基于VR技术在初中物理教学中的应用

李志亮

【摘要】虚拟现实技术（Virtual Reality），下文简称VR技术，囊括计算机、电子信息、仿真技术，其基本实现方式是用计算机模拟虚拟环境给人以环境沉浸感的体验。学生能够参与场景互动，通过计算机在电脑屏幕上用三维空间的视觉把事物清楚地表达出来，增加信息表达的可视化效果。初中物理是研究物质运动的一般规律和物质基本结构的学科，教师在教学过程中呈现实验可视化程度较弱，或者实验危险性高，可以利用虚拟现实技术助力物理教学。笔者以《光的反射》为例，利用VR技术的独特优势，研究如何提升初中物理教学效果。实践证明：运用虚拟现实技术可以有效激发学生的学习动机、培养科学思维，使学生更好地了解实验现象与抽象原理之间的关系，符合物理学科核心素养的培养要求。

【关键词】初中物理;虚拟现实技术;光的反射;信息可视化;核心素养

一、课题研究的背景

VR技术利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉等感官的模拟，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比有了很大的突破。VR技术与希沃白板结合使用，支持软件热区和硬件快捷键，方便拖动、放大等操作，方便使用者的不同使用要求。

初中物理光学内容是八年级物理的重点，以往教师引导学生研究光的反射定律的时候，为了增加可视化效果，通常需要关闭窗户、日照灯和拉闭窗帘营造黑暗环境。而最新研究表明，新型冠状病毒以及普通流感都能够通过呼吸道飞沫传播和接触传播。若患者打喷嚏、咳嗽、说话的飞沫混合在空气中，形成气溶胶，可导致该病毒持续传播，因此，开窗通风能有效降低室内细菌数量，从而降低传播风险。

二、教学问题及研究意义

笔者在进行光的反射实验中，发现光照强度影响演示实验效果。让一束光从空气（让加湿器把水喷洒到空气中）斜入射到玻璃砖（图1），在分界面分别发生反射和折射现象。由于大班授课空间距离的局限性，实验室后排的学生可视化程度较弱。要使后排学生能清晰观察到实验，方法一：通常需要关闭窗户、日照灯和拉开窗帘，而在疫情防控期间，封闭窗户明显不利于室内外空气对流;方法二：通过增加激光强度，虽然可以提高后排学生观看演示实验的清晰度，但是容易使坐在前排的学生视力受损。

再者，在探究光的发射定律的实验（图2），较难说明反射光线、入射光线和法线在同一平面。其原因是，如果用方法一：用线光源入射，由于光线没有厚度，很难让这条光线落在纸板所在的入射平面上，较难研究三线共面。方法二：用面光源代替线光源入射（图3），其好处是能直接让光落在纸板上，当纸板NOF向后折叠的时候，的确纸板上没有反射光线（图4），但是如果当把纸板向前折叠，发现纸板上仍然能够看到反射光线，显然这种做法有其缺点。

三、理论依据和基础设备

物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的要素构成。科学思维的形成包括信息的输入、内化和输出三个阶段，要形成好的科学思维，需要提供多种信息输入模式，提高学习效果。当学生主动操作，也使学生的主体意识、主动性和创造性不断发展，进而培养学生的创新意识和实践能力。

本课题虚拟现实技术，基于Zspace环境进行。Zspace的基本硬件产品（图5）有：

1.显示器：24英寸高清显示器采用Zspace头部跟踪立体显示技术，可以通过调整Zspace支架的角度来调整视角舒适度。

2.Zspace眼镜：Zspace使用需要佩戴3D眼镜，这样才可以看到立体效果，此眼镜含反光点，跟踪摄像头用这些反光点来识别头部位置。Zspace还配备有不带反光点的2D眼镜，观察者可以佩戴这种眼镜，而不会干扰跟踪。

3.Zspace触笔和鼠标：使用触笔按键可以与场景中的对象交互。可以让使用者在六个自由度轻松使用，使用者可以用觸笔进行六个自由度交互，而鼠标的使用和普通计算机的鼠标并没有差别。

四、教学实操

反射定律各个基本概念的确立：一根光线沿AO入射到平面镜（图6），记录反射光线OB，为了更好地研究反射光线和入射光线之间的关系，过O点作平面镜的垂线定义为法线。研究过程发现法线是入射光线与反射光线的角平分线，因此，法线是两光线的对称轴。其次，学生通过阅读教材，分别标注反射定律中的各个概念;最后，改变入射角的度数，测量出反射角的大小，记录在学案上，在特殊情况下，当入射光线垂直于镜面入射的时候，反射光线于入射光线重合，测量出反射角的大小，进而把反射角和入射角的大小关系记录在实验纸上得出结论。

利用VR技术，用3D的方式再现学生实验：首先，请一位学生佩戴3D眼镜打开Studio中的光的反射课程（图7），可以直接移动激光笔生成3D图像，通过用激光笔移动入射光线（设置每次入射光线的颜色不同），形成不同反射光线，进而学生能在电脑屏幕观察到不同颜色的入射光线对应形成的反射光线。当入射光线垂直入射的时候，反射光线与入射光线重合，入射角和反射角都为零度。

VR技术，研究三线共面：由于空间两条相交的直线必定在同一平面，也就是说反射光线和入射光线必定在同一平面上，教学难点在于展示包括法线在内的三条线是否在同一平面。学生通过运用激光笔，操作电脑折叠纸张（图8），或者改变入射角度，都能在三维空间看出反射光线，入射光线，法线在同一平面。运用VR技术，能够清晰展示了三线共面的3D效果，课室的不同角度都能看清。

