基于VR 技术物理实验教学策略分析

孙春艳

（安庆师范大学数理学院，安徽 安庆246133）

0 引言

物理实验在物理课程中占比较高。随着教育规模的逐渐扩大，其教学对于物理实验设备、实验环境等要求不断提高，因此，传统实验教学模式已不适应于当前教学现实，并在一定程度上影响着物理教学的发展。而VR 技术的出现则有效的弥补了物理实验传统教学的不足，进一步提高其教学质量。所以需要深入研究VR 技术与物理实验教学的融合，并探索出推动物理实验教学发展的实践路径。

1 VR 技术

1．1 内涵

VR 技术是指Virtual Reality，中文翻译为虚拟现实，二十世纪以来，该技术是一种全新的实用技术，主要是指在计算机技术、人机接口技术、仿真技术等技术的综合的基础上建立的高新技术，通过在多维空间中建立一个虚拟环境，让用户亲自参与其中，并同环境进行良好的交互。

1.2 特点

在物理实验教学中，VR 技术方面的应用具有三个典型特征，其一是沉浸式，即通过构建一个仿真的虚拟世界，让人们看到、听到其中所发生的一切，这一真实性能够让人们全方位沉浸在这一虚拟世界中。其二是交互性，主要通过多种传感器，与多位化信息的环境进行交互作用，实现环境的开放性，从而对使用者的输出作出响应。其三是构想性，VR 技术是基于物理实验特点以及教学实际而涉及构建的虚拟世界，学生可以从定性、定量等方面集成物理实验环境中获得感性和理性的认知，从而提高其对物理实验内容的理解和掌握。

2 VR 技术与物理实验教学融合

2．1 VR+教育理论

VR 技术具有沉浸性、想象性、具象化等特正，将其应用于物理实验教学，能够为学生提供多个维度的沉浸、交互和认知，进而增强其学习体验、提高其学习效率。

（1）建构主义理论。构建主义理论认为知识的构建主要来源于实际生活的体验，唯有在实际情境中，知识才能真正被了解、认识，而教学活动则是为学习者创设学习情境，促使其在学习的体验中认识和理解知识。基于VR 技术的沉浸性、想象性等特征同构建主义所强调的情景式教学完美契合，结合物理实验教学，还原现实生活，让学生身临其境的去认知理解新知识，从而构建自我的知识体系。

（2）具身认知理论。该理论认为人类的认知不仅仅由大脑控制，还由自身对外界的感知得到。其一，影响人类认知过程的重要因素之一是身体对外界环境的感受，人类的大脑除控制身体之外，还受到了身体感受的影响；其二，知识的获取需要一定环境，人们的身体在与周遭环境进行信息交流的同时，身体的各部分感官也在发出同样的信号并相互融合，形成整体感受，这一感受将直接影响人的认知过程，因此，认知、身体和环境实际上是一个动态的统一体。而VR 技术能够推动这一有机体的融合发展。

（3）“做中学”理论。传统的教学方法以教师口授的方式，往往只重视知识教育。学生的学习是机械被动的，忽略了创新思维的培养。杜威在“做中学”理论中强调，学习是行动副产品，教师可以从营造“做”的环境的方法来引导学生思考以此获取知识，这一教学理论为VR 技术在物理实验教学中的应用提供了坚实的理论基础。借助VR 技术，营造了逼真的实验环境，让学生在这一环境中动手实践，掌握实验原理和方法，进而形成自己的知识体系，同时还激发了学生的学习兴趣并提高了学习效率。

2.2 优势与特征

（1）拓展实验教学的内容和空间。VR 技术应用于物理实验教学，可以从内容和空间两个方面提高其实效性。其一，VR 技术搭建的虚拟实验平台，可以完成传统教学实验中难以完成的一些危险性实验或成本较高的实验，解决了实验设备及仪器不足等问题；其二，传统物理实验教学大多局限在一维的物理空间，而VR 技术则可以拓展为物理实验空间和虚拟空间相融合的二维空间，在此环境中教师无须移动实验设备且能够灵活组织教学，从而提高教学效率。

（2）借助虚拟现实技术创设仿真情境。VR 技术能够借助多种技术创设仿真情景，将学生迅速殆尽学习氛围中，进而产生沉浸感，将因此若在物理实验教学中运用VR 技术，那么学生就能够在仿真情境中亲自体验和探究知识的基本概念与获取方式，从而较容易掌握实验内容与结论，进而深化探究，为真实的实验累积经验。同时，学生也可以从实践过程中发现一些无法预料到的问题，并不断改进，这样既能够巩固其对知识的掌握，还能够培养独立探究和创新思维。

（3）降低试错成本，提升教学效率。在VR 技术基础上搭建的方针实验平台能够降低物理实验中的是错成本，让学生大胆尝试，体验生活中难以实现的情境，帮助学生寻找到理论知识同具体实践之间的差别与联系，从而更好都掌握物理实验原理和内容。同时，这一仿真实验平台的智能搜索等功能还能够及时解决学生在实验中遇到的困难，提高其实验效率。

3 VR 技术在物理教学中的应用实例

物理实验教学是一门操作性很强的课程，纯粹靠课本上的文字以及教师口授是无法真正理解教学知识、把握其中核心内容，因而无法达到其预期的教学效果，而VR 技术的出现能够有效弥补这一不足，接下来将着重讨论在实验教学中的具体应用。

