新工科背景下虚拟现实技术在大学物理教学中的应用

张振清

摘要：提出新工科背景下虚拟现实技术优化大学物理教学的总体方法和思路：一是充分利用虚拟现实技术推动大学物理教学改革，优化大学物理教学的内容和方法;二是改善虚拟仪器和元器件设计，改善虚拟现实教学环境;三是以虚拟现实技术优化物理教学，提升大学物理教学效果;四是整合虚拟现实教学资源，促进物理教学资源共享.

关键词：新工科;虚拟现实技术;大学物理教学

[中图分类号]O4-3[文献标志码]A

Research on the Application of Virtual Reality Technology

in College Physics Teaching under the

Background of New Engineering

ZHANG Zhenqing a，b

（Railway Police College  a.Department of Criminal Science and technology; b.Zhengzhou Key

Laboratory of Criminal Science and Technology，Zhengzhou 450053，China）

Abstract：The general method and idea of virtual reality technology to optimize college physics teaching are put forward under the background of new engineering.Make full use of virtual reality technology to promote the reform of college physics teaching and optimize the contents and methods of college physics teaching.Improve the design of virtual instruments and components，and improve the virtual reality teaching environment.Optimize physics teaching with virtual reality technology and improve the effect of college physics teaching. Integrate virtual reality teaching resources and promote the sharing of physics teaching resources.

Key words：new engineering course;virtual reality technology;college physics teaching

2017年，教育部提出加強高校新工科建设，2020年教育部提出建设未来技术学院的发展规划，为新工科建设提出了崭新的发展方向.[1-4]新工科以产业需要为导向设置专业，以技术发展为目标调整教学内容，以学生为目标创新教学方式，颠覆了传统的大学物理教学模式.虚拟现实技术是网络化、智能化时代的新技术，从新工科视角看，虚拟现实技术优化了大学物理教学理念、方法和模式，提升了大学物理教学的智能化、网络化水平，将虚拟现实技术用于大学物理教学，能够推动大学物理教学改革.本文从新工科教育背景出发，考察虚拟现实技术在大学物理教学中的应用.

1虚拟现实技术对大学物理教学的重要意义虚拟现实技术不仅改变了人们的工作、生活和实践方式，也对人们的思维方式和学习方式产生了较大影响.新工科是在智能化、数字化、万物互联等新技术不断涌现的时代背景下产生的工科教育新理念，也是推动高校工科教学改革的指导思想，从新工科背景探讨虚拟现实技术对大学物理教学的影响有重要意义.

1.1虚拟现实技术顺应新工科教育理念要求

虚拟现实技术大大提高了人们的实践认知，提高了人们的主观能动性，是推动新工科教学改革的重要工具.人类历史上每次重大技术变革，都是人们对社会认知的又一个新高度，如蒸汽机革命、内燃机和电力革命、计算机革命等都深刻改变了人类的思维范式、生存方式.从总体上看，科技革命对人类社会的冲击是多方位的，不仅是对生产能力、社会关系、社会结构等产生较大冲击，同时也对人类的价值观念、教育理念、认知方式等产生较大冲击.在量子计算、万物互联、5G、人工智能等蓬勃发展的新一轮信息技术革命背景下，高校工科教育也面临巨大挑战，在这种背景下教育部提出了新工科教育理念，形成了以“复旦共识”“北京指南”“天大行动”等为主的新工科建设思路，为大学物理教学改革提供了崭新的思想指导.虚拟现实技术，顾名思义就是营造出一个虚拟的场景，工作人员在这个场景中进行感受和实践创作.虚拟现实技术可以使人们从多维度去认识新生事物，可以超时空去感知不同的领域，增加人们认识的深和广度，通过虚拟交流，认识更多的特殊群体或环境.