演示漫反射和镜面反射的原理：首先，提问学生为什么有的课室的黑板会出现“反光”现象？把反光的位置放大会观察到什么现象？接着，先用激光笔操作电脑把正常位置和发生“反光”的位置放大，会发现正常位置表面粗糙，出现“反光”现象的位置平面比较光滑。让学生先在学案上用三条相互平行的光线分别入射到光滑的面和凹凸不平的面，会发现经光滑面反射后的光线仍是平行的，入射到凹凸不平的表面，反射光线向四面八方。通过实验和VR技术的展示，引出镜面反射和漫反射的定义。0E6F6336-EAFB-4110-A30E-E848D2C094AD

五、效果分析

笔者分别用A、B两组学生进行对照实验，对VR技术的教学效果进行评估。对照组只是运用传统实验的方法，实验组运用实验和VR技术辅助教学的方法，授课后分别对两组学生进行课后习题小测并且对实验组60名学生进行问卷调查和一对一交流，根据习题小测的数据和谈话内容进行分析。

课后小测共10道选择题，其中节选第二题如下：小洋进行“探究光的反射定律”实验（图9），步骤如下：①把白纸放在水平桌面上;②在白纸上画一条直线;③将平面镜的一侧与直线重合，并垂直压在纸而上;④让红、绿、蓝三束不同颜色的激光射向平面镜的同一点O，如图甲所示，其中蓝色激光垂直平面镜入射;⑤在白纸上用笔描绘出光路。记录的结果如图乙所示。下列说法正确的是（    ）

A.在图乙中，反射光线A的颜色是绿色

B.红光与平面镜的夹角θ=26°，则这一束光线的反射光线形成的反射角大小为26°

C.小洋没有找到蓝光的反射光束，他认为当光垂直平面镜入射时，不存在反射光

D.小洋用激光沿着BO方向入射，反射光线与绿色光束重合

从表1分析，运用VR技术辅助教学正确率较高。据考生回忆及观察学生的答题情况，笔者发现只是运用实验授课的学生，虽然看过书本对角度的定义，但是很自然地认为平面镜与入射光线的夹角为入射角，对入射角的概念理解不深刻。而运用VR技术实验组的学生对入射角概念印象深刻，实验组的学生认为课堂上用立体空间的视角演示入射光线与法线的夹角为入射角现象具体，法线虽然是辅助线，但是其引入可以更好帮助研究入射光线和反射光线的关系，而且电脑显示从不同角度入射的光线是不同颜色的，对应生成的反射光线也是不同颜色，由此可以说明运用VR技术视觉效果好。

一方面，学科核心素养要求教师培养学生在真实情境下解决问题的能力，更好的信息输入是解决问题必要条件。具体来讲，看书了解实验不如视频观看实验，视频观看实验不如亲手做实验，除非是危险性极高的实验不做，其它一般实验都要让学生有亲身经历过程，学生才会有所体会。另外一方面，能提供给学习者越多信息的输入方式，其对信息的理解就会越深刻。眼睛看、耳朵听、嘴巴说、动手做可以加深印象;线段用不同的颜色，不同的粗细等等可以显示不同的重要性，VR技术可以通过电脑增加演示的方式，提升学习效果。

课后对运用VR技术进行授课的实验组学生进行了问卷调查（表2），该问卷调查一共三道题，为常规问答分为：非常好、好、一般、差四个等级。其中第四题为开放性问题，调查结果如下表所示。

首先有96%的学生认为VR技术显示效果清晰，并且在课堂上可以与设备进行互动喜欢这种参与方式;其次有93%的学生认为自己能够通过动态图像从不同角度了解光路的传播路径，并且能了解光的反射定律。96%的学生认为利用VR技术可以了解到生活中的反射现象发非常有趣。部分学生提出了一些开放性问题，例如，可以把VR技术的演示实验换成学生实验，让更多的学生能参与其中，部分学生认为课件可以更加多元化，不仅仅展示光路和角度，而且可以把生活中有关光的反射的现象加入其中，让大家在场景中了解光的反射定律的生活现象。

六、结语

基于VR技术成像的信息可视化效果好，让用户以直观交互的方式实现对数据的观察和浏览，从而发现数据中隐藏的特征、关系和模式。笔者通过《光的反射》这一教学案例研究发现，如果教学过程中只是做學生实验，大部分学生是能通过实验知道光的反射定律，但是由于部分学生实验效果不明显，导致实验过程覆盖面不广，学生只是做到机械记忆。

如果将VR技术辅助于物理教学，学生能够从三维度方向观察到实验效果，有效提升初中物理教学效果。《光的反射》只是VR技术的个案，其可视化效果可以应用于很多教学案例。比如，人教版九年级第十四章热机，教师可以运用VR技术清晰展示热机内部结构及运行过程。因此，运用VR技术对初中物理教学优势明显，一方面弥补传统演示实验教学的可视化效果差，另一方面使教学手段多样化，激发学生兴趣、提高学生参与课堂的程度、助力科学思维的培养。

由于教育硬件的投入和普及需要教育相关部门的支持，而优秀师资的培训需要时间教学的课程内容与编程内容需要整合和优化。因此，一定程度阻碍了VR技术的发展。但是VR技术有其独特的优势，相信随着技术的迭代和完善，在相关部门的努力下，VR技术能够发挥其多元化、自主化和探究化的优点，使初中物理教学能够多样化发展，助力物理学科核心素养的形成。

[本文系广东省中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0专项科研课题“VR技术在初中理化生微观实验教学中的应用与突破”（课题立项号：TSGCKT202009）的研究成果]

参考文献：

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[4]杨彦波，刘滨，祁明月.信息可视化研究综述[J].河北科技大学学报，2014，35（1）：91-102.

责任编辑  杨  杰0E6F6336-EAFB-4110-A30E-E848D2C094AD