虚拟现实在中学物理教学中的应用，本文主要内容关键词为：虚拟现实论文,中学物理论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
笔者在长期从事虚拟现实研究的基础上总结了虚拟现实的五个基本特征，并以此为依据，以建构主义理论为指导，结合中学物理课的具体特点提出了虚拟现实在中学物理教学中的应用主要有五个方面：虚拟游览（Virtual Tour）、虚拟实物（Virtual Model）、虚拟缩放（Virtual Zoom）、虚拟过程（Virtual Process）、虚拟实验（Virtual Experiment）。
一、虚拟现实的基本特征
1、沉浸性（lmmersion）：是指所创造的虚拟环境能使学生产生“身临其境”的感觉，使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的，而且在操作过程中他可以自始至终地发挥作用，就像真正的客观世界一样。
2、交互性（Interactivity）：是指在虚拟环境中，学生如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的人物、事物发生交互关系，其中学生是交互的主体，虚拟对象是交互的客体，主体和客体之间的交互是全方位的。
3、构想性（Imagination）：是指虚拟现实要能启发人的创造性的思维活动，不仅要能使沉浸于此环境中的学生获取新的知识，提高感性和理性认识，而且要能使学生产生新的构思。
4、动作性（Action）：是指学生能以客观世界的实际动作或以人类熟悉的方式来操作虚拟系统，让学生感觉到他面对的是一个真实的环境。
5、自主性（Autonomy）：是指虚拟世界中物体可按各自的模型和规则自主运动。
二、虚拟现实在中学物理教学中的应用
1.虚拟游览（Virtual Tour）。虚拟游览就是依据建构主义的理论，应用虚拟的方法产生一个教学场景，让学生根据自己的意愿选择游览路线、速度及视点，在这个虚拟的场景中游览，产生新的构思，从而完成对知识的意义建构。物理以自然为研究对象，学习物理多从观察自然开始，又回到自然之中，因此在物理教学中有必要培养学生热爱自然的情感，树立科学的自然观。很多物理老师都努力创造接近生活的物理学习情景，让学生在生活中发现和提出问题，并从各种渠道收集证据、观察实验、动手动脑地解决问题。但在物理教学活动中有些情境由于受到地理位置、季节替换、天气变化和经费限制等多种因素的影响，很难及时地为学生创造合适的教学情境，这时就可以用这种教学方法为学生创造一种虚拟的教学情境来进行教学。如在中学物理中在讲到“功”的时候，我们通过虚拟现实的方法，提供很多的名山让学生游览，学生可以自由地选择几座名山进行快速游览，游览中学生就会发现所有的上山的道路都是绕着山上去而不是直接从山底上到山顶，进一步可以让学生参观汽车是沿着盘山公路上山的。那为什么要绕着山上去呢？就可以增加一些参数来研究这个问题，在老师的指导下通过收集数据、分析计算，最后来解决这个问题，再比如在讲杠杆时，就可以通过虚拟现实的方法让学生自己到河边看一下那些钓鱼人钓到大鱼时费力的样子，到农庄去看一下老农是怎样打井水的以及到公园里去玩玩跷跷板等等。
2、虚拟实物（Virtual Model）。虚拟实物是指用虚拟现实的方法来展示物理教学中用到的场景或实物。建构主义认为特定的情境对情感、语言、思维活动有着重要的作用，因此在日常的教学活动中，教师千方百计地营造教学中的情境，来调动学生的兴趣，增强学生对教学内容的理解。但在物理教学活动中，有些情境教师就很难营造，这时就可以通过虚拟实物的方法来创造生动的教学场景，激发学生的学习兴趣，帮助学生形成学习动机。如在高中物理中讲到《机械波》这一章时，如果老师一味地讲有关波的理论就很难引起学生的注意，但如果用虚拟实物的方法展现运动会中利用运动员下蹲和站起形成的人浪，平静的湖面上扔下一块石头激起的涟漪等生活中的波的例子，就能调动学生的兴趣，把学生引入波的世界中，进一步还可以通过虚拟音叉振动后周围空气振动产生的声波和电磁振荡产生的电磁波，把学生引入到声波和电磁波这些无形的波的学习中，在波的世界中学习波的相关知识。另外通过虚拟的实物还可以帮助学生完成对所学知识的意义建构。如通讨虚拟一个游标卡尺，让学生在虚拟的场景中从各个角度观察游标卡尺，并用不同的物体让学生进行测量训练（如让学生测量圆柱的直径、圆桶的深度和圆环的内径等），当测量完成后及时给出反馈信息（包括测量方法和读数），让学生反复训练，学生就能通过对虚拟的游标卡尺的观察及其测量训练，来完成对游标卡尺的结构、测量方法及读数的意义建构。
