陸峰

【摘要】隨著“義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）”的發(fā)布，也提出了對(duì)初中物理課堂教學(xué)創(chuàng)新的新目標(biāo).初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的軟件也在不斷地更替升級(jí)，讓學(xué)生從相對(duì)孤立的人工背景向虛擬仿真的情境進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從而能夠獲得多感官的刺激，加深物理概念的理解，提升核心素養(yǎng).根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，視覺信息認(rèn)知比重超過人類認(rèn)知總和的八成，并且對(duì)于人們的記憶持久度也是最深遠(yuǎn)的.現(xiàn)今在課堂中使用的VR技術(shù)，可視化效果明顯，在教學(xué)過程中也能讓學(xué)生獲得沉浸式的體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)物理知識(shí)中的重難點(diǎn)突破.通過“VR實(shí)驗(yàn)室”在課堂中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，增加學(xué)生參與度，讓信息化教育資源真正地為課堂教學(xué)所用.

【關(guān)鍵詞】VR技術(shù)；初中物理教學(xué)；探究式學(xué)習(xí)；5G網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用研究

VR技術(shù)是指虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是一種模擬真實(shí)環(huán)境的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，人機(jī)交互，傳感器等技術(shù)，將用戶帶入虛擬世界中，讓用戶感受到身臨其境的體驗(yàn).VR技術(shù)通常需要使用頭戴式顯示器，手柄，傳感器等設(shè)備，用戶可以通過這些設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互.隨著我國(guó)在信息化教育發(fā)展的不斷推進(jìn)，VR技術(shù)也讓物理教師在課堂教學(xué)手段上有了更多的選擇空間，尤其是在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用，讓學(xué)生獲得沉浸式的體驗(yàn)，更是一種對(duì)傳統(tǒng)授課方式的顛覆.

VR技術(shù)能夠更好地展現(xiàn)物理的本質(zhì)和內(nèi)涵，也能解決傳統(tǒng)課堂難以實(shí)現(xiàn)的問題，比如物理中抽象知識(shí)的概念建立，難以清晰觀察的物理現(xiàn)象，操作復(fù)雜或具有危險(xiǎn)性的物理實(shí)驗(yàn)等，VR技術(shù)可以通過模擬場(chǎng)景的建立，屏幕的放大縮小，視角的空間變化，時(shí)間軸的前后移動(dòng)和播放快慢的調(diào)整得以實(shí)現(xiàn).這樣的新型教學(xué)多媒體課件資源，豐富了學(xué)生對(duì)于物理情境的感性認(rèn)知，也深化了學(xué)生對(duì)于物理科學(xué)規(guī)律的理解，對(duì)于教學(xué)效果的提升，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，活躍物理教學(xué)的課堂氛圍都有實(shí)際的意義.

1 VR技術(shù)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

1.1 幫助學(xué)生理解教學(xué)中的重難點(diǎn)

1.1.1 以學(xué)習(xí)“光的反射”相關(guān)知識(shí)為例

根據(jù)課標(biāo)要求，“探究并了解光的反射定律.”在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，我們是以白色硬紙板來呈現(xiàn)光路的.實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生對(duì)于反射定律中，“反射光線，入射光線和法線位于同一平面內(nèi)”這一條的空間體驗(yàn)是無法滿足的.后來我們針對(duì)白板呈現(xiàn)光路缺失空間感的問題進(jìn)行改進(jìn)，利用粉塵或液霧來實(shí)現(xiàn)，但還是差強(qiáng)人意.于是，我們用了VR技術(shù)模擬了整個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，將光線直接可視化，由于是虛擬環(huán)境，所以無需考慮光強(qiáng)太大所帶來的安全隱患問題.同時(shí)，讓學(xué)生自行改變觀察角度和位置，虛擬實(shí)驗(yàn)中也不存在圍觀的遮擋問題，所以選擇時(shí)完全不受限制，大幅提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性.在課上，當(dāng)學(xué)生進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室之后，學(xué)生甚至能夠從實(shí)驗(yàn)室的正上方進(jìn)行觀察，然后模擬無人機(jī)的全景環(huán)繞方式，獲得前所未有的體驗(yàn).同時(shí)，老師也可以操作實(shí)驗(yàn)光線的角度和增減光線數(shù)量，讓學(xué)生自行建立反射定律的空間形態(tài).課后，從作業(yè)和課堂的實(shí)時(shí)反饋來看，新的教學(xué)嘗試，沉浸式的體驗(yàn)，確實(shí)讓學(xué)生等到了以往所沒有的提升.

