实技术进行教学，能够将平时难以讲述的教学情境、现实生活中不易观察到的自然现象或事物的变化过程，以及不可能直观展现的场景通过3D虚拟技术进行呈现，为学生创设一个多维度观察、多感官体验的情境化学习环境，让学生感受到真实的情境。

（二）教学需求

3D虚拟增强现实技术可以根据教学所需，创设出恰当的时空和场景辅助教学。将教学中应用3D虚拟现实技术的需求按照时间和空间的维度分为：时间尺度上的宏观教育需求、时间尺度上的微观教育需求、空间尺度上的宏观教育需求和空间尺度上的微观教育需求四个方面。［6］（P10-14）3D 虚拟增强现实技术为满足物理教学所需，可以从以下几方面解决教学难点。

时间尺度：既存在时间跨越大的宏观的宇宙演化过程，也存在着时间短暂的不易观察的原子核衰变、光电效应等过程。

空间尺度：既有恢宏的星云的形成过程，又有微观的原子、分子结构等。

概念抽象：超出学生日常生活经验的范畴，很难通过想象和单一的逻辑思维推理过程去认识，只靠教师单纯的讲授学生理解困难。

情境设置：依靠传统的教学手段，很难完成或有危险的教学情境设置，教学效率偏低。

（三）3D教育三要素

3D装备、3D资源和3D教学是3D虚拟增强现实技术在教育中应用不可或缺的“三要素”。3D虚拟增强现实装备是教育的基础，为教育提供所需的技术保障；3D虚拟增强现实技术相关资源是教育的“精神食粮”，为教育提供所需的物资保障；3D虚拟增强现实技术的教学是3D虚拟增强现实技术实现的载体，教学水平的高低决定了3D虚拟增强现实技术应用于教育的水平。

3D虚拟增强现实技术的3D装备技术支持为桌面级混合现实技术，它摒弃了传统的头盔式的“完全沉浸式虚拟现实”和“互动式增强现实”，避免了长时间戴头盔给人体带来的眩晕感（一般采用头盔式进行15分钟的3D体验即会有眩晕感产生），以桌面级混合现实的形式呈现增强虚拟的效果，同时在整个班级内完成情境设置和实验互动过程。

3D资源包括3D教学影像资源、3D教学课件、3D教学软件等。基于3D虚拟增强现实系统设置的资源具有沉浸性和直观性的特点，可最真实地建构出贴近真实经验的学习环境，为学生提供立体、生动、可交互性强的学习资源，有效地减少学生的认知负荷。

3D虚拟增强现实技术只有融入到教学中，才能展现出其应用于教育的价值。应用3D虚拟增强现实技术进行的教学可以有效地促进学生综合素养的培养，提高学生的空间想象能力，拓展学生的思维，增强学生的科学探究能力，使学生更有效地在问题解决的过程中，独立地应用所学知识解决问题。

3D虚拟增强现实技术不但为教学手段的革新提供了有效的技术支持，还改变了传统的教学模式，为学生提供交互式学习环境，同时也改变了学生学习方式，促进了课堂上师生间和生生间的互动，使教学氛围更加活跃、自然和亲切。

三、3D虚拟增强现实技术的应用研究

分析3D虚拟增强现实技术的教育需求，选择适合中学物理教学的3D装备，根据新课标中物理学科核心素养确定的教学内容设计和制作3D资源，从而弥补原有教学的不足，从创设逼真的教学情境、提高学生互动性和参与度等角度设置3D教学。依据新课程改革的特点和教学理念，从教学情境设置、物理实验设置等角度分析应用3D资源进行3D教学的优势。

