段越瑩

【摘要】在物理學(xué)所涉及的范疇里，有許多抽象的、難以理解的知識(shí)長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著學(xué)生們的學(xué)習(xí)與教師的教學(xué)。基于計(jì)算機(jī)3D技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)的興起與發(fā)展為突破這類物理教學(xué)難題提供了解決的可能。本文主要介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理教學(xué)中使用的概況，然后著重介紹美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的實(shí)證研究案例，說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)物理教學(xué)的促進(jìn)作用。最后簡(jiǎn)單闡述虛擬現(xiàn)實(shí)在物理教學(xué)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展將要克服的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí) 物理教學(xué) 抽象概念 實(shí)證研究

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）12-0156-02

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬已逐漸滲透進(jìn)了自然學(xué)科的教學(xué)中。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以幫助研究復(fù)雜的場(chǎng)景，還允許師生嘗試完成實(shí)驗(yàn)室中困難的、不可能完成的任務(wù)。然而，由于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬缺乏交互性，模擬情景是事先已經(jīng)設(shè)定好并且難以修改，使得傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬無(wú)法給使用者提供一種身臨其境的感覺(jué)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興起，恰好彌補(bǔ)了這一不足。

所謂虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality），簡(jiǎn)稱VR，是20世紀(jì)末才興起的一門(mén)嶄新的綜合性信息技術(shù)，與多媒體、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并稱為三大前景最好的計(jì)算機(jī)技術(shù)[1]。它借助計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的三維世界，使用者以自己的視點(diǎn)為主，對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行瀏覽和交互[2]。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)在教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)

在物理學(xué)史上，視覺(jué)理解是一個(gè)很古老的話題。從古至今，人們幾乎都是進(jìn)行可視化思考，由此有人提出“直覺(jué)物理”來(lái)形容人對(duì)物質(zhì)世界運(yùn)行的直覺(jué)認(rèn)知能力。正是人們?cè)陂L(zhǎng)期的學(xué)習(xí)過(guò)程中采用直覺(jué)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，使得許多抽象的物理知識(shí)和物理概念難以為學(xué)生正確掌握。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，為抽象的物理概念可視化提供了可能。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需要計(jì)算機(jī)硬件和軟件的支持。硬件方面包括3D眼鏡，頭盔，手套，操縱桿等，這些工具都安裝有傳感器。軟件方面則包括了3D動(dòng)畫(huà)、圖像等相關(guān)軟件。計(jì)算題通過(guò)硬件中的傳感器將現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)作、受力情況傳遞到計(jì)算機(jī)中，然后軟件通過(guò)這些信號(hào)進(jìn)行圖像的合成，模擬出現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，然后反饋到硬件中，讓使用者感覺(jué)到身臨其境。因此，Grigore Burdea與Phi1ippe Coiffet將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)概括為三個(gè)方面，分別為：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和構(gòu)想性（Imagination）[3]。

圖1 虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為兩個(gè)：第一，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)調(diào)身臨其境、互動(dòng)式、主人公式的模擬，有利于學(xué)生進(jìn)行發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)，給學(xué)生提供了另一種新的途徑來(lái)學(xué)習(xí)物理。第二，建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者能對(duì)知識(shí)進(jìn)行自我構(gòu)建。虛擬現(xiàn)實(shí)的三大特點(diǎn)能充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性，讓學(xué)生模擬現(xiàn)實(shí)中不存在的角色、物體或完成難以進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，從而完整對(duì)知識(shí)的主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)動(dòng)力。

