李昊霖 鄭鋒士 蔡蘇

【摘 要】物理抽象概念的表示以及理想的物理實驗環(huán)境的模擬，一直是中學物理學習中的重難點。一些抽象思維尚未完全成熟的高中生難以準確地想象天體運行的規(guī)律。而虛擬現(xiàn)實以其沉浸性、交互性、想象性的特點，能夠準確模擬虛擬的“理想環(huán)境”，形象地表示抽象的概念，并能讓學生與實驗對象進行交互，以解決傳統(tǒng)物理課堂中情境性、沉浸感、互動性不強的問題。本文設(shè)計、開發(fā)“三體運動”VR教學軟件，并通過在實踐中應(yīng)用該軟件，探索了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中物理學習中的影響及效果。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實；VR教學；高中物理；三體運動

【中圖分類號】 G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2018）010-074-03

前 言

物理是高中階段非常重要的學科，學生通過對物體運動本質(zhì)規(guī)律的參悟，會幫助其塑造辯證、科學的世界觀和人生觀[1]。但抽象的物理概念的理解，復(fù)雜的物體運動規(guī)律的參悟，理想的實驗環(huán)境的模擬一直是學生學習和教師教學的難點，這些虛幻游離的力、電、磁等，往往令學生望而生畏。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展為物理教學帶來了新的機遇，恰好可以解決上述這些問題。虛擬現(xiàn)實可以創(chuàng)設(shè)逼真的三維多感官環(huán)境，同時環(huán)境還會對參與者行為產(chǎn)生相應(yīng)的反饋，應(yīng)用于教學中，可實現(xiàn)情境學習、創(chuàng)設(shè)心理沉浸感[2]。本研究聚焦高中物理重點內(nèi)容“萬有引力定律”，開發(fā)并應(yīng)用“三體運動”VR教學軟件，旨在探究VR技術(shù)在高中物理學習中的影響及效果。

VR技術(shù)在物理學科中的應(yīng)用案例

1.國外VR技術(shù)在物理學科中的應(yīng)用

國外大學很早就開始關(guān)注虛擬現(xiàn)實技術(shù)在物理學科中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為物理虛擬實驗。美國科羅拉多大學的一個研究團隊，基于Java和VR技術(shù)研發(fā)了一套物理學科的“PhET系列互動仿真軟件”，該軟件通過虛擬實驗來幫助學生理解抽象的概念和隱含的關(guān)系[3]。該軟件以寓教于樂的方式，激發(fā)了學生學習的興趣。美國路易斯安那州立大學的學者，將VR和AR技術(shù)在物理教學（主要為力學、電磁學等）中的應(yīng)用模式進行了對比[4]。研究結(jié)果表明，這兩類技術(shù)均能促進教學，提高學生學習的質(zhì)量。此外，還有美國俄勒岡大學設(shè)計的物理實驗網(wǎng)站“VLab”，以及卡羅萊納州立大學開發(fā)的基于WEB的“探究型虛擬物理實驗室”等眾多應(yīng)用[5]。

2.國內(nèi)VR技術(shù)在物理學科中的應(yīng)用

與國外相比，國內(nèi)的虛擬現(xiàn)實教育應(yīng)用起步較晚，但近年來越來越受到重視。同樣，也主要集中于多媒體輔助物理實驗教學。

中國科技大學人工智能與計算機應(yīng)用研究室開發(fā)出了一個“幾何光學實驗設(shè)計平臺”，該系統(tǒng)基本涵蓋了中學物理的光學實驗，學生可以通過該虛擬系統(tǒng)提供的實驗儀器，完成或練習大部分的光學實驗。西安科技大學開發(fā)了一套“通信原理仿真實驗系統(tǒng)”。該系統(tǒng)主要基于Matlab技術(shù)，不僅有較強的交互性，而且操作簡單，十分人性化[5]。

運用VR技術(shù)開展高中萬有引力定律教學的實證研究

筆者開發(fā)了一款“三體運動”VR教學軟件，模擬出“萬有引力定律”章節(jié)中的實驗，對“三體運動”進行直觀的表現(xiàn)，創(chuàng)設(shè)一個沉浸式的、交互性的虛擬教學環(huán)境。

1.“三體運動”VR教學教具

“三體運動”VR教學軟件基于C#語言、Unity3D平臺設(shè)計開發(fā)，并以“智能手機+Cardboard”作為終端。通過Unity3D創(chuàng)建三個球體代表三體，為每一個球體添加了運動軌跡，并將三個球體的物理屬性設(shè)為剛性球體碰撞。以“萬有引力定律”和“牛頓第二定律”為基礎(chǔ)來模擬三個球體的相互運動。