（一）教学情境设置

1.为中学物理教学设置逼真的教学情境

新一轮的课程改革中，最大限度地靠近真实经验的情境的设置，是教学改革的关键。现有教学的情境设置大多通过图片、视频或讲解的方式来创设，这种方式给学生提供的只是单纯、表面的感官现象，不能够带领学生全面投入、深入地体会所处情境，且简单的语言描述和图片展示并不能完全吸引学生的注意力，引发学生的兴趣，全面理解所要研究的问题。而应用3D增强虚拟现实技术可为教学提供真实的情境，尤其是在现实生活中不容易感受到的情境，让学生参与其中，发现教师创设情境中所要研究的物理问题，完善课堂教学。例如在进行失重的教学中，教师想让学生感受在地球上很难真实体验到的零重力环境，就可以通过3D增强虚拟现实技术创设失重环境实验平台，学生可以与实验平台进行互动，感受失重条件下物体的运动规律，从而增强学习兴趣，学会主动探索事物的真谛，加深对知识的理解。

2.为中学物理教学提供沉浸性强的教学环境

3D虚拟增强现实技术最显著的特点之一就是可以将虚拟世界与真实世界相结合，为体验者提供沉浸性强的环境。例如，在进行电机原理的讲解中，可以让学生通过3D虚拟增强现实技术清楚地观察到电机的整体结构、电流的运行等（如图1所示），同时可以通过增强现实技术将其投影在真实空间中（如图2所示），达到虚拟和现实相结合的目的，使情境更具真实性，提高了学生的学习兴趣。通过3D虚拟增强现实技术使原本不易见到或抽象难懂的知识内容展现在学生面前，如磁场的分布，电子的运动等，有效地促进了课堂教学效果，提高了学生的学习效率。

图1.机的结构和电流的运行

图2.机模型增强现实授课效果图

3.提高课堂的交互性

3D虚拟增强现实系统还可以为学生提供交互性强的学习情境。在教学的过程中，学生可以通过电脑屏幕与虚拟世界进行交互，与传统的情境设置的方法相比，能够更有效地吸引学生的注意力，引发学生的学习兴趣，从而进行体验式的教学，如学生在观察电机的同时，可以自行对电机进行拆解（如图3所示），通过真实的交互式体验，加强对电机原理及电机运行机制的理解。芝加哥大学的研究团队研究得出，通过互动体验式的学习方式，学生在接触课堂上体验过的概念时，会激发大脑的感观和运作，学生可获得更深层次的理解同时提高30%的记忆力。

图3.1 直流电动机及直流电动机结构分解效果图

图3.2 直流电动机及直流电动机结构分解效果图

（二）为实验教学提供有效补充

物理学是一门以实验为基础的学科，物理学中的定理定律都是通过实验的方法得到验证，同样在物理教学中为体现科学性、培养学生的科学素养，物理实验是必不可少的教学内容之一。但由于课堂教学的局限性，很多实验场景和实验项目是无法完成或是无法让学生详细观察到的。而采用3D虚拟增强现实技术则可以弥补传统实验条件的不足。

1.实现自然条件下无法实现的实验场景

在物理演示实验教学中，有些实验场景是无法真实实现的，如无重力场景、物体在不同重力场景中的运动，这些实验过程只能通过动画或教师的讲解学生在头脑中想象的形式完成，还有一类如无摩擦力的运动环境、无空气阻力的运动环境等是通过建立理想模型的方式进行探究，从而忽略实验中的影响因素的。而通过3D虚拟增强现实技术则可以完成以上实验场景的搭建，引领学生真实地体验完全理想化的实验环境，增加实验的可信性及测量的准确性。例如在进行伽利略斜面实验的讲解过程中，需要建立理想的实验环境，即没有摩擦力和空气阻力的环境，传统的教学中，单纯地采用思想实验的方式让学生体会牛顿第一定律的验证过程，而加入3D虚拟增强现实技术建立的理想环境，则可以加深学生对牛顿第一定律真谛的理解，提高学生的科学素养。

