教学的沉浸式体验

陆峰

【摘要】随着“义务教育物理课程标准（2022年版）”的发布，也提出了对初中物理课堂教学创新的新目标.初中物理实验教学中的软件也在不断地更替升级，让学生从相对孤立的人工背景向虚拟仿真的情境进行转变，从而能够获得多感官的刺激，加深物理概念的理解，提升核心素养.根据相关数据显示，视觉信息认知比重超过人类认知总和的八成，并且对于人们的记忆持久度也是最深远的.现今在课堂中使用的VR技术，可视化效果明显，在教学过程中也能让学生获得沉浸式的体验，实现物理知识中的重难点突破.通过“VR实验室”在课堂中的应用，激发学生学习物理的兴趣，增加学生参与度，让信息化教育资源真正地为课堂教学所用.

【关键词】VR技术；初中物理教学；探究式学习；5G网络；应用研究

VR技术是指虚拟现实技术，它是一种模拟真实环境的计算机技术，通过使用计算机图形学，人机交互，传感器等技术，将用户带入虚拟世界中，让用户感受到身临其境的体验.VR技术通常需要使用头戴式显示器，手柄，传感器等设备，用户可以通过这些设备与虚拟环境进行交互.随着我国在信息化教育发展的不断推进，VR技术也让物理教师在课堂教学手段上有了更多的选择空间，尤其是在物理实验教学上的应用，让学生获得沉浸式的体验，更是一种对传统授课方式的颠覆.

VR技术能够更好地展现物理的本质和内涵，也能解决传统课堂难以实现的问题，比如物理中抽象知识的概念建立，难以清晰观察的物理现象，操作复杂或具有危险性的物理实验等，VR技术可以通过模拟场景的建立，屏幕的放大缩小，视角的空间变化，时间轴的前后移动和播放快慢的调整得以实现.这样的新型教学多媒体课件资源，丰富了学生对于物理情境的感性认知，也深化了学生对于物理科学规律的理解，对于教学效果的提升，激发学生的学习兴趣，活跃物理教学的课堂氛围都有实际的意义.

1 VR技术在初中物理教学中的应用价值

1.1 帮助学生理解教学中的重难点

1.1.1 以学习“光的反射”相关知识为例

根据课标要求，“探究并了解光的反射定律.”在传统实验中，我们是以白色硬纸板来呈现光路的.实验时，学生对于反射定律中，“反射光线，入射光线和法线位于同一平面内”这一条的空间体验是无法满足的.后来我们针对白板呈现光路缺失空间感的问题进行改进，利用粉尘或液雾来实现，但还是差强人意.于是，我们用了VR技术模拟了整个光学实验室，将光线直接可视化，由于是虚拟环境，所以无需考虑光强太大所带来的安全隐患问题.同时，让学生自行改变观察角度和位置，虚拟实验中也不存在围观的遮挡问题，所以选择时完全不受限制，大幅提升了学生的实验积极性.在课上，当学生进入虚拟实验室之后，学生甚至能够从实验室的正上方进行观察，然后模拟无人机的全景环绕方式，获得前所未有的体验.同时，老师也可以操作实验光线的角度和增减光线数量，让学生自行建立反射定律的空间形态.课后，从作业和课堂的实时反馈来看，新的教学尝试，沉浸式的体验，确实让学生等到了以往所没有的提升.

1.1.2 以学生实验“探究通电螺线管外部磁场的方向”为例

作为学生实验，以往我们以小磁针和铁粉来呈现其周围的磁场分布，我们发现，学生在课后的练习中，关于通电螺线管的绕线方式，总是由于空间感的缺失，导致错误率偏高.在我们用VR技术模拟整个磁场分布之后，学生面前就能呈现一个完整磁场了.学生通过手柄，可以将头戴显示器中所看到的磁场进行翻转，缩小，放大等操作.同时，在后续磁极间相互作用的实验中，学生能够直观地看到当同名或异名磁极相互靠近时，磁场发生的空间上的变化.这种扭曲塌陷的空间变化，能够实时地呈现给学生，在任意切换观察位置时，也不用考虑磁场干扰的问题.在这样的基础上，老师可以迅速完成教学阶段性任务，给予学生更广阔的自主探究自由度.

