基于VR技术的中学物理教学研究回顾与展望

聂丽宇 李洋 李艳芳 张雨

【摘要】本文在文献研究的基础上，回顾了物理教育中应用虚拟现实VR（VirtualReality）技术的发展之路。结合VR技术应用于物理教学的现实情况，分析了VR技术应用于中学物理教育的可行性。在分别研究课堂教学、实验教学、线上教学三种不同的方式，采用虚拟技术实现物理教育教学智能化的同时，分别分析了它们的不同之处和优缺点，以期达到培养学生创新实践能力。

【关键词】虚拟现实技术;中学物理教育;VR

物理学科是一门理论与实践结合的学科。中学物理教材中的文字、图片，课件中的视频等很难将复杂的物理概念、物理模型清晰呈现，又由于中学生认识思维的局限性，在学习一些抽象性知识难以理解时，对物理学习容易失去信心。如今以传统实验室教学为主是中学物理实验课程的主流，但是因其存在准备时间较长、课堂效率较低，还存在潜在安全风险等问题，导致学生参与度不高且很难激发学生对物理实验探究的欲望。将虚拟现实技术应用于中学物理教学中，通过沉浸互动体验，让学生如同身临其境一般，观察电脑中模拟三维空间内的事物，进入到知识的虚拟现实世界，促进学生的理解和记忆，有利于教师实施探究式教学巨指导学生探究式学习。

在中国知网（CNKI）中以“虚拟现实技术与教学”为主题进行检索，对虚拟现实技术与教学的研究文章数以千篇，但以 “虚拟现实技术”加“物理教学”为主题进行检索，总结并绘制出发表的文献数量和相关的年份关系图，如图1所示。对于以“虚拟现实技术”加“中学物理教学”为主题进行检索时，知网中这方面的研究的文章更是少之又少。

由图1可以看出，自从2002年虚拟现实技术开始被提及运用于物理教学以来，国内开始有相关的学者开始研究虚拟现实技术应用于物理教学，但研究的相关文献较少。由于对理论基础的研究较发达国家略有落后，我国对于VR技术在物理教学中使用的研究还相对较少，而且发展时间较短，所以研究成果暂时不及国外丰硕。国内对VR技术在教育领域的研究，主要是高校利用虚拟实验模拟虚拟工程应用于教学，少数中小学也开始研究将虚拟实验应用于课堂教学，实验教学等。

一、在教学中应用VR的技术理论基础

VR技术包括计算书呛」建虚拟现实数据和VR处理模块，通过输入模块、反馈模块等多种传感器技术实现用户与该虚拟环境多维度，多感官的实时人机交互，其系统主要结构组成如图2所示。

当VR应用于学习环境构建时，其核心的技术有：环境的动态建模技术、实时感知绘制技术、立体多维显示技术。

1.环」竟的动态建模技术

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，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.实时感知绘制技术

实时感知绘制是能够令用户通过计算机图形和硬件为基础，实现在物理模型、用户行为和视觉感知上的真实体验，实现逼真生动的模拟。其中实现的实时性包括对对象变化的实时计算与实时跟踪，借助计算机的实时绘制功能达到预期体验目标。

3.立体多维显示技术

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。

二、在中学物理教学中应用VR技术有哪些途径

通过文献的阅读与总结，整理出物理教学中应用VR技术的途径分类为以下三种：

1.应用于课堂教学

课堂教学是教学的主要途径，对于物理学科这类抽象性思维要求比较高的科学来说，也是运用虚拟现实技术的主要情境。此外，物理学是一门以实验为基础的私阵羚，在物理课堂基础教学中亦不可避免地会涉及到大量的实验仪器和设备。在传统的物理课堂教学课件中，一般的处理方法有两种：一是通过图片或视频进行演示和说明。其优点是制作方法简单、效率高。缺点是缺乏交互性且二维图象很难完整体现各种设备的全部细节;二是通过编程设计出物理模型或者实验装备。其优点是具有较强的交互性。缺点是制作过程较复杂、工作量大一且要求制作者具有较高的编程能力，因而并不适合于普通教师采用。而虚拟现实技术的介入，将至少在以下三个方面有助于解决教师以上的困扰、帮助学生对问题的理解：