2.替代过于昂贵、不易建设的教学器具

有些实验场景搭建起来比较复杂，需要准备很多的实验器材进行搭建，课前准备和课堂内建设的时间均比较长，这样的实验，我们可以通过3D虚拟增强现实技术来进行实现。如，在讲解能量守恒的过程中，为了贴近学生的生活，请同学们通过3D虚拟增强现实技术可以在虚拟的世界里快速地按照自己的想象搭建出过山车（如图4所示），搭建出的过山车可以有物体在上面真实地运行，通过不断地调试过山车的角度，运动物体的速度来理解能量守恒定律的本质。通过3D增强虚拟现实技术，可以缩短前期准备实验材料的时间，节约准备实验材料的成本，学生在学习的过程中可以自主地完成实验内容的探究，增强了学生学习自主性和应用所学知识解决实际问题的能力。

图4.山车搭建实验平台

3.回放历史实验场景，便于反复分析探究

在物理演示实验教学中，有一些场景是不能够返回去重新观察的，如运动中速度的变化情况、力的大小、方向的变化情况、运动轨迹的显现等均不能够重新回去查看。通过3D虚拟增强现实技术完成的实验，可以无限次的重复历史场景，进行回查和探究，可以更有效地帮助学生完成自主探究和体验式学习。如图5所示为物体的运动轨迹图，可以实时地显示物体的速度、加速度、位移等大小信息，便于学生分析探究。

图5.体速度、加速度、位移大小实时显示图

4.演示危险实验，保障教学安全

教师在进行物理演示实验教学的过程中，最注重的问题之一就是实验操作要安全，不能有危险，这就使有些实验现象只能通过教师描述的方式让学生在头脑中想象。如电路电流过大，发生短路，造成灯泡烧毁的实验想象（如图6所示）；又如故障排查类实验、四轴飞行器故障排查实验、修好损坏的发动机。通过3D虚拟增强现实技术搭建的实验平台，可以没有任何危险性地为学生显示在教学中不能为学生体验的实验现象，同时不必消耗任何实验耗材成本。

图6.流过大，灯泡烧毁图

5.展现特殊场景，增强学生体验效果

在真实的生活中，大到天体运转、小到物体的微观运动，都蕴含着物理知识，需要学生去探索发现其中的奥秘。在进行相应知识的授课过程中，要想让学生观察到真实的天体运行或物体的微观运动是教学中的难点之一。在传统的教学模式下，学生通过教师的讲解，在头脑中想象这些场景，完成对知识的学习和理解。但通过3D虚拟现实技术可以为学生真实地展现天体的运行和物体的微观运动，增强学生的感官体验。如：日食、月食的形成实验展示；电子的运动、分子热运动的展示等。

此外，通过3D虚拟增强现实技术进行的物理实验还具有可重复性强、实验效果明显、便于学生观察、学生参与度高、自主性强等特点，有效地弥补了现有物理实验教学的不足，让学生能够在真实的问题解决情境中发展物理学科核心素养。

综上所述，应用3D虚拟增强现实技术进行的中学物理教学，能够逼真地设置教学和实验情境，通过沉浸性和交互式的方式让学生积极主动地参与到问题解决的探究过程中，从而改变教师的教学手段、教学方式和学生的学习方式，从而在问题解决的过程中发展学生的物理学科核心素养。

四、《平抛运动》课堂实例展示

《平抛运动》是人教版《物理》必修二第五章第二节的内容，这一节的教学重点为理解平抛运动的定义，探究平抛运动的特点和运动规律。教学难点为学会用两个简单的直线运动来等效替代处理物理问题的方法，即可以分解为竖直方向的自由落体运动和水平方向的匀速直线运动的思想。

