借助虚拟现实技术，突破物理教学难点

段越莹

【摘要】在物理学所涉及的范畴里，有许多抽象的、难以理解的知识长期以来一直困扰着学生们的学习与教师的教学。基于计算机3D技术的虚拟现实的兴起与发展为突破这类物理教学难题提供了解决的可能。本文主要介绍了虚拟现实技术在物理教学中使用的概况，然后着重介绍美国俄亥俄州立大学的实证研究案例，说明虚拟现实对物理教学的促进作用。最后简单阐述虚拟现实在物理教学领域进一步发展将要克服的问题。

【关键词】虚拟现实 物理教学 抽象概念 实证研究

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）12-0156-02

引言

随着计算机技术的发展，计算机模拟已逐渐渗透进了自然学科的教学中。计算机模拟技术可以帮助研究复杂的场景，还允许师生尝试完成实验室中困难的、不可能完成的任务。然而，由于传统的计算机模拟缺乏交互性，模拟情景是事先已经设定好并且难以修改，使得传统计算机模拟无法给使用者提供一种身临其境的感觉。虚拟现实技术的兴起，恰好弥补了这一不足。

所谓虚拟现实（Virtual Reality），简称VR，是20世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，与多媒体、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术[1]。它借助计算机技术生成一个逼真的三维世界，使用者以自己的视点为主，对虚拟世界中的物体进行浏览和交互[2]。

1.虚拟现实在教学应用的优势和特点

在物理学史上，视觉理解是一个很古老的话题。从古至今，人们几乎都是进行可视化思考，由此有人提出“直觉物理”来形容人对物质世界运行的直觉认知能力。正是人们在长期的学习过程中采用直觉的方式进行学习，使得许多抽象的物理知识和物理概念难以为学生正确掌握。虚拟现实技术的出现，为抽象的物理概念可视化提供了可能。

虚拟现实技术的实现，需要计算机硬件和软件的支持。硬件方面包括3D眼镜，头盔，手套，操纵杆等，这些工具都安装有传感器。软件方面则包括了3D动画、图像等相关软件。计算题通过硬件中的传感器将现实中的动作、受力情况传递到计算机中，然后软件通过这些信号进行图像的合成，模拟出现实场景，然后反馈到硬件中，让使用者感觉到身临其境。因此，Grigore Burdea与Phi1ippe Coiffet将虚拟现实技术的特点概括为三个方面，分别为：沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）[3]。

图1 虚拟现实的基本特征

虚拟现实技术在教育领域中应用，优势体现为两个：第一，虚拟现实技术强调身临其境、互动式、主人公式的模拟，有利于学生进行发现式学习，给学生提供了另一种新的途径来学习物理。第二，建构主义的学习理论强调学习者能对知识进行自我构建。虚拟现实的三大特点能充分调动起学生学习能动性，让学生模拟现实中不存在的角色、物体或完成难以进行的实验，从而完整对知识的主动学习，激发学习内动力。

2.虚拟现实在物理教学中应用的实证研究

國外虚拟现实技术起步较早，技术、理论与应用的研究都已经达到了一定的高度，尤其是在军事、医学、教育领域的应用都已经开始趋于成熟。80年代开始，虚拟现实就运用于教育之中，针对物理学科的运用则从90年代开始。1992年，马克·英格里伯格和洛宾·比得迪提合作创建了一个虚拟物理实验室，其目标是使它成为具有高度可操作性的实验环境，以便学生们能够在此进行基础物理研究。此后，更多的虚拟现实实验室被陆续建立起来：有德国的汉诺威大学的虚拟自动化实验室[4]，西班牙大学电子系的电子仪器虚拟工作平台[4]，意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室[4]。与一些发达国家相比，我国的VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家的高度重视。国内一些理论物理课程也开始进行相关平台的设计，例如刘建军、路彦锋对固体物理课程进行了虚拟现实可视化教学的研究[5]；尚作萍等也对理论力学实验教学进行了实验平台设计[6]。然而国内研究存在着不足，多数研究停留在系统平台的设计开发或者理论层面，并没有对技术的有效性进行实证研究。

1997年，Pieter Jan Stappers在荷兰代尔夫特理工大学进行的Non-Newtonian physics（非牛顿物理学）教学[7]，要求学生佩戴上头盔和手套进行不同的扔球实验，从而体会在牛顿力学和非牛顿力学的世界里，物体究竟是如何进行抛体运动的。香港城市大学与香港顺德联谊总会谭伯羽中学联合提出了一个方案，尝试利用VR技术，突破中学物理抽象概念的教学难点。这一方案为构建主义者的学习理论在中学物理教学实践中奠定基础[8]。与此同时，这篇文章还是国内第一次将虚拟现实技术运用在中学物理教学中。将虚拟现实技术运用在物理教学中，现阶段最有代表性的是华南师范大学周少娜博士在美国俄亥俄州立大学进行的利用虚拟现实进行物理概念转变教学的研究[9]。下面以该研究实例说明虚拟现实是如何突破物理抽象概念的教学难点，促进学生学习的。

3.美国俄亥俄州立大学的交互式虚拟实验介绍

对于物体在做圆周运动过程中的“向心力”概念，学生经常存在一种错误的观点：认为在缺乏外力的情况下，物体能够做曲线运动[9]。他们对圆周运动中力和运动的错误理解，一方面是认为力是物体维持运动的原因，另一方面是对速度矢量性缺乏正确理解。传统的课堂中，教师会通过演示实验让学生看到圆周运动的现象。学生只能看，却无法亲自感受到运动小球的受力情况，只能凭直觉水平上的个人经验来理解“向心力”的概念，从而导致以上错误理解的产生。为此，华南师范大学的周少娜博士利用虚拟现实技术，开发了一个交互式的虚拟现实工具（图2），并在美国俄亥俄州立大学进行了圆周运动向心力的物理概念转变教学研究。

