趙慧勤 周世菊 張?zhí)煸?/p>

摘要：研究通過分析中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，提出了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不全、實(shí)驗(yàn)環(huán)境受限、實(shí)驗(yàn)過程缺乏創(chuàng)造性等問題，同時討論了探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)原則和過程、實(shí)現(xiàn)技術(shù)與方法，并通過案例進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：探究性；三維虛擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）02-0055-04

探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

1.認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論

認(rèn)知主義學(xué)習(xí)理論把學(xué)習(xí)看作對信息進(jìn)行主動選擇和理解的過程，認(rèn)為人的認(rèn)知過程實(shí)際上是一個信息加工過程，知識不是由外界刺激直接給予的，而是外界刺激和認(rèn)知主體內(nèi)部心理過程相互作用的結(jié)果。采用三維虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，認(rèn)知對象從傳統(tǒng)的與現(xiàn)實(shí)世界打交道，變成與虛擬世界進(jìn)行交互，從而產(chǎn)生了一種新的認(rèn)知方式。因此設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時，必須從學(xué)生的認(rèn)知心理出發(fā)，注重學(xué)生的具體經(jīng)驗(yàn)和對情境的了解，使學(xué)習(xí)者新舊知識之間的同化能順利完成，最終促進(jìn)自己的認(rèn)知發(fā)展。

2.情境學(xué)習(xí)理論

情境學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，特定的知識應(yīng)該在特定的情境中去學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)是一個社會性過程，知識在這個過程中由學(xué)習(xí)者與周圍環(huán)境相互作用共同構(gòu)建。情境學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者應(yīng)經(jīng)歷社會真實(shí)情境，通過實(shí)際活動使其在真實(shí)情境中學(xué)習(xí)知識、技能和策略，對知識做合理的解釋并能靈活運(yùn)用知識。因此，設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時，必須創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)過程所需要的各種情境，為學(xué)生主動探究提供環(huán)境支撐。

3.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)是建構(gòu)內(nèi)在心理表征的過程，學(xué)習(xí)者以已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過與外界的相互作用來建構(gòu)新的理解，學(xué)習(xí)者知識的獲得是個體與外部環(huán)境交互的結(jié)果。因此，設(shè)計(jì)三維虛擬實(shí)驗(yàn)時，必須提供靈活的交互方式，同時為學(xué)習(xí)者提供豐富的資源和工具，方便學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的探究活動，有效建構(gòu)自己的知識。

中學(xué)物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)原則

直觀性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，增加學(xué)生者親身體驗(yàn)的經(jīng)歷。由于操作步驟復(fù)雜、觀測過程漫長、實(shí)驗(yàn)儀器昂貴等原因而無法完成的實(shí)驗(yàn)要逼真模擬，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象抽象和微觀的就要突破時空限制轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^呈現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)過程不能及時控制的要設(shè)計(jì)關(guān)鍵現(xiàn)象模擬情境，使學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境下，便于觀察物理現(xiàn)象，更好地理解和掌握實(shí)驗(yàn)原理。

交互性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供更多交互的環(huán)節(jié)和實(shí)時的反饋，方便學(xué)習(xí)者選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備、操作實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件、改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)。使學(xué)習(xí)者在虛擬環(huán)境下，按照自己的學(xué)習(xí)特征、學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)方式進(jìn)行主動探究。

開放性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)資源和工具，使學(xué)習(xí)者能夠按照自己的興趣自由地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、演示實(shí)驗(yàn)效果，并提供及時的反饋。

趣味性：三維虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要為學(xué)習(xí)者提供能夠激發(fā)好奇心和求知欲的實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象，能夠吸引學(xué)生的注意力，給學(xué)習(xí)者悅?cè)さ捏w驗(yàn)，激發(fā)其學(xué)習(xí)物理的興趣。

2.設(shè)計(jì)過程

（1）實(shí)驗(yàn)類型和主題的設(shè)計(jì)

按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為：聲音類、光學(xué)類、電路類、電磁類、理學(xué)類、能量類。本研究從眾多實(shí)驗(yàn)中選擇了部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開發(fā)仿真，具體包括真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不易觀察的實(shí)驗(yàn)、真實(shí)實(shí)驗(yàn)中不易控制的實(shí)驗(yàn)兩類。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)共包括實(shí)驗(yàn)介紹、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)提示、實(shí)驗(yàn)評價四個模塊。其中，實(shí)驗(yàn)介紹包括儀器介紹和內(nèi)容介紹。儀器介紹闡述虛擬實(shí)驗(yàn)中用到的關(guān)鍵儀器的功能、使用方法等。內(nèi)容介紹闡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理等；實(shí)驗(yàn)操作是虛擬實(shí)驗(yàn)的核心部分，通過分析該階段學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)交互式的用戶界面和探究性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和步驟，在三維虛擬實(shí)驗(yàn)場景中對相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行操作，完成實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)提示是指對實(shí)驗(yàn)中容易出錯的地方為學(xué)生提供必要的幫助；實(shí)驗(yàn)評價是根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果進(jìn)行評價。

中學(xué)物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

1.主要開發(fā)工具的選擇

探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)場景、各種實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的三維建模，以及提供探究活動的虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)的開發(fā)，用到的開發(fā)工具主要包括三維建模工具3ds Max和虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具Unity 3D。