2.虛擬現(xiàn)實(shí)在物理教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)證研究

國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步較早，技術(shù)、理論與應(yīng)用的研究都已經(jīng)達(dá)到了一定的高度，尤其是在軍事、醫(yī)學(xué)、教育領(lǐng)域的應(yīng)用都已經(jīng)開(kāi)始趨于成熟。80年代開(kāi)始，虛擬現(xiàn)實(shí)就運(yùn)用于教育之中，針對(duì)物理學(xué)科的運(yùn)用則從90年代開(kāi)始。1992年，馬克·英格里伯格和洛賓·比得迪提合作創(chuàng)建了一個(gè)虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，其目標(biāo)是使它成為具有高度可操作性的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以便學(xué)生們能夠在此進(jìn)行基礎(chǔ)物理研究。此后，更多的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室被陸續(xù)建立起來(lái)：有德國(guó)的漢諾威大學(xué)的虛擬自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室[4]，西班牙大學(xué)電子系的電子儀器虛擬工作平臺(tái)[4]，意大利帕瓦多大學(xué)的遠(yuǎn)程虛擬教育實(shí)驗(yàn)室[4]。與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的VR技術(shù)還有一定的差距，但已引起政府有關(guān)部門(mén)和科學(xué)家的高度重視。國(guó)內(nèi)一些理論物理課程也開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，例如劉建軍、路彥鋒對(duì)固體物理課程進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)可視化教學(xué)的研究[5]；尚作萍等也對(duì)理論力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[6]。然而國(guó)內(nèi)研究存在著不足，多數(shù)研究停留在系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)或者理論層面，并沒(méi)有對(duì)技術(shù)的有效性進(jìn)行實(shí)證研究。

1997年，Pieter Jan Stappers在荷蘭代爾夫特理工大學(xué)進(jìn)行的Non-Newtonian physics（非牛頓物理學(xué)）教學(xué)[7]，要求學(xué)生佩戴上頭盔和手套進(jìn)行不同的扔球?qū)嶒?yàn)，從而體會(huì)在牛頓力學(xué)和非牛頓力學(xué)的世界里，物體究竟是如何進(jìn)行拋體運(yùn)動(dòng)的。香港城市大學(xué)與香港順德聯(lián)誼總會(huì)譚伯羽中學(xué)聯(lián)合提出了一個(gè)方案，嘗試?yán)肰R技術(shù)，突破中學(xué)物理抽象概念的教學(xué)難點(diǎn)。這一方案為構(gòu)建主義者的學(xué)習(xí)理論在中學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐中奠定基礎(chǔ)[8]。與此同時(shí)，這篇文章還是國(guó)內(nèi)第一次將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在中學(xué)物理教學(xué)中。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用在物理教學(xué)中，現(xiàn)階段最有代表性的是華南師范大學(xué)周少娜博士在美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)進(jìn)行的利用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行物理概念轉(zhuǎn)變教學(xué)的研究[9]。下面以該研究實(shí)例說(shuō)明虛擬現(xiàn)實(shí)是如何突破物理抽象概念的教學(xué)難點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的。

3.美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的交互式虛擬實(shí)驗(yàn)介紹

對(duì)于物體在做圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的“向心力”概念，學(xué)生經(jīng)常存在一種錯(cuò)誤的觀點(diǎn)：認(rèn)為在缺乏外力的情況下，物體能夠做曲線運(yùn)動(dòng)[9]。他們對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)中力和運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤理解，一方面是認(rèn)為力是物體維持運(yùn)動(dòng)的原因，另一方面是對(duì)速度矢量性缺乏正確理解。傳統(tǒng)的課堂中，教師會(huì)通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生看到圓周運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。學(xué)生只能看，卻無(wú)法親自感受到運(yùn)動(dòng)小球的受力情況，只能憑直覺(jué)水平上的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)理解“向心力”的概念，從而導(dǎo)致以上錯(cuò)誤理解的產(chǎn)生。為此，華南師范大學(xué)的周少娜博士利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)交互式的虛擬現(xiàn)實(shí)工具（圖2），并在美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)進(jìn)行了圓周運(yùn)動(dòng)向心力的物理概念轉(zhuǎn)變教學(xué)研究。

圖2 一學(xué)生正使用精密操縱桿來(lái)與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行交互[9]

這項(xiàng)研究中共有52名美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)本科工程專業(yè)的學(xué)生作為研究對(duì)象。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)進(jìn)行的兩周之前就學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動(dòng)的基本概念。這些學(xué)生被隨機(jī)分成兩組——VE（虛擬實(shí)驗(yàn)）組以及PS（解決問(wèn)題）組。

VE組的學(xué)生是利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)完成關(guān)于圓周運(yùn)動(dòng)的探究學(xué)習(xí)，配有一份實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)。PS組的學(xué)生則按照傳統(tǒng)方式，通過(guò)做圓周運(yùn)動(dòng)章節(jié)后的習(xí)題進(jìn)行學(xué)習(xí)，配有一本教科書(shū)。兩組學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程都沒(méi)有教師的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，學(xué)習(xí)時(shí)間均為半小時(shí)。VE組的實(shí)驗(yàn)題目是要求學(xué)生給一個(gè)具有初速度的物體施加一個(gè)力，使它可以在一個(gè)半徑為0.5米的白色虛線圓中運(yùn)動(dòng)，已知物體所在平面光滑，質(zhì)量、初速度一定。