现有的教学过程中，教师采用演示实验与理论推理相结合的方法引领学生确立平抛运动的运动规律，但传统的平抛运动演示仪，小球运动速度较快，学生很难清晰地观测到小球的运动状态，只能通过逻辑推演结合所观察的实验现象在头脑中虚拟出平抛运动的运动轨迹及运动特征。而高一阶段的学生，虽然已经具备了较强的抽象逻辑思维，但思维理论性还处于发展阶段，通过细节展现不明显的实验现象，无法在头脑中建构全面的平抛运动模型，不利于学生对事物本质现象的探究。为弥补现有教学的不足，采用3D虚拟增强现实技术为《平抛运动》教学设计设置了理想的平抛运动实验环境，即空间没有空气阻力，水平地面没有摩擦力的理想环境，实验场景的设置包括水平平抛运动仪、水平运动仪、自由落体运动仪和3个相同质量等大小的小球（如图7所示），水平运动仪和平抛运动仪在水平方向提供相同大小的力作用在小球上，水平地面没有摩擦力、空间没有空气阻力的作用。同时释放三个小球，让它们分别作平抛运动，水平方向的匀速直线运动、竖直方向的自由落体运动。观察三个小球的运动情况，发现三个小球在同一点相碰。再通过回放，如图7所示，观察小球的运动轨迹，分析小球的速度及受力的变化情况。

图7.抛运动回放图

通过这样的3D虚拟现实技术进行的实验，可以使学生全面细致地观察到小球的运动过程，同时在虚拟的理想实验环境中，避免了摩擦力和空气阻力对小球运动过程带来的影响，使实验结果更加符合物理学规律，避免了实验系统误差对实验结果带来的影响，便于学生抽象出物理模型进行学习。再通过实验回查，对物体运动轨迹和速度及受力变化情况进行实时的观察和分析，完成对平抛运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的探究。解决了学生在学习过程中的认知困难问题，掌握了等效替代处理物体问题的方法，并通过自主互动式的学习过程，建构了平抛运动的知识体系。

为进一步加深学生理解平抛运动的本质，设置了传统实验环境无法建构的没有气体阻力和不同重力场景的实验环境（地球、月球、土星），带领学生探究物体在初速度不同和重力加速度不同的情况下，运动的变化情况通过实验对比，学生发现不但改变初速度可以改变物体做平抛运动的运动轨迹，改变重力加速度同样可以改变他们的运动轨迹，并验证了头脑中的理论推导，完善知识结构的建构，培养了应用所学知识解决真实世界中问题的能力。

五、小结

3D虚拟增强现实技术为物理教学提供了新的教学手段，通过逼真性、沉浸式、交互式强的学习环境的设置，引领学生在真实的场景中进行学习和探究，经过一系列实践研究及跟踪调查，发现大多数的教师愿意采用虚拟现实的方式进行教学，学生通过虚拟现实的场景更愿意思考，同时增加了学生的空间推理能力，在研究的过程中还显示，学生更喜欢“做中学”，能够激活头脑中已经取得的知识，思考问题时也能提出更高层次的互动性问题，建构更加全面丰富的知识结构体系。总之，3D虚拟增强现实技术的使用，为发展学生的科学素养，培养学生具有终身学习和适应社会发展所需的关键能力和品质，为完成新课改的目标提供了新的行之有效的手段。但是，在教学过程中，不能完全依赖于3D虚拟增强现实技术，要强调真实和虚拟的结合，在现有实验条件、实物展示和真实场景下可以有效完成的教学，不需要应用3D虚拟增强现实技术来完善教学效果，在教学过程中要处理好虚拟和真实的结合尺度。

注：本文所采用的3D虚拟增强现实技术为美国zSpace公司提供的zSpace3D虚拟现实交互式一体机实验系统，特此感谢。

［1］核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养［J］.中国教育学刊,2016(10).

［2］郭玉英.从三维课程目标到物理核心素养［J］.物理教学，2017（11）.

［3］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［4］胡卫平.物理学科核心素养的内涵与表现［J］.中学物理教学参考，2017（8）.

［5］Zimmerman C.The Development Of Scientific Thinking Skills in Elementary and Middle School［J］.Developmental Review,2007(2).

［6］梁森山.3D教育蓝皮书［M］.北京:人民邮电出版社,2016.