3、虚拟缩放（Virtual Zoom）。虚拟缩放是指用虚拟现实的方法来设计微观世界和宏观世界中的事物，使学生在可视的范围内观察或操作微观世界或宏观世界中的事物。建构主义学习理论指出，教学设计不仅要考虑教学目标分析，还要考虑有利于学生建构意义的情境的创设问题，并把情趣创设看作是教学设计的最重要内容之一。但要在现实世界中创设出让学生能看得到的微观世界或宏观世界的变化是很困难的，这时可考虑用虚拟缩放的方法来虚拟一个微观世界或宏观世界，让学生在虚拟的环境中观察或操作实验，从而完成对教学内容的意义建构。微观世界如原子、分子的运动及化学反应时物质的生成都是很抽象的，用虚拟缩放的方法则可以让抽象的内容具体化。如高中物理中在讲到分子的热运动时都会让学生在显微镜下观察布朗运动，这就很容易让学生误解为花粉颗粒的运动就是分子热运动，它没有从根本上揭示花粉运动的实质。为此老师不得不花大量的时间分析为什么花粉颗粒会作无规则的运动，即使这样还会有相当一部分学生把花粉颗粒的运动和分子的热运动等同起来。要想从本质上解决这个问题，就必须让学生真正看到水分子的运动，从而来分析花粉为什么会作无规则的运动。为此笔者用虚拟缩放的方法虚拟了一个布朗运动的实验，首先让学生在虚拟的环境下观察水分子的运动，接着让学生拿一个花粉颗粒放到水中，观察花粉颗粒的运动情况，学生可看到花粉颗粒在水分子的撞击下作无规则运动，进一步把花粉颗粒的受力情况显示出来，从根本上揭示花粉作布朗运动的实质是水分子的热运动，帮助学生完成分子热运动的意义建构。对于宏观世界的变化，如高中物理中在讲万有引力时都会涉及到行星运动，一般情况下老师只能对着几幅图讲解行星的运动，至于行星究竟是怎样运动的很少有老师能讲清楚，但如果用虚拟现实的方法根据科学测量的数据虚拟一个行星运动的场景（如下图），即使老师不作讲解学生也能很快地了解行星的大致运动情况。
行星运动画面
4、虚拟过程（Virtual Process）。虚拟过程是用虚拟现实的方法展示现实生活中一些无法看到的事物的变化过程或事物变化太快、太慢的过程。建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习。也就是说，学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象，并要求学生采用探索法、发现法去建构知识的意义。但在传统教育方式下，对一些生活中无法看到的事物的变化过程或事物变化太快、太慢的过程，即使老师想采用建构主义的学习方法也无能为力，有的老师就只能采用满堂灌的方法了。但如果采用虚拟过程的方法产生一个虚拟的过程，让学生在虚拟的环境中，在学生自己的控制下完成对实验过程的观察，学生就能轻松地完成对教学内容的意义建构。对无法看到的事物的变化过程，如在讲物体的浮沉条件时，经常会引用潜水艇的例子，但是潜水艇究竟是怎样工样的，一般学生是无法看到的，这时就可以用虚拟的方法建立一艘超级潜艇，当要潜水艇上浮时，按控制台上相应的按键，就会看见潜水艇开始排水，到一定时候潜水艇就上浮，并显示出上浮的速度；当要潜水艇下沉时，按相应的控制键，潜水艇就开始进水，到一定时候潜水艇就下沉，并显示出下沉的速度。这样，学生在虚拟的环境下通过对潜水艇上浮和下沉过程的观察，就能顺利地完成潜水艇工作原理的意义建构。对变化过程太快或太慢的过程，如高中物理在讲液体的表面张力时，都会做这样的实验：用金属丝做成一圆环，把棉线两端系在环的两点上（棉线不要张紧），然后把环浸入肥皂水里，再拿出来，这时可以看到肥皂膜上的棉线松弛的；用热针刺破绵线一侧的肥皂膜后，可看到棉线向另一侧弯成弧形，从而说明液体表面张力的存在。实际上针刺破一侧的肥皂后棉线的运动过程学生是无法看清楚的，老师也就只能通过看到的结果来分析产生的原因，说明液体表面张力的存在。这时如果用虚拟过程的方法，设计针刺破一侧的肥皂膜后棉线的运动过程，让学生在虚拟的环境下，自己用一个热针刺破线一侧的肥皂膜，来观察棉线的运动情况，并同时显示棉线的受力变化情况，学生就很容易知道为什么在热针刺破绵线一侧的肥皂膜后，棉线在表面张力作用下向另一侧弯成弧形。
5、虚拟实验（Virtual Experiment）。虚拟实验是指用虚拟现实的方法来完成人们在现有条件下无法进行的实验研究。建构主义认为，学生不只是理解和记忆现成的结论，而是要理解这些知识所指向的问题，并基于自己知识经验，来批判地分析它的合理性，形成属于自己的知识。因此在实际教学中老师经常会提出一些想象中的问题以引起学生的思考和讨论，在讨论中设法把问题一步步引向深入，以加深学生对所学内容的理解。但一些想象中的问题无法在现有条件下进行实验，反而会使学生越讨论越模糊，无法完成意义的建构。这时就可用虚拟实验的方法按照科学的理论设计一个虚拟的实验，来观察实验的过程和了解实验的结果，帮助学生完成所讨论知识的意义建构。如在研究物体的相对运动时，笔者曾和中学物理老师设计过一个陀螺在地球北极转动时的相对运动的问题，让学生回答两个问题，一是在北极正上方某一点观察时陀螺和地球怎么运动？二是在地球面上北极附近某点观察时陀螺和地球怎么运动？结果发现能回答出第一问题的只有极少数的几个，没人能回答出第二个问题。笔者再让学生在虚拟的实验中研究这个问题时，结果发现所有同学都能回答第一个问题，80％的学生能回答第二个问题，有12％学生甚至提出在地球北极的正上方某点按地球的角速度转动观察时陀螺和地球怎么运动的问题，并能通过虚拟实验的研究，自己回答这个问题。
三、虚拟现实在物理教学应用的注意问题
虽然虚拟现实在教学中有许多优点，但也存在着明显的不足之处：虚拟现实对客观世界物质属性的描述是非常局限的，无法刻画客观世界的未知领域：虚拟现实对现实的描述不够真实自然，有些虽接近真实但仍有距离，容易给使用者带来不适感受；虚拟现实容易给人造成满足感，从而对抽象知识的学习失去兴趣；虚拟现实与演示实验的关系；虚拟现实与其他教学手段的关系问题；虚拟环境中学的一些知识和技能在现实环境中的应用问题等等。
标签：虚拟现实论文;