兩組學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)都要共同經(jīng)歷三個(gè)階段——前測(cè)、VE模擬/解決習(xí)題和后測(cè)[9]。（1）前測(cè)的目的是了解學(xué)生對(duì)在圓周運(yùn)動(dòng)背景下的有關(guān)力與運(yùn)動(dòng)的理解的基線水平。（2）第二階段VE組學(xué)生開(kāi)始進(jìn)行模擬操作，而PS組學(xué)生完成三道從教科書(shū)中選出的物理題。解決問(wèn)題環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生練習(xí)和進(jìn)一步研究相關(guān)知識(shí)。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式與VE活動(dòng)模式，就可以確定VE活動(dòng)模式有效性是否會(huì)高于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式，是在何種程度上有所不同。（3）后測(cè)采用的題目情景與前測(cè)完全一樣，從而直接比較學(xué)生在經(jīng)歷不同的教學(xué)方法前后的掌握情況。VE組還有額外的第四階段，他們需要做一個(gè)評(píng)估調(diào)查，說(shuō)出他們使用后的感受，來(lái)比較兩種學(xué)習(xí)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)比前、后測(cè)的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：與解決問(wèn)題模式相比，虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)活動(dòng)在幫助學(xué)生理解在圓周運(yùn)動(dòng)中力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系上更加有效[9]。VE組第四階段評(píng)估調(diào)查顯示，通過(guò)操縱桿的實(shí)際感受，讓他們能夠體會(huì)到小球在運(yùn)動(dòng)中的受力情況，加深了對(duì)“向心力”概念的理解，明白缺乏外力的情況下，物體不可能做曲線運(yùn)動(dòng)。這結(jié)果給予教師一個(gè)新視角，面對(duì)學(xué)生做了大量習(xí)題后仍不能轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤概念這一困難提供了可能的解決途徑。

圖3 學(xué)生前測(cè)與后測(cè)的結(jié)果分析[9]

4.虛擬現(xiàn)實(shí)在物理教育應(yīng)用中存在的問(wèn)題

4.1適應(yīng)性問(wèn)題

以上實(shí)證的例子證明了虛擬現(xiàn)實(shí)在物理教學(xué)中起到一個(gè)促進(jìn)的作用，然而并不是所有的物理課題都適合使用虛擬現(xiàn)實(shí)。一般是一些抽象的、現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)的知識(shí)更適合使用這一技術(shù)。因此，哪些課題適合使用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行教學(xué)，怎樣運(yùn)用該技術(shù)才能更好的輔助教學(xué)，是虛擬現(xiàn)實(shí)在物理教育領(lǐng)域里需要進(jìn)一步研究的課題。

4.2 學(xué)習(xí)主體的認(rèn)知機(jī)制上的問(wèn)題

當(dāng)學(xué)習(xí)主體沉浸在一個(gè)高分辨率，全景式的虛擬空間中時(shí)，學(xué)習(xí)主體很容易陷入虛擬空間中。這時(shí)人的認(rèn)知機(jī)制將會(huì)受到了影響，并導(dǎo)致了不可低估的認(rèn)知問(wèn)題的出現(xiàn)。因?yàn)楫?dāng)一個(gè)人長(zhǎng)期沉浸在一個(gè)虛擬的環(huán)境中，突然再回到現(xiàn)實(shí)中，容易導(dǎo)致他有種“落差”感覺(jué)[10]。我們無(wú)法估計(jì)這種感覺(jué)給人帶來(lái)的心理的沖擊的程度，這種沖擊可能會(huì)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)負(fù)面影響。為此教師在使用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行教學(xué)的時(shí)候，需要密切關(guān)注學(xué)生使用后的心理變化。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用虛擬現(xiàn)實(shí)可以幫助突破物理課堂中的一些教學(xué)難點(diǎn)，使得學(xué)生對(duì)一些抽象概念有更深刻的理解。同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)的交互性促進(jìn)了學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的形成于發(fā)展，改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)上一味用解決問(wèn)題式或灌輸式的教學(xué)模式，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力，明顯地提高了物理課堂效率?？傊S著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信虛擬現(xiàn)實(shí)在物理教學(xué)中會(huì)發(fā)揮更大的輔助作用。

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