1.1.2 以學(xué)生實(shí)驗(yàn)“探究通電螺線管外部磁場(chǎng)的方向”為例

作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，以往我們以小磁針和鐵粉來呈現(xiàn)其周圍的磁場(chǎng)分布，我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在課后的練習(xí)中，關(guān)于通電螺線管的繞線方式，總是由于空間感的缺失，導(dǎo)致錯(cuò)誤率偏高.在我們用VR技術(shù)模擬整個(gè)磁場(chǎng)分布之后，學(xué)生面前就能呈現(xiàn)一個(gè)完整磁場(chǎng)了.學(xué)生通過手柄，可以將頭戴顯示器中所看到的磁場(chǎng)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，縮小，放大等操作.同時(shí)，在后續(xù)磁極間相互作用的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠直觀地看到當(dāng)同名或異名磁極相互靠近時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生的空間上的變化.這種扭曲塌陷的空間變化，能夠?qū)崟r(shí)地呈現(xiàn)給學(xué)生，在任意切換觀察位置時(shí)，也不用考慮磁場(chǎng)干擾的問題.在這樣的基礎(chǔ)上，老師可以迅速完成教學(xué)階段性任務(wù)，給予學(xué)生更廣闊的自主探究自由度.

1.2 提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性

新時(shí)代的初中物理教學(xué)已經(jīng)融入了各種信息技術(shù)，并引入了多媒體平臺(tái)共享的理念.但是目前所展示教學(xué)方式，受到了自媒體時(shí)代的沖擊，信息迅速更迭，有時(shí)無法激發(fā)課堂上學(xué)生的積極性.VR技術(shù)融合物理教學(xué)之后，明顯提高了學(xué)生對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的探究熱情，對(duì)激活學(xué)生是有正向提升的.比如可以讓學(xué)生能夠在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行互動(dòng)，例如通過手勢(shì)和語音命令來控制虛擬實(shí)驗(yàn)室中的物品和儀器.這種交互式教學(xué)可以增加學(xué)生的參與度和積極性，讓學(xué)生更好地體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程.這一嘗試也順應(yīng)了新課標(biāo)中要求“教師要充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將信息技術(shù)有效融入物理教學(xué)，創(chuàng)新教學(xué)方式，提升教學(xué)效率”的要求.

1.3 有利于物理知識(shí)的理解和鞏固提升

在初二階段的學(xué)習(xí)中，用“光的直線傳播”進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn).首先一個(gè)班級(jí)使用傳統(tǒng)模式，展現(xiàn)“日食”的形成原理時(shí)，教學(xué)過程中通常是使用手持光源配合地球儀進(jìn)行演示的.其次另外一個(gè)班級(jí)則是通過VR技術(shù)把學(xué)生引入虛擬實(shí)驗(yàn)室之后，利用星空背景，將學(xué)生置于廣袤的宇宙中，通過這樣的角度來觀察太陽，月亮和地球所形成的現(xiàn)象.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，后者對(duì)于“光的直線傳播”的領(lǐng)悟深度明顯優(yōu)于前者，并且也能在后續(xù)的測(cè)試中，以較高的正確率和較長(zhǎng)的記憶周期勝出.

另外，不同于傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式，借助VR技術(shù)，我們可以脫離紙筆，用模擬場(chǎng)景的方式，建立一種全新的評(píng)價(jià)體系.物理實(shí)驗(yàn)題一直是中考中容易失分的環(huán)節(jié)，但是復(fù)習(xí)時(shí)，往往由于時(shí)間場(chǎng)地限制，無法再進(jìn)行深入探究.此時(shí)我們也可以借助VR技術(shù)，做到模擬環(huán)境的快速切換，及時(shí)修正認(rèn)知偏差，從而達(dá)到高效復(fù)習(xí)的目的.

