虚拟现实技术探究“三体运动”

李昊霖 郑锋士 蔡苏

【摘 要】物理抽象概念的表示以及理想的物理实验环境的模拟，一直是中学物理学习中的重难点。一些抽象思维尚未完全成熟的高中生难以准确地想象天体运行的规律。而虚拟现实以其沉浸性、交互性、想象性的特点，能够准确模拟虚拟的“理想环境”，形象地表示抽象的概念，并能让学生与实验对象进行交互，以解决传统物理课堂中情境性、沉浸感、互动性不强的问题。本文设计、开发“三体运动”VR教学软件，并通过在实践中应用该软件，探索了虚拟现实技术在高中物理学习中的影响及效果。

【关键词】虚拟现实；VR教学；高中物理；三体运动

【中图分类号】 G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2018）010-074-03

前 言

物理是高中阶段非常重要的学科，学生通过对物体运动本质规律的参悟，会帮助其塑造辩证、科学的世界观和人生观[1]。但抽象的物理概念的理解，复杂的物体运动规律的参悟，理想的实验环境的模拟一直是学生学习和教师教学的难点，这些虚幻游离的力、电、磁等，往往令学生望而生畏。而虚拟现实技术的发展为物理教学带来了新的机遇，恰好可以解决上述这些问题。虚拟现实可以创设逼真的三维多感官环境，同时环境还会对参与者行为产生相应的反馈，应用于教学中，可实现情境学习、创设心理沉浸感[2]。本研究聚焦高中物理重点内容“万有引力定律”，开发并应用“三体运动”VR教学软件，旨在探究VR技术在高中物理学习中的影响及效果。

VR技术在物理学科中的应用案例

1.国外VR技术在物理学科中的应用

国外大学很早就开始关注虚拟现实技术在物理学科中的应用，主要表现为物理虚拟实验。美国科罗拉多大学的一个研究团队，基于Java和VR技术研发了一套物理学科的“PhET系列互动仿真软件”，该软件通过虚拟实验来帮助学生理解抽象的概念和隐含的关系[3]。该软件以寓教于乐的方式，激发了学生学习的兴趣。美国路易斯安那州立大学的学者，将VR和AR技术在物理教学（主要为力学、电磁学等）中的应用模式进行了对比[4]。研究结果表明，这两类技术均能促进教学，提高学生学习的质量。此外，还有美国俄勒冈大学设计的物理实验网站“VLab”，以及卡罗莱纳州立大学开发的基于WEB的“探究型虚拟物理实验室”等众多应用[5]。

2.国内VR技术在物理学科中的应用

与国外相比，国内的虚拟现实教育应用起步较晚，但近年来越来越受到重视。同样，也主要集中于多媒体辅助物理实验教学。

中国科技大学人工智能与计算机应用研究室开发出了一个“几何光学实验设计平台”，该系统基本涵盖了中学物理的光学实验，学生可以通过该虚拟系统提供的实验仪器，完成或练习大部分的光学实验。西安科技大学开发了一套“通信原理仿真实验系统”。该系统主要基于Matlab技术，不仅有较强的交互性，而且操作简单，十分人性化[5]。

运用VR技术开展高中万有引力定律教学的实证研究

笔者开发了一款“三体运动”VR教學软件，模拟出“万有引力定律”章节中的实验，对“三体运动”进行直观的表现，创设一个沉浸式的、交互性的虚拟教学环境。

1.“三体运动”VR教学教具

“三体运动”VR教学软件基于C#语言、Unity3D平台设计开发，并以“智能手机+Cardboard”作为终端。通过Unity3D创建三个球体代表三体，为每一个球体添加了运动轨迹，并将三个球体的物理属性设为刚性球体碰撞。以“万有引力定律”和“牛顿第二定律”为基础来模拟三个球体的相互运动。

2.用户操作

使用该软件进行实验时，学生只需戴上CardBoard，向左便能看到导航界面，可以自主选择想要观察的场景。进入实验场景后，学生在观察时可以通过改变头部位置凝视交互的方式，来改变每个球体的位置、质量、速度等，观察由此发生的运动改变，实现其与实验内容交互。