（1）采用虚拟现实技术设计三维的研究对象，如电磁场的模型，可以解决二维平面表达造成学生刘概念理解不全面的问题;（2）通过虚拟现实技术演示一些具有潜在的危险，而不便于现场演示的实验，或一些硬件设备太过高昂的实验;（3）对于某些因受时空限制而在真實世界中无法观察和控制的过程和现象，例如沿着太阳系航行考察，在微观尺度上观察原子的运动及相互作用等，则可以通过虚拟现实技术进行真实的模拟。

2.应用于物理实验

可运用虚拟现实技术构造虚拟现实实验室，物理学科经常涉及三维物理模型的构建，通过VR技术完成一个包含三维模型或环境定义的数据库，实现可交互的虚拟环境，可以灵活地从任意角度观察物理模型，VR技术提供满足教学大纲要求的可实时操作的工具，包括头盔、鼠标、游戏杆和定位跟踪器等。虚拟现实实验室主要有两种分类：

（1）非交互式虚拟实验室：学生登陆网站，选择观看实验内容，但是不能自己动手移动虚拟实验器材进行实验，

（2）交互式式虚拟实验室：指网上学生不仅可以观看实验内容，还可运用上文介绍的输入设备对实验过程实施进行操作。目前在中学物理中比较流行的交互式虚拟实验室有NB物理实验网站或者APP，操作较简单。虚拟实验室的设计主要是运用VRML建模语言，通过它可以建立所需的虚拟实验室空间。该实验室较以前有许多优点，如，操作性强、参与感佳、随机性好、实施效果优等，一些微观的实验例如阿法粒子散射等，不易于观察的实验项目，可以通过虚拟实验室实现。

3.应用于线上教学

虚拟现实技术为学校远程教育教学提供可移动的电子教学场所。以虚拟现实技术为技术基础，使得学生的学习行为不再拘泥于特定的时间地点。新冠肺炎疫清期间，如果有虚拟现实技术为辅助的物理教学，一定能让线上教学大放光彩，以虚拟现实技术支持的远程教学课题，学生有身临其境的感觉，可提高远程教学的质量。学生通过互联网完成了线上学习，同时可以在线上进行研讨。虚拟现实技术支持的新型教学模式，使学生能比较全面的掌握所学的知识，学生通过自己的情况进行不同进度的学习，满足学生学习的个性化需求。从而让整个中学物理无论从内容上还是形式上真正的实现“开放”式教学，以及学生作为学习的主体，教师主导学生学习的教学模式。

通过总结和分析三种途径，并给出了对应的优点与不足给出适当的建议，如表1所示。

三、结语

回顾虚拟现实技术应用于物理教育的发展之路发现：在物理教学中，VR技术可以弥补因为实验设备、实验场地等方面的原因而造成的感性认识不足，加深学生对教学内容的理解;对于物理实验操作中不自信，担心损坏实验仪器的学生，或在实验操作时因得不到正确数据和结论而浪费太多时间的学生来说，采用中断错误操作的VR设计，并且VR系统中操作简便、实验仪器可重复使用，学生可放心大胆地操作;虚拟现实还能帮助提高线上物理教学质量，线上上课也能让学生进行虚拟现实的实验操作。通过VR技术理论研究、技术实现，以及在课堂教学，物理实验，线上教学三方面的分析总结，基于VR技术实验在中学物理教学中有的良好效果，应当积极地开展VR教学平台和相关实验的开发工作。应在大学物理师范专业中大力开展相关虚拟现实技术的教学工作，让大学本科毕业生也有能够制作简单3D虚拟现实实验的基础，在今后的教学应用研究中，需要加强对VR技术应用于教学平台的建设和改进。

参考文献：

[1]孙佩雄，刘通.例谈STEM教育理念下虚拟现实技术zSpace在中学物理教学中的应用[J].物理教师，2018，39（09）：68-70.

[2]阿岩松.虚拟现实（VR）技术在初中物理实验中的设计及应用研究[D].宁夏大学，2019.

[3]张跃，范鸿飞.利用虚拟现实技术实现初中“直流电动机”的教学突破[J].物理教师，2017，38（09）：36-38.

[4]孙伯旺.基于互联网+，AR/VR的中学物理实验教学的研究[J].名师在线，2019（27）：6-7.

[S]严炜，杨晓梅.虚拟实验室在中学物理教学中的应用[J]，物理教学探讨，2019，37（07）：70-72.

[6]胡章华.虚拟情境在电子物理教学的应用初探[J].教育现代化，2019，6（82）：127-128.