1.2 提升学生学习主动性

新时代的初中物理教学已经融入了各种信息技术，并引入了多媒体平台共享的理念.但是目前所展示教学方式，受到了自媒体时代的冲击，信息迅速更迭，有时无法激发课堂上学生的积极性.VR技术融合物理教学之后，明显提高了学生对于物理实验的探究热情，对激活学生是有正向提升的.比如可以让学生能够在虚拟实验室中进行互动，例如通过手势和语音命令来控制虚拟实验室中的物品和仪器.这种交互式教学可以增加学生的参与度和积极性，让学生更好地体验实验过程.这一尝试也顺应了新课标中要求“教师要充分发挥信息技术的优势，将信息技术有效融入物理教学，创新教学方式，提升教学效率”的要求.

1.3 有利于物理知识的理解和巩固提升

在初二阶段的学习中，用“光的直线传播”进行对比试验.首先一个班级使用传统模式，展现“日食”的形成原理时，教学过程中通常是使用手持光源配合地球仪进行演示的.其次另外一个班级则是通過VR技术把学生引入虚拟实验室之后，利用星空背景，将学生置于广袤的宇宙中，通过这样的角度来观察太阳，月亮和地球所形成的现象.通过对比发现，后者对于“光的直线传播”的领悟深度明显优于前者，并且也能在后续的测试中，以较高的正确率和较长的记忆周期胜出.

另外，不同于传统的训练方式，借助VR技术，我们可以脱离纸笔，用模拟场景的方式，建立一种全新的评价体系.物理实验题一直是中考中容易失分的环节，但是复习时，往往由于时间场地限制，无法再进行深入探究.此时我们也可以借助VR技术，做到模拟环境的快速切换，及时修正认知偏差，从而达到高效复习的目的.

1.4 促进学生物理核心素养的培养

义务教育物理课程要培养的科学思维中有一项是“模型建构”，对于初中阶段的学生来说，能够用模型解释物理现象和过程是传统教学之下很难提升的一项技能.不过有了VR技术的加持，我们甚至可以在现实场景中进行直接模拟建模，例如，可以让学生可以直接对身边的物体进行受力分析和空间尺度估算.我们可以借助设备上的摄像头，将身边的真实景物与虚拟实验工具相结合，通过手持传感器，对于物体上的受力情况进行可视数字显现.让学生更深刻地体验从具象到抽象的建模过程，促进学生模型建构的认知发展.当然，我们也可以再针对其他核心素养进行相关课件的开发，使得我们的物理课堂更立体，促进学生物理核心素养的培养.

2 VR技术与物理教学的融合

2.1 VR技术特点与初中物理教学需求相贴合

VR技术所具有的虚拟安全性，沉浸互动性和自主开放性等特点是初中物理教学常用手段中所需要的.依托强大的3D引擎和虚拟仿真算法，从实验器材到实验环境，每个环节都进行了高精度的3D建模，呈现逼真的效果，高度还原真实实验场景，为课堂教学创造身临其境般的实验感受.同时将抽象，微观等不可视的场景可视化，如电流，光路，受力，磁场，原子结构等，体现物理学科本质，切实贴合物理教学需求.

2.2 VR技术能提高对初中物理教学的效果

传统物理教学中，单纯依靠教师的讲授，以及课件书本中的平面展示，无法将物理本质中较为抽象的知识内容进行空间描述.而VR技术能在物理实验的演示和探究过程中，使实验现象更加具体和丰满，激发学生的建模能力，这些更真实的体验让学生的交互感更强，切实提升了物理教学的最终效果.