3.实验结果

本研究选择北京市八一中学高二年级的一个班进行实验，共计40位学生和1位物理教师。在师生体验了软件后，发放问卷，并随机抽取5名学生（3男2女）和1名教师进行访谈，收集他们对该应用的感受及建议。

通过对问卷和访谈数据的分析，主要包括学生对VR教学的已有经验、态度、满意度及效果评价，得出以下结论。

（1）高中生对VR的已有经验

研究发现，大部分学生对VR技术有一定了解，但是了解不多；大多数学生都曾经体验过VR产品，但是体验不多。绝大多数学生没有体验过VR在教学中的应用。

（2）高中生对VR教学的态度

学生整体上对VR教学持非常积极的态度。使用VR教学软件前后的数据对比显示，“三体运动”VR软件显著提升了学生对VR教学的兴趣。有95%的学生表示愿意或非常愿意在未来教学中能应用VR，特别是在“物理、化学、生物、地理”等学科。他们期待通过VR教学提升他们对内容的兴趣和学习积极性。

（3）师生对VR教学教具的满意度

体验过VR教学软件后，100%的学生都对该软件的界面设计、交互设计、教学内容设计、架构设计表示满意，其中75%以上的学生表示非常满意。同时，学生们也对软件的交互设计提出了更高的期望。

（4）师生对VR教学教具效果的评价

问卷和访谈数据都表明，教师和学生们都非常认可VR教学软件的教学效果，包括：能够创设生动形象的学习情境、有助于万有引力定律的理解、有助于对空间三体运动的理解、有助于扩展物理知识、有助于提升物理学习兴趣。

物理教师表示，“这款软件对于帮助学生理解天体运动和相关知识很有帮助，它很适合作为物理教学的辅助软件”。几乎所有学生都对这款VR教具表现出了浓厚的兴趣，均认为该软件创设了生动形象的学习情境，能够加深他们对知识点的理解，因为它将“看不见”的东西变得直观了。他们说，“这款软件能够把那些看不见、摸不着、离我们非常遥远的东西呈现在我们眼前，使它们具体化了，帮助我们更深刻地理解”。

总 结

“三体运动”VR教学软件体现了VR在物理学科教学中的潜力。通过本研究发现，VR在教学中的应用非常必要且充满潜力，高中生有浓厚兴趣；VR教学软件在创设情境、提升学习兴趣、促进知识理解方面存在积极有效的作用。它以其构建学习情境、形象化抽象内容、实现自然交互的优势，既可以用于内容展示，又可以实现探究式学习[3][5]，其提升学习动机、优化学习效果的作用展现得淋漓尽致。

物理学科需要进行大量的实验，这意味着VR技术在物理教学中有巨大的发展空间[6]，也有更多的探索之处。哪些内容适合VR技术？如何将其融入学习活动中？如何使VR工具更便捷、更具可获得性？这需要更多设计人员和实践者的参与，进一步优化其效果，并解决成本过高的问题，早日实现VR技术进课堂。

参考文献

肖国旗. 谈物理学科的重要性[N]. 学知报，2011（E02）.

刘德建，刘晓琳，张琰，陆奥帆，黄荣怀. 虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J]. 开放教育研究，2016，22（4）： 25-31.

蔡苏，杨阳，何思凝. 透过虚拟看成像——增强现实（AR）在K-12教育的实证案例之五[J]. 中小学信息技术教育， 2018，（4）： 74-77.

蔡苏，王沛文，杨阳，刘恩睿. 增强现实（AR）技术的教育应用综述[J]. 远程教育杂志，2016，34（05）： 27-40.

何任翱. 虚拟演示实验的开发及在物理理论教学中的应用[D]. 湖南大学，2015，5-6.

丁楠，汪亚珉. 虚拟现实在教育中的应用：优势与挑战[J]. 现代教育技术，2017，27（2）： 19-25.

作者单位：1.北京市八一中学 2.北京师范大学教育学部教育技术学院 3.北京师范大学“VR/AR+教育”实验室