2.用戶操作

使用該軟件進行實驗時，學生只需戴上CardBoard，向左便能看到導(dǎo)航界面，可以自主選擇想要觀察的場景。進入實驗場景后，學生在觀察時可以通過改變頭部位置凝視交互的方式，來改變每個球體的位置、質(zhì)量、速度等，觀察由此發(fā)生的運動改變，實現(xiàn)其與實驗內(nèi)容交互。

3.實驗結(jié)果

本研究選擇北京市八一中學高二年級的一個班進行實驗，共計40位學生和1位物理教師。在師生體驗了軟件后，發(fā)放問卷，并隨機抽取5名學生（3男2女）和1名教師進行訪談，收集他們對該應(yīng)用的感受及建議。

通過對問卷和訪談數(shù)據(jù)的分析，主要包括學生對VR教學的已有經(jīng)驗、態(tài)度、滿意度及效果評價，得出以下結(jié)論。

（1）高中生對VR的已有經(jīng)驗

研究發(fā)現(xiàn)，大部分學生對VR技術(shù)有一定了解，但是了解不多；大多數(shù)學生都曾經(jīng)體驗過VR產(chǎn)品，但是體驗不多。絕大多數(shù)學生沒有體驗過VR在教學中的應(yīng)用。

（2）高中生對VR教學的態(tài)度

學生整體上對VR教學持非常積極的態(tài)度。使用VR教學軟件前后的數(shù)據(jù)對比顯示，“三體運動”VR軟件顯著提升了學生對VR教學的興趣。有95%的學生表示愿意或非常愿意在未來教學中能應(yīng)用VR，特別是在“物理、化學、生物、地理”等學科。他們期待通過VR教學提升他們對內(nèi)容的興趣和學習積極性。

（3）師生對VR教學教具的滿意度

體驗過VR教學軟件后，100%的學生都對該軟件的界面設(shè)計、交互設(shè)計、教學內(nèi)容設(shè)計、架構(gòu)設(shè)計表示滿意，其中75%以上的學生表示非常滿意。同時，學生們也對軟件的交互設(shè)計提出了更高的期望。

（4）師生對VR教學教具效果的評價

問卷和訪談數(shù)據(jù)都表明，教師和學生們都非常認可VR教學軟件的教學效果，包括：能夠創(chuàng)設(shè)生動形象的學習情境、有助于萬有引力定律的理解、有助于對空間三體運動的理解、有助于擴展物理知識、有助于提升物理學習興趣。

物理教師表示，“這款軟件對于幫助學生理解天體運動和相關(guān)知識很有幫助，它很適合作為物理教學的輔助軟件”。幾乎所有學生都對這款VR教具表現(xiàn)出了濃厚的興趣，均認為該軟件創(chuàng)設(shè)了生動形象的學習情境，能夠加深他們對知識點的理解，因為它將“看不見”的東西變得直觀了。他們說，“這款軟件能夠把那些看不見、摸不著、離我們非常遙遠的東西呈現(xiàn)在我們眼前，使它們具體化了，幫助我們更深刻地理解”。

總 結(jié)

“三體運動”VR教學軟件體現(xiàn)了VR在物理學科教學中的潛力。通過本研究發(fā)現(xiàn)，VR在教學中的應(yīng)用非常必要且充滿潛力，高中生有濃厚興趣；VR教學軟件在創(chuàng)設(shè)情境、提升學習興趣、促進知識理解方面存在積極有效的作用。它以其構(gòu)建學習情境、形象化抽象內(nèi)容、實現(xiàn)自然交互的優(yōu)勢，既可以用于內(nèi)容展示，又可以實現(xiàn)探究式學習[3][5]，其提升學習動機、優(yōu)化學習效果的作用展現(xiàn)得淋漓盡致。

物理學科需要進行大量的實驗，這意味著VR技術(shù)在物理教學中有巨大的發(fā)展空間[6]，也有更多的探索之處。哪些內(nèi)容適合VR技術(shù)？如何將其融入學習活動中？如何使VR工具更便捷、更具可獲得性？這需要更多設(shè)計人員和實踐者的參與，進一步優(yōu)化其效果，并解決成本過高的問題，早日實現(xiàn)VR技術(shù)進課堂。

參考文獻

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作者單位：1.北京市八一中學 2.北京師范大學教育學部教育技術(shù)學院 3.北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室