1.2虚拟现实技术推动大学物理教学改革

虚拟现实技术能促进大学物理教学改革，推动物理教学内容、方式创新，提高大学物理教学的生动性、趣味性和有效性.[5]当今社会是一个终身学习的互联网时代，在这种教育环境中虚拟现实、人工智能等新技术被广泛用于教学活动中，成为推动教育教学改革的重要动力.物理学科作为一门传统学科，物理知识学习、物理实验操作等与虚拟现实技术相结合，能够大大降低大学物理教学的难度，提高大学物理教学的形象性、简洁性、通俗性;可以将抽象难懂、无法演示的物理理论或实验转化为生动形象的图像、视频等，降低学生的物理学习难度.学生可以通过虚拟实践增加更多体验，提高个人的专业知识和实践能力.

1.3虚实结合能培养学生科学实证思维能力

大学物理教学对虚拟现实技术的广泛运用，让学生有更多机会去体验现实环境，有助于培养学生的思维创新能力、逻辑实证思维.[6]创新源于实践又高于实践，最终还要回归到实践中去.物理学科作为一门基础学科，以总结物理规律、发现真理定理、开展物理实验为重要内容.大学物理是实践性、实验性和理论性等都比较强的学科，大学物理教学的许多观点、理论等都需要实验证明，需要实践来检验.[7]虚拟现实技术在一定程度上还原了真实的物理实验、物理规律和物理理论，这些对于提高物理教学的严谨性和规范性具有重要意义.比如一个物理命题的提出，要论证它的前提就是要运用假想思维，根据假设将这个物理命题建设成为一个模型，虚拟的也好，实际的也行，目的就是要论证其真假.虚拟现实技术比实际建设场景更加智能化便捷化，在某种程度上体现出现实的实际状况.

2虚拟现实技术在大学物理教学中的应用现状新工科思维是在人工智能、新能源、量子计算、新材料等新技术蓬勃发展的时代背景下提出的高校工科教学新理念，顺应了产业升级和新经济发展的要求.从新工科教育理念看，虚拟现实技术在大学物理教学中仍存在许多问题，如虚拟现实设备短缺、教学方法缺乏针对性等，这些直接影响虚拟现实技术在大学物理教学中应用.

2.1虚拟仪器和元器件品类不够齐全

工科院校虚拟现实教学设备匮乏直接影响虚拟现实技术在物理教学中的应用.部分高校的虚拟仪器、元器件等远远不能满足实验教学的需要，物理教师需要在基础实验环境搭建上花费更大的精力.物理实验的目的是根据可行性实验方案进行操作，完成仪器、元器件等配件的连接和启动，以达到某种物理实验目标.[8-9]虚拟实验的目的和真实实验场景一致，首先利用虚拟現实技术呈现实验操控过程，然后进行数据提取，最后归纳、总结、论证.在物理实验中，仪器和元器件必不可少，如果虚拟元器件能够迅速提取并能满足实验的各种需求，那将为实验教学节省大量的时间和财力.

2.2教师对虚拟现实教学应用较少

部分教师虚拟现实技术掌握的不够好，不能很好地将虚拟现实技术用于物理教学之中.教师对虚拟现实技术、大数据技术等不甚了解，不能用虚拟现实技术解决物理教学问题，不能根据学生的特点或者物理问题的多变性给出更精确的回答或者建议.部分教师不会使用SGI高端图形工作站等高端设备，不能充分发挥虚拟现实技术的物理教学功能.虚拟现实技术可以用三维动画、虚拟场景等方式呈现抽象的物理规律、物理现象，带给学生强烈的沉浸感，但是许多物理老师不会用虚拟现实技术制作课件，这些都影响着虚拟现实技术在物理教学中的应用.

2.3虚拟现实教学资源共享程度不够

部分高校教学资源共享平台建设滞后，高校之间的教学资源共享不充分，优质物理教学资源不能在高校之间共享.开展大学物理教学时，教师往往需要制作物理课件，设计物理实验，应用虚拟现实技术设计物理课件或实验，这些直接影响了虚拟现实技术在大学物理教学中的应用.虚拟现实技术除能够促进物理教学资源共享、提高物理教学的体验性和沉浸感，在虚拟场景中，人机互动、彼此交流，不仅让学生有极大的学习兴趣，还能提高协作交流的能力.当学生带着激情参与体验和交流的时候，学习效率非常高，学生的求知欲也会增加，最终在娱乐中学习.