（1）3ds Max

3ds Max是Autodesk公司開發(fā)的基于PC的三維動畫制作、編輯、播放與三維建模和渲染軟件。它具有易于使用、功能強(qiáng)大、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，是許多個人和公司用戶首選的三維建模與動畫軟件。3ds Max被廣泛應(yīng)用于廣告、影視、游戲開發(fā)、計(jì)算機(jī)藝術(shù)、角色動畫、工業(yè)設(shè)計(jì)和輔助教學(xué)等諸多領(lǐng)域。

（2）Unity 3D

Unity 3D是由Unity Technologies公司推出的一款強(qiáng)大的3D跨平臺游戲引擎，包括圖形、光照、音頻、渲染、物理和網(wǎng)絡(luò)等多方面的引擎支持，目前已不僅僅局限于游戲開發(fā)，而成為強(qiáng)大的綜合性虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，在虛擬漫游與實(shí)時設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)交互體驗(yàn)、人體數(shù)字化展示等領(lǐng)域都得到有效應(yīng)用。

2.開發(fā)流程

三維虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)步驟為：①三維虛擬實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)驗(yàn)儀器的建模；②分析學(xué)生的心理和認(rèn)知結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)探究環(huán)節(jié)；③設(shè)計(jì)交互界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的交互操作；④測試虛擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化；⑤發(fā)布虛擬實(shí)驗(yàn)。

3.探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)

（1）實(shí)例1：布朗運(yùn)動

①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：布朗運(yùn)動是由微觀分子間做無規(guī)則運(yùn)動而形成的。在現(xiàn)實(shí)生活中，難于操作，不易觀察，只有借助顯微鏡才能觀察，使得學(xué)生缺乏創(chuàng)造力和空間想象力。而在三維虛擬實(shí)驗(yàn)中可以克服這些不足，利用Unity 3D提供的物理引擎，可以很好地模擬微觀分子的無規(guī)則運(yùn)動。本實(shí)驗(yàn)通過設(shè)計(jì)交互式的界面接口，使學(xué)生可以通過控制溫度變化或調(diào)整微觀分子大小，模擬微觀分子的運(yùn)動變化情況，從而使實(shí)驗(yàn)者更好地理解布朗運(yùn)動。

②虛擬實(shí)驗(yàn)場景和實(shí)驗(yàn)器材的三維建模。實(shí)驗(yàn)采用3ds Max對三維仿真實(shí)驗(yàn)中用到的模型進(jìn)行構(gòu)建，主要包括實(shí)驗(yàn)桌、實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)主界面如下頁圖1所示。

③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)提供了兩個觀察角度，即宏觀和微觀，宏觀角度用來展示實(shí)驗(yàn)前的狀況；微觀角度用來展示微觀粒子的運(yùn)動狀況，通過使用攝像機(jī)效果，使得觀察者能夠清晰地看到微觀世界中分子的無規(guī)則運(yùn)動情況，實(shí)驗(yàn)操作界面如下頁圖2所示。

下面詳細(xì)介紹微觀角度下實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)過程。首先，學(xué)生點(diǎn)擊微觀按鈕后，攝像機(jī)被激活顯示，同時向液體分子拉近，這時出現(xiàn)圖2所示的界面，屏幕下方出現(xiàn)對應(yīng)的滑動條用于控制條件，一種是溫度變化，一種是分子大小變化。這里用到了NGUI插件里的Tween Position動畫。其次，液體分子的無規(guī)則運(yùn)動模擬是用Unity自帶的碰撞檢測函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)分子之間相互碰撞時，會觸發(fā)自身的碰撞檢測，從而受到一個反向作用力被反彈回去。當(dāng)多個分子發(fā)生碰撞時，它們的運(yùn)動就會變得毫無規(guī)律，從而形成了無規(guī)則運(yùn)動。

（2）實(shí)例2：光的反射與折射

①實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：光的反射與折射定律探究的是光從一種介質(zhì)照射到另一種介質(zhì)時發(fā)生傳播方向改變的光學(xué)現(xiàn)象。在現(xiàn)實(shí)生活中，為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和靈活性，特別要保證三線共面，需要實(shí)驗(yàn)操作細(xì)致，入射角、反射角、折射角的測量也很費(fèi)時，且不易控制。而在三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中可以克服這些不足，利用Unity 3D可以很好地模擬光線的反射、折射現(xiàn)象，以及入射角、反射角、折射角之間的關(guān)系。

②虛擬實(shí)驗(yàn)場景和實(shí)驗(yàn)器材的三維建模。本實(shí)驗(yàn)采用3ds Max對三維仿真實(shí)驗(yàn)中用到的模型進(jìn)行構(gòu)建，主要實(shí)驗(yàn)儀器如圖3所示。

③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)用來展示入射角變化時，反射角、折射角的變化情況，通過圓盤上的刻度標(biāo)定，能夠隨時讀出確切的值，實(shí)驗(yàn)者能夠清晰地看到入射角、反射角、折射角的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)操作界面如圖4所示。

結(jié)束語

新技術(shù)、新媒體的發(fā)展對傳統(tǒng)教育教學(xué)改革具有推動作用，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)初中物理探究性三維虛擬實(shí)驗(yàn)，能夠有效改進(jìn)傳統(tǒng)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，為學(xué)生進(jìn)一步理解基本概念、掌握實(shí)驗(yàn)規(guī)律和實(shí)驗(yàn)原理，提供了主動探究的環(huán)境，對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有重要價值，對探索信息技術(shù)環(huán)境下中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方法具有重要意義。

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