3 VR技术在初中物理教学中的应用场景

3.1 在网络教学中的应用

在如今5G高速网络技术发展日趋成熟完善的基础上，VR技术完全可以实现远距离的线上直播教学.前几年的线上课程在某种程度上也促进了线上学习发展，不管是软件还是硬件上都有不同程度的提升.在线上教学时，师生无需同处相同场地，只要在教师端和学生端安装追踪摄像头和同步耳麦，通过采集双方的实时课堂行为，就可以实现多点连接下的同步互动，让学生在任意地点都能获得身临其境的沉浸式体验.此外还有一种模式，就是将老师的教学过程进行拍摄录制，并通过3D引擎和虚拟仿真算法，转化为全景化视频，作为教学资源让学生通过头戴式显示器观看.这样的方式可以让学生多角度观察老师的教学过程，尤其是老师在进行物理实验时，学生可以通过时间轴的调整反复观察实验的各个细节，针对自身的情况进行重点突破.并且由于网络平台的优势，学生和老师之间的实时互动也能更大程度上提升物理教学的交互性.

3.2 在实验操作中的应用

目前的VR设备已具备通过构造虚拟实验室来模拟实验，让学生能够在不同实验环境下快速切换，大量的模拟实验器材也方便学生在进行自主式实验探究时进行选择.并且由于虚拟实验的安全性，完全可以在虚拟实验室里模拟一些错误实验操作所带来的危险状况，这也是传统实验室无法做到的.比如在电学中，我们学习安全用电时，在过载或者短路的情况下，由于电流过大，电流的热效应产生大量的热量，导致局部过热，引发火灾.这样的场景如果用VR技术来呈现，给学生带来的震撼效果是远超书本上简单的文字与图片的，也能在学生心中树立正确的价值导向.

3.3 在物理评价中的应用

传统的物理实验考查模式，学生在考试过程中，每完成一步，就举手申请打分，有监考老师进行判定.通常情况下，由于人员，场地，器材等因素的限制，这样的实验考试效果参差不齐，对于学生的实验操作考察也不能做出较为有效的评价.通过VR技术，把实验考察项目做成虚拟实验，这样首先可以增加每次考试的选择范围，将一个实验变成多个实验，学生在参加考试时可以先行选择，这样大大提高了学生掌握物理实验的广度.其次，模拟实验室可以跳出原先那些“人员，场地，器材等因素”的限制，增加考查学生实验的选择范围.同一时间同一场地，可以进行多个不同的实验考察.最后由模拟实验软件做出客观评价，同时生成详细的个人实验考试评测报告，让今后的实验评价更科学.

4 VR技术在初中物理教学应用的不足

4.1 硬件设备的普及度不高

诚然VR技术相对于传统的初中物理教学来说，能给我们的课堂引入颠覆性的教学手段，不过它的先进技术在刚开始的阶段也需要高额资金的先期投入，比如硬件设备方面，单人需要头戴式显示器，手柄，传感器等设备，由于无法共同使用，所以设备的数量至少要与班级人数等同.所以短期内，很难在短时间内在初中课堂教学中大规模普及.据统计，现今开展VR技术进行教学活动的院校也都集中在经济较为发达的地区，并且还是以高等院校为主，义务阶段的中小学和相对欠发达地区目前还难以实现.因此，建议可以使用能满足基本教学要求但配置相对较低的产品作为平替.

4.2 VR技术依然具有提升空间

現今，VR技术虽然已经在很多领域里衍生出许多应用情境，但是大多数应用还是局限在学生的视听感受之下，就目前传感器的单一性，还是无法加入更多的自主探究项目.因此，现在VR技术在课堂上的应用，还是无法满足物理实验中对于精细操作的要求.今后，随着数字技术逐步升级，相信在不远的将来，更新VR技术能够在中学物理教学中普及，这样才能给我们的物理教学带来更深入的物理学习沉浸式体验.

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版，2022

［2］杨梦琪，陈红.探讨VR和AR技术在初中物理教学中的应用前景［J］.中学理科园地，2018（1）：255-256.

［3］李昭仪，康万帅.VR和AR在高中理科教育中的应用研究［J］.现代中小学教育，2017，33（7）：76-80.

［4］杨鹏飞.基于VR技术的电子实验仿真平台探索与设计［J］.电脑知识与技术，2017（31）：240-241.

［5］孙伯旺.基于互联网+，AR/VR的中学物理实验教学的研究［J］.名师在线，2019（27）：6-7.