图2 一学生正使用精密操纵杆来与虚拟现实系统进行交互[9]

这项研究中共有52名美国俄亥俄州立大学本科工程专业的学生作为研究对象。他们在实验进行的两周之前就学习了圆周运动的基本概念。这些学生被随机分成两组——VE（虚拟实验）组以及PS（解决问题）组。

VE组的学生是利用虚拟现实系统完成关于圆周运动的探究学习，配有一份实验指导手册。PS组的学生则按照传统方式，通过做圆周运动章节后的习题进行学习，配有一本教科书。两组学生学习过程都没有教师的现场指导，学习时间均为半小时。VE组的实验题目是要求学生给一个具有初速度的物体施加一个力，使它可以在一个半径为0.5米的白色虚线圆中运动，已知物体所在平面光滑，质量、初速度一定。

两组学生的学习活动都要共同经历三个阶段——前测、VE模拟/解决习题和后测[9]。（1）前测的目的是了解学生对在圆周运动背景下的有关力与运动的理解的基线水平。（2）第二阶段VE组学生开始进行模拟操作，而PS组学生完成三道从教科书中选出的物理题。解决問题环节的教学目标是让学生练习和进一步研究相关知识。通过对比传统学习模式与VE活动模式，就可以确定VE活动模式有效性是否会高于传统学习模式，是在何种程度上有所不同。（3）后测采用的题目情景与前测完全一样，从而直接比较学生在经历不同的教学方法前后的掌握情况。VE组还有额外的第四阶段，他们需要做一个评估调查，说出他们使用后的感受，来比较两种学习方法的优缺点。

通过对比前、后测的数据，结果表明：与解决问题模式相比，虚拟现实学习活动在帮助学生理解在圆周运动中力和运动的关系上更加有效[9]。VE组第四阶段评估调查显示，通过操纵杆的实际感受，让他们能够体会到小球在运动中的受力情况，加深了对“向心力”概念的理解，明白缺乏外力的情况下，物体不可能做曲线运动。这结果给予教师一个新视角，面对学生做了大量习题后仍不能转变错误概念这一困难提供了可能的解决途径。

图3 学生前测与后测的结果分析[9]

4.虚拟现实在物理教育应用中存在的问题

4.1适应性问题

以上实证的例子证明了虚拟现实在物理教学中起到一个促进的作用，然而并不是所有的物理课题都适合使用虚拟现实。一般是一些抽象的、现实中难以实现的知识更适合使用这一技术。因此，哪些课题适合使用虚拟现实进行教学，怎样运用该技术才能更好的辅助教学，是虚拟现实在物理教育领域里需要进一步研究的课题。

4.2 学习主体的认知机制上的问题

当学习主体沉浸在一个高分辨率，全景式的虚拟空间中时，学习主体很容易陷入虚拟空间中。这时人的认知机制将会受到了影响，并导致了不可低估的认知问题的出现。因为当一个人长期沉浸在一个虚拟的环境中，突然再回到现实中，容易导致他有种“落差”感觉[10]。我们无法估计这种感觉给人带来的心理的冲击的程度，这种冲击可能会对学生学习带来负面影响。为此教师在使用虚拟现实进行教学的时候，需要密切关注学生使用后的心理变化。

结语

通过利用虚拟现实可以帮助突破物理课堂中的一些教学难点，使得学生对一些抽象概念有更深刻的理解。同时虚拟现实的交互性促进了学生认知结构的形成于发展，改变了传统课堂教学上一味用解决问题式或灌输式的教学模式，调动了学生的学习兴趣，培养了学生的探究能力，明显地提高了物理课堂效率。总之，随着信息技术的进一步发展，相信虚拟现实在物理教学中会发挥更大的辅助作用。

参考文献：

[1]王健美，张旭，王勇，赵蕴华.美国虚拟现实技术发展现状、政策及对我国的启示[J].科技管理研究，2010[14]：37-40

[2]维基百科-虚拟现实[EB/OL]. http：//zh.wikipedia.org/wiki/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E7%8E%B0%E5%AE%9E，2012-02-06

[3]Burdea G & Coiffet P. Virtual Reality Technology，JOHN WILEY & SONS，Inc，A Wiley-Interscience Publication，1994

[4]刘振华.虚拟现实技术在教育领域的应用研究[J]. 滨州职业学院学报， 2006[8]： 38-41

[5]刘建军，路彦锋. 《固体物理》课程虚拟现实可视化教学的研究与实践[J].淮北煤炭师范学院学报（自然科学版），2010[12]：91-93

[6]尚作萍，杜成斌，张宏兵，陆晓敏，严湘赣.虚拟现实技术在理论力学实验教学中的应用[J].实验技术与管理， 2007[10]： 297-299

[7]Pieter Jan Stappers，Experiencing non-Newtonian physics in VR[J].Virtual Reality in Education & Training，1997[6]：173-179

[8]Bruce Ma， Peter Mak.Using Virtual Reality In Teaching Secondary School Physics[J].http：//www.brucema.com

[9]Shaona Zhou，Jing Han，Nathaniel Pelz，Xiaojun Wang，Liangyu Peng，Hua Xiao and Lei Bao.Inquiry style interactive virtual experiments： a case on circular motion[J]. EUROPEAN JOURNAL OF PHYSICS，2011[32]：1597–1606

[10]徐辉，马秀峰.虚拟现实教育应用探析[J].山西师范大学学报（自然科学版），2010[24]：95-97