3.1 VR 技术在演示实验中的应用

演示实验是在理论教学中最常用的方法，一般对于教具的要求较高，但是对于复杂的实验和理论知识，传统教学只能通过口授教学方法，很难描述清楚。但目前可以借用VR 技术，制作教学仿真课件，以立体、真实的漫游画面展现环境、场景以及目标物，只需鼠标和键盘操控，让学生身临其境完成知识的理解和掌握。比如，在机械加工的屏幕仿真教学课件中，学生可以激活模拟物吊车，并控制吊车进行移动，同时将重力、惯性等力学算法输入物品中，其运动轨迹同现实生活中移动情况完全相同，学生可以在用鼠标控制调查观察其变化，从而掌握这一知识点。

3.2 VR 技术在测量实验的应用

测量类实验室物理实验中常见的实验类型，其目的在于检测学生能否灵活操作实验器材，而这些测量实验复杂程度参差不齐，若果学生无法亲身试验，将无法熟练掌握这一操作技术，在实际教学中，因物理实验教学仪器有限，在一节物理实验教学中，教师无法确保每一位学生都亲身参与物理实验，而借助VR技术能够有效辅助物理实验教学，构建出相对应的虚拟实验系统，为物理实验教学提供各种仪器模型，且其参数通真是物品相一致，这能够最大限度地确保学生在进行模拟实验时的安全性以及准确性。

3.3 VR 技术在探究实验的应用

探究性实验也是物理实验教学中的重要实验类型，这一实验类型以“问题”为导向，指导学生通过分析、观察、探索物理实验内容，最终得出物理结论，通过这一实验，能够帮助学生找到物理知识的本质，进一步加强学生观察物理知识和探究物理理论的能力，提高其科学素养，但此类实验易受外界因素的影响，而借助VR 技术能够弥补这一不足。如，“凸透镜成像规律”实验中，教师在上课前先通过大屏幕为学生导入相关知识内容，随后向学生提出探究问题，即“凸透镜和物体之间的距离是否会影响凸透镜成像结果”。随后让学生自由思考，并提出自己的猜想，随后教师可以引导学生利用VR 技术完成实验，来验证个人猜想，并得出真实结论。这样一来，学生可以通过真实的实验情景来逐步提高自身观察能力，丰富其物理学习效果。

4 加强VR 技术在物理实验教学中的实践策略

4．1 搭建教学环境平台

加快VR 技术在物理实验教学中的应用首先应当搭建教学环境平台。首先，加强管理模块建设，一方面应当加强对申请注册、权限设置、咨询服务等平台系统的管理；另一方面应当加强对师生基本信息、课程设置、学习情况等内容的管理，确保教学活动的顺利展开，并未学生提供便捷的服务。其次，应当加强虚拟教学资源库的建设，包括虚拟素材、电子教学案例等等，满足教学需求，提高教学效果。此外，教学效果的好坏需要相应的教学评价进行评判，唯有建立适当的评价方式，才能不断提高教师教学质量，因此，要不断优化平台的智能评价系统，统一评价标准、丰富评价指标，为教师教学提供更加科学的指导。

4.2 实现情境化教学

理论知识的学习过于单调和乏味，而借助情景式来构建知识能够产生良好的效果，在物理实验中，如果学习者能够通过特定的场景来构建知识结果，那么将能够起到意想不到的效果，因此，教师应当借助VR技术来建立仿真的实验情境，形成逼真的立体效果，进而使学生沉浸于此，自主建立知识结构。例如在物理实验中，教师可以建立虚拟化学习实验操作场景，让学生在该场景中了解各种实验一起的操作、材料的使用以及实验步骤、安全隐患等等，帮助学生更好地了解物理实验室，进而提高其实验效率。

4.3 加快促进技术的发展

VR 技术的发展需要多方力量的推动，因此，政府、学校、行业应当共同携手促进技术的发展。首先，应当充分发挥其政府宏观调控的作用。一方面政府应当立足于实际，并结合市场发展需求制定VR 技术行业发展标准，进一步规范其产品生产，解决当前各种VR 产品关键技术、仪器间不能对接、无法批量化生产等问题，进一步推动VR 产品的生产发展；另一方面，政府应当尽快出台相关政策，从税收减免、资金补贴等方式为产业的发展提供有力的政策保证，推动行业全力研发VR 产业核心技术，推动其在教学领域的应用。其次，加快企业的研发进度。一方面，企业应当加快VR 技术的研发，不断提高视觉传感、触觉反馈等关键性技术； 另一方面企业还应当加强VR 技术同教育领域的融合发展，继续优化当前VR 产品，加快研发速度，为物理实验教学提供更优质的教学设备。

4.4 深入拓展教学应用

VR 技术在营造教学环境、 提高教学效率等方面有着积极的作用，因此，未来应当继续拓展VR 研究教学，提高教学实效。首先，教学创新和教学改革离不开参考案例的分析，要想将VR 技术成功应用于物理实验教学，就应当加强研究分析，形成完整的教学模式和基本理论。此外，虚拟时间教学过程较为复杂，要想将这一技术成功应用于教育领域，真正将其变成现实，这与教育者有着莫大关系。教师是教育的主导者，其应当以教学实际和学生需求为基础，针对VR 技术教学展开教学理论的探究，创建详细有效的学习理论模型，设计出相应的课程教学内容以及监督和评价机制，完善教学过程，进一步提高教学效率。

5 结语

为了提高教学效果，本论文提出了VR 技术融合到传统物理实验教学中，分别从VR 技术原理、VR 技术与物理实验教学融合、VR 技术在物理教学中的应用实例、加强VR 技术在物理实验教学中的实践策略等方面进行了深入讨论，此技术在物理实验教学中的运用，增强了学生的学习兴趣以及创新思维，为物理教学提供了新的思路。