虚拟现实技术在中学物理电学实验中的应用创新研究

张梓峰

（山东省青岛第九中学，山东青岛，266012）

0 引言

当今中学物理实验课程仍然是以传统实验室教学为主，因其存在准备时间较长、课堂效率较低、参与热度不高，还存在潜在安全风险等问题，已很难满足广大热爱物理学科的中学生对物理问题的探究欲望。其后引入的“翻转课堂”、“电子书包进教室”、“远程直播互动”等物理创新教学形式，虽然在一定程度上激发了大家对学科的积极性，但是仍未能提高大家的物理能力素养和实验素养[1]。而从2016年（VR元年）高速发展的虚拟现实技术凭借其多感官沉浸、实时交互、三维实景动态模拟等特点迅速渗透到包括临床医学、工业仿真、汽车设计、航空航天、游戏娱乐、文物保护等几乎各个领域。因而随“互联网+”模式出现后又发展出“VR+”这种前沿技术应用模式，自然联想到将虚拟现实技术应用于中学课程改革创新，通过其无法比拟的沉浸互动体验，让大家不再害怕学习物理，不再头疼物理实验，进而促进大家对物理学科的学习兴趣及核心素养的提高[2]。

本文结合自己对高中物理实验的认识和对虚拟现实技术的理解，创新性地提出将虚拟现实技术应用于物理电学实验，为提高大家参与物理实验、认识物理规律开拓思路，同时也促进对计算机相关技术的进一步掌握，为后续计算机专业的学习奠定基础。

1 VR技术概况

■1.1 VR系统构成

虚拟现实技术是集实时处理技术、传感器技术、计算机图形技术、多媒体技术、人工智能技术、人机交互技术等为一体的典型新技术。VR技术通过计算机创建虚拟环境，并通过多种传感器技术实现用户与该虚拟环境多感官、多层次、多维度的实时人机交互，其一般系统组成如图1所示。

计算机被称为“虚拟现实的发动机”，是虚拟环境的载体，是建造虚拟世界的地基。计算机负责虚拟现实环境的构建与生成、环境内容数据的运行与处理、实时人机交互的实现等，同时也承担互联网的接入、云端数据的导入和导出等。

图1 虚拟现实系统的结构组成

■1.2 VR在教学应用中的核心技术分析

虚拟现实VR技术是一门典型的交叉性技术，其涵盖的技术主要有动态建模技术、计算机图形技术、立体显示技术、视觉跟踪技术、多感知技术和语音输入输出技术等，当应用于实验学习环境构建时[3]，其核心的技术有：动态环境建模技术、真实感实时绘制技术、立体多维显示技术。

(1)动态环境建模技术

实验装置的动态环境建模技术是虚拟现实技术应用的核心，其主要是针对现实环境或目标模拟环境进行计算机模拟实现，其最终目的就是借助计算机强大的数据处理能力，将真实客观环境和虚拟环境数据转化为三维立体虚拟环境。

(2)真实感实时绘制技术

由于实验设计的需要，真实感实时绘制是以当前计算机图形和计算机硬件为基础实现物理模型、实际行为和视觉感知上的真实体验，实现逼真生动的模拟。其中实现的实时性十分重要，包括对对象变化的实时计算与实时跟踪，需要借助计算机实现实时绘制功能达到预期实验体验目标。

(3)立体多维显示技术

实验设计中的虚拟现实技术的目的就是展示三维立体实验模型与过程演示，该技术的本质是利用眼睛对立体视觉差产生的综合神经反射，通过光学技术为眼睛提供两幅具有特定位差的图像，这样在人们的视觉和心理反应基础上，产生了三维立体感觉。

2 VR在物理电学实验中的应用分析

■2.1 应用背景分析

高中物理实验主要涉及到“测定金属电阻率”、“描绘小灯泡的伏安特性曲线”、“测定电源的电动势和内阻”以及“练习使用多用电表”这四个基础实验。在传统实验过程中，由于电器元件精密不易操作、操作平台数量少，往往无法实现课堂内全员参与全过程实验，因此造成有的实验是以小组形式进行，无法保证人人独立参与，这种局限性导致对实验理解不深，甚至影响实验独立设计思考能力。