1.4 促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

義務(wù)教育物理課程要培養(yǎng)的科學(xué)思維中有一項(xiàng)是“模型建構(gòu)”，對(duì)于初中階段的學(xué)生來說，能夠用模型解釋物理現(xiàn)象和過程是傳統(tǒng)教學(xué)之下很難提升的一項(xiàng)技能.不過有了VR技術(shù)的加持，我們甚至可以在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行直接模擬建模，例如，可以讓學(xué)生可以直接對(duì)身邊的物體進(jìn)行受力分析和空間尺度估算.我們可以借助設(shè)備上的攝像頭，將身邊的真實(shí)景物與虛擬實(shí)驗(yàn)工具相結(jié)合，通過手持傳感器，對(duì)于物體上的受力情況進(jìn)行可視數(shù)字顯現(xiàn).讓學(xué)生更深刻地體驗(yàn)從具象到抽象的建模過程，促進(jìn)學(xué)生模型建構(gòu)的認(rèn)知發(fā)展.當(dāng)然，我們也可以再針對(duì)其他核心素養(yǎng)進(jìn)行相關(guān)課件的開發(fā)，使得我們的物理課堂更立體，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

2 VR技術(shù)與物理教學(xué)的融合

2.1 VR技術(shù)特點(diǎn)與初中物理教學(xué)需求相貼合

VR技術(shù)所具有的虛擬安全性，沉浸互動(dòng)性和自主開放性等特點(diǎn)是初中物理教學(xué)常用手段中所需要的.依托強(qiáng)大的3D引擎和虛擬仿真算法，從實(shí)驗(yàn)器材到實(shí)驗(yàn)環(huán)境，每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了高精度的3D建模，呈現(xiàn)逼真的效果，高度還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，為課堂教學(xué)創(chuàng)造身臨其境般的實(shí)驗(yàn)感受.同時(shí)將抽象，微觀等不可視的場(chǎng)景可視化，如電流，光路，受力，磁場(chǎng)，原子結(jié)構(gòu)等，體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，切實(shí)貼合物理教學(xué)需求.

2.2 VR技術(shù)能提高對(duì)初中物理教學(xué)的效果

傳統(tǒng)物理教學(xué)中，單純依靠教師的講授，以及課件書本中的平面展示，無法將物理本質(zhì)中較為抽象的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行空間描述.而VR技術(shù)能在物理實(shí)驗(yàn)的演示和探究過程中，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加具體和豐滿，激發(fā)學(xué)生的建模能力，這些更真實(shí)的體驗(yàn)讓學(xué)生的交互感更強(qiáng)，切實(shí)提升了物理教學(xué)的最終效果.

3 VR技術(shù)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用

在如今5G高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展日趨成熟完善的基礎(chǔ)上，VR技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的線上直播教學(xué).前幾年的線上課程在某種程度上也促進(jìn)了線上學(xué)習(xí)發(fā)展，不管是軟件還是硬件上都有不同程度的提升.在線上教學(xué)時(shí)，師生無需同處相同場(chǎng)地，只要在教師端和學(xué)生端安裝追蹤攝像頭和同步耳麥，通過采集雙方的實(shí)時(shí)課堂行為，就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接下的同步互動(dòng)，讓學(xué)生在任意地點(diǎn)都能獲得身臨其境的沉浸式體驗(yàn).此外還有一種模式，就是將老師的教學(xué)過程進(jìn)行拍攝錄制，并通過3D引擎和虛擬仿真算法，轉(zhuǎn)化為全景化視頻，作為教學(xué)資源讓學(xué)生通過頭戴式顯示器觀看.這樣的方式可以讓學(xué)生多角度觀察老師的教學(xué)過程，尤其是老師在進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可以通過時(shí)間軸的調(diào)整反復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)的各個(gè)細(xì)節(jié)，針對(duì)自身的情況進(jìn)行重點(diǎn)突破.并且由于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生和老師之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)也能更大程度上提升物理教學(xué)的交互性.