3虚拟现实技术优化大学物理教学的方法与思路新工科以产业需要为导向设置专业，以技术发展为目标调整教学内容，以学生为目标创新教学方式，以高校为主体推动改革，以资源融合为方式建构教育生态.[10]新工科思想为大学物理教学提供了崭新的教学理念，也为虚拟现实技术在大学物理教学中的应用提供了指导，为此，应当以新工科思想指导虚拟现实技术在物理教学中的应用，推动大学物理教学理念和模式创新.[11-12]

3.1改善虚拟仪器和元器件设计，改善虚拟现实教学环境虚拟现实教学是以虚拟实验平台、虚拟现实教室等为基本前提，只有改善学校的虚拟现实教学硬软件设施，才能有效推动虚拟现实技术在物理教学中的应用.学校应当加强对虚拟现实教学资源的投入，购置虚拟现实教学设备，建设虚拟现实实验平台;应购置虚拟元器件、虚拟仪器等，改善大学物理教学的虚拟教学条件;应优化虚拟教学设备的使用方式（比如虚拟元器件不被固定在单个项目或者某台机器上，可以随时安装、卸载和更新，在多个终端上进行操作与灵活运用）;应将功能特点完全不同的模块以组件的形式设置，当需要它们组合在一起完成某项测试时，可以随时调用，如果测试要求变化时，又可以根据变化调整元器件进入操作;以组件形式组合成虚拟仪器，根据功能划分为多种模块，提高虚拟设置的利用率.

3.2以虚拟现实技术优化物理教学，提升大学物理教学效果一是提高教师对虚拟教学设备的使用能力.虚拟现实技术能从不同的维度、不同的层次、不同的空间来解决不同的问题，它需要多方面的技术支持、终端的理解操作、数据库的更新整理、问题的分析运用.所以，在大学物理教学中，应当针对学生的物理基础、学习能力和个性特点，开展虚拟现实教学.二是利用“虚拟导师”开展教学和辅导.利用大数据、智能语音、虚拟现实等技术设计“虚拟导师”（数据智能语音），让“虚拟导师”与学生进行简单的学习交流，帮助学生解决物理学习中的问题;根据学生提出的问题不断升级“虚拟导师”，提高虚拟现实技术在大学物理教学中的应用范围;利用“虚拟导师”跟踪学生的实验过程，并及时解决学生的实验问题.三是充分利用虚拟现实技术开展物理实验，展现物理规律，提高大学物理教学的生动性和体验感.在物理教学中，熵、量子通讯、复杂系统等物理知识较为抽象，无法以传统的教学方式演示或讲解，在这种情况下教师可以利用虚拟现实技术呈现相关的物理现象、物理规律等，帮助学生更加直观生动地理解物理知识.

3.3整合虚拟现实教学资源，促进物理教学资源共享整合虚拟现实教学资源，建立工科院校共享的虚拟现实教学平台，推动虚拟现实教学资源共享，促进虚拟现实技术软件和硬件的有机结合，推动虚拟现实教学设备的标准化和规范化建设;向学生开放虚拟现实教学资源，鼓励学生利用虚拟现实技术进行物理学习协作、物理实验操作，使大学物理教学能够突破时空限制.

虚拟现实技术不仅仅是一种工具存在，更是改变人们生活方式、物质文明、精神文明的核心技术和存在，具有超时空、超感知、超现实的特点.虚拟现实技术打破了人们的思维惯性，让人们的认识发生了革命性的转变，在新工科教育背景下，应当充分利用虚拟现实技术推动大学物理教学改革，优化大学物理教学的内容和方法.

参考文献

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编辑：吴楠