传统实验室教学过程中，电学实验的设计情况往往与课本直接对接而弱化了自主设计实验这一过程。如在电学实验“测定金属电阻率”中，根据实验原理，可得，其中需要实验测量的物理量有金属丝长度L、直径d及电阻R。基于教材实验，引入螺旋测微器测量金属丝横截面直径。在传统实验室环境下，老师在课堂中一般只提供螺旋测微器一种长度测量工具，在课堂上易出现传授方式死板、僵化等问题。

■2.2 VR设计方案

(1)硬件配置

中学物理的VR教学配备的硬件设备应符合成本低、操作简易、可长时间佩戴、符合人体工学等特点，同时应最大限度的保持其沉浸性和交互性。

增强式虚拟现实系统（Augmented VR）为实验教学提供了一种新的硬件设配方案。增强现实系统允许用户同时看到虚拟世界和真实世界，虚拟世界的对象是真实世界的一种叠加或组合，既可对现实物体进行虚拟操作，也降低了虚拟环境构建所需要的硬件门槛，且不失与现实环境的交互，是一种亦虚亦实的系统。用户可基于三维立体显示器或桌面式一体机作为教学平台兼计算机处理设备，将模型进行三维投影，用户佩戴光学透视眼镜可接收三维投影模型，利用数据手套或三维辅助鼠标对投影模型进行操作。这种与现实立体环境整合的硬件系统，既能满足使用者与虚拟环境的实时交互，也降低了昂贵的硬件成本，利于VR教学的普及。

(2)构建元件数据库

类似沙盒游戏《Minecraft》当中玩家使用“麦块”作为单元构建虚拟世界，物理电学实验应用需要对各类基础用电器的结构、功能、作用进行基本建模。其中一个电路需要运作，必须包含电源、用电器和闭合的回路，如在实验“测定电源的电动势和内阻”中，所需要的电器元件包括：电源（可由1.5V干电池、3V锂电池或学生电源代替）、单刀开关、标准电流表、标准电压表、滑动变阻器（最大阻值20Ω或100Ω）及导线若干。可根据教育部《JY/T 0361–1999》号技术标准的规定和要求，可构建“J1202型”学生电源的实物参数模型。同理，也可以根据相关生产信息构建实验室常用的“磁电式”直流电流表（0–0.6A或0–3A）、“指针式”电压表（0–3V或0–15V）、转柄式电阻箱、滑动变阻器、实验室用小灯泡等元件的实物参数模型。

除上述在教材中经常出现的电器元件之外，还可将出现频率较低的如发光二极管、电容器、单刀多掷开关、灵敏电流表G、逻辑电路出现的逻辑门、简单传感器等纳入电器元件数据库的构建。

接着便可利用OpenGL、Java3D、VRML等编程软件进行手动的人工几何模型构建，或凭借CAD/CAM，利用3D扫描仪等工具可以对电器元件扫描后进行自动的几何模型构建，构建时需符合基本物理定律。

电器模型的数据库构建完毕后，通过对实验虚拟现实系统的集成完善，不仅可以从数据库中拖出电器元件放在智能电子白板上，进行电路设计并自主调整回路中各项用电器的参数（调节电源、滑动变阻器、开关等），而且在设计好的、可以工作的通路中，电器元件将会出现对应实验现象（如小灯泡发亮、表盘指针偏转）、运作当中的参数（如电流表、电压表的示数）实时地展示给通路的设计者，以便记录数据或调整电路或改装电表再次实验等。

可见，正如构建好的电器元件模型可以随时拖入设计面板，被导线连接组成各式各样的电路，遵循物理法则。“元素化”的电器在计算机的模拟下再现实验室课堂中的经典实验，或是对其进行创新，大大提高了电路设计的自由度和实际操作的可行性。

最后，在VR技术的帮助下，虚拟实验室可以实现常见的精密测量工具：米尺、游标卡尺、百分表甚至测长仪等的虚拟环境体验，有助于提高实验的参与度和对实现过程的理解。

3 总结

通过虚拟现实技术，一方面可以代替不易操作的电器元件，最大限度地令每位学生参与到实验架构中，亲手利用VR的仿真技术重现电器元件在电路中发挥的作用。另一方面，构建在3D建模中的数字化电器元件也能通过交互技术更加直观的体现电路中电压、电流在流经用电器前后的变化或是用电器在电路条件改变后各类参量的变化，从而加深对实验原理的理解。