3.2 在實(shí)驗(yàn)操作中的應(yīng)用

目前的VR設(shè)備已具備通過構(gòu)造虛擬實(shí)驗(yàn)室來模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠在不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下快速切換，大量的模擬實(shí)驗(yàn)器材也方便學(xué)生在進(jìn)行自主式實(shí)驗(yàn)探究時(shí)進(jìn)行選擇.并且由于虛擬實(shí)驗(yàn)的安全性，完全可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室里模擬一些錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)操作所帶來的危險(xiǎn)狀況，這也是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無法做到的.比如在電學(xué)中，我們學(xué)習(xí)安全用電時(shí)，在過載或者短路的情況下，由于電流過大，電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致局部過熱，引發(fā)火災(zāi).這樣的場(chǎng)景如果用VR技術(shù)來呈現(xiàn)，給學(xué)生帶來的震撼效果是遠(yuǎn)超書本上簡(jiǎn)單的文字與圖片的，也能在學(xué)生心中樹立正確的價(jià)值導(dǎo)向.

3.3 在物理評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)考查模式，學(xué)生在考試過程中，每完成一步，就舉手申請(qǐng)打分，有監(jiān)考老師進(jìn)行判定.通常情況下，由于人員，場(chǎng)地，器材等因素的限制，這樣的實(shí)驗(yàn)考試效果參差不齊，對(duì)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作考察也不能做出較為有效的評(píng)價(jià).通過VR技術(shù)，把實(shí)驗(yàn)考察項(xiàng)目做成虛擬實(shí)驗(yàn)，這樣首先可以增加每次考試的選擇范圍，將一個(gè)實(shí)驗(yàn)變成多個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在參加考試時(shí)可以先行選擇，這樣大大提高了學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)的廣度.其次，模擬實(shí)驗(yàn)室可以跳出原先那些“人員，場(chǎng)地，器材等因素”的限制，增加考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)的選擇范圍.同一時(shí)間同一場(chǎng)地，可以進(jìn)行多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)考察.最后由模擬實(shí)驗(yàn)軟件做出客觀評(píng)價(jià)，同時(shí)生成詳細(xì)的個(gè)人實(shí)驗(yàn)考試評(píng)測(cè)報(bào)告，讓今后的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)更科學(xué).

4 VR技術(shù)在初中物理教學(xué)應(yīng)用的不足

4.1 硬件設(shè)備的普及度不高

誠(chéng)然VR技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的初中物理教學(xué)來說，能給我們的課堂引入顛覆性的教學(xué)手段，不過它的先進(jìn)技術(shù)在剛開始的階段也需要高額資金的先期投入，比如硬件設(shè)備方面，單人需要頭戴式顯示器，手柄，傳感器等設(shè)備，由于無法共同使用，所以設(shè)備的數(shù)量至少要與班級(jí)人數(shù)等同.所以短期內(nèi)，很難在短時(shí)間內(nèi)在初中課堂教學(xué)中大規(guī)模普及.據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)今開展VR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的院校也都集中在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，并且還是以高等院校為主，義務(wù)階段的中小學(xué)和相對(duì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)目前還難以實(shí)現(xiàn).因此，建議可以使用能滿足基本教學(xué)要求但配置相對(duì)較低的產(chǎn)品作為平替.

4.2 VR技術(shù)依然具有提升空間

現(xiàn)今，VR技術(shù)雖然已經(jīng)在很多領(lǐng)域里衍生出許多應(yīng)用情境，但是大多數(shù)應(yīng)用還是局限在學(xué)生的視聽感受之下，就目前傳感器的單一性，還是無法加入更多的自主探究項(xiàng)目.因此，現(xiàn)在VR技術(shù)在課堂上的應(yīng)用，還是無法滿足物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)于精細(xì)操作的要求.今后，隨著數(shù)字技術(shù)逐步升級(jí)，相信在不遠(yuǎn)的將來，更新VR技術(shù)能夠在中學(xué)物理教學(xué)中普及，這樣才能給我們的物理教學(xué)帶來更深入的物理學(xué)習(xí)沉浸式體驗(yàn).

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版，2022

［2］楊夢(mèng)琪，陳紅.探討VR和AR技術(shù)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用前景［J］.中學(xué)理科園地，2018（1）：255-256.

［3］李昭儀，康萬帥.VR和AR在高中理科教育中的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代中小學(xué)教育，2017，33（7）：76-80.

［4］楊鵬飛.基于VR技術(shù)的電子實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)探索與設(shè)計(jì)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2017（31）：240-241.

［5］孫伯旺.基于互聯(lián)網(wǎng)+，AR/VR的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究［J］.名師在線，2019（27）：6-7.