VR技術在物理實驗教學模式創新中的應用

何 珊

(廣東理工學院 工業自動化系，廣東 肇慶 526100)

20世紀末，VR技術因為其優秀的性能被迅速應用到各個領域，VR技術包括數字圖像處理、計算機識別、多媒體技術以及網絡并行處理、人工智能等信息技術和高性能計算技術。VR技術立體感強，表現出色，豐富了人機交流方式。與傳統的計算機輔助教學系統相比，VR技術具備以下三個特點：“浸入式體驗”的沉浸感；新的人機交互方式促使交互性和真實性更高；通過虛擬畫面增強用戶的刺激感。VR技術的廣泛應用和自身的特點使用戶在虛擬環境中獲得極致真實的體驗[1]。

物理實驗對當代物理學研究有著很重要的意義，物理學的發展可以引起科學與社會的巨大變革。當前我國的物理實驗教學中，還存在一些問題，例如當前教育局對引入VR技術的重視程度不足，相關部門下發的經費不足，能夠正確使用VR技術的教師過少等問題。就目前來看，大多數學校的物理實驗設備過于陳舊，且種類較少，這些都成為了取得物理實驗教學效果的限制條件。因此根據VR技術特點，研究VR技術在物理實驗教學中的應用，不僅能夠有效改善實驗儀器與部件的不足，同時能夠減少儀器消耗，避免使用過程中操作不當導致儀器損壞，使學生能夠在短時間內快速掌握課堂教學內容，從而更好地理解物理學概念和相關原理，幫助教師在教學過程中能夠更好地教授學生，培養和提高學生在物理學方面的綜合能力，提高學生的開拓創新能力。

1 VR技術在物理實驗教學中的應用對策

將VR技術用于課堂物理實驗教學，可以將課堂變成一個“虛擬的”場景，為學生提供不同的體驗。只要條件允許，可以讓學生在一個相對真實的環境中完成實驗教學。首先通過VR技術模擬物理實驗場景，然后在現場實際環境中進行具體操作實驗。虛擬實驗中使用教學軟件主要是為了便于學生理解和掌握實驗原理，利用物理實驗增強學生的動手能力和思考能力，確保學生能夠更加全面發展，否則容易造成學生實踐能力的低下，設定相關對策讓學生操作各種技能。

將VR技術應用到物理實驗教學中，教學軟件是整個教學的基礎，其質量至關重要。因此在安裝軟件時，首先要考慮科學原理，比如安裝過程中考慮大規模應用、設置參數、盡可能少地連接外設等因素。使用工具即使用顏色，也要科學真實，確保學生不會因其產生錯誤操作，一旦出錯，其影響范圍將難以預測。因此，在產品投入使用之前，生產廠家必須對產品進行加工，加工完成后，經過反復檢驗確認無誤后才可投入使用。除此以外，在教學過程中還應根據教學需要，正確選擇實驗材料，根據學生對實驗內容的理解與接受程度，合理安排教學內容，以達到教學目的。

除上述應用對策以外，學校還可以根據教學需要配備傳感器，觸摸屏，壓力表等輔助設備，或者頭盔，數據手套等外部裝備，以及通過影視媒介為學生提供一些另類的體驗，讓學生更清楚地了解科技的發展。

2 VR技術在物理實驗教學中的應用方式

VR技術在經歷了20多年的研究與探索后，于20世紀80年代后期逐步從理論研究和探索階段開始進入應用階段。在傳統的“教促學”模式的基礎上，逐步轉變為通過大學生自身與信息環境的互動，創造“自主學習”的學習環境。VR技術在教育市場的應用前景也十分令人振奮，尤其是在開發了更好更廉價的虛擬現實軟件和硬件后，由于其允許學生獲取各種信息，學科的范圍涉及面廣。教師可以不受限制地使用VR技術以提升各學科的教學效果，為學習者提供了眾多的學習方法和實踐方法[2]。

2.1 模擬物理實驗場景

VR技術是利用計算機模擬現實世界的綜合技術，由于該技術可以創造一種與現實社會相似的環境，從而解決情景化、自然化交互式學習媒介的需求，因而在教育領域中有著廣闊的應用前景[3]。

VR技術可以使實驗室一室多用，不同的學生都能夠在實驗室做實驗，從而解決實驗室內部資金緊張問題。使用VR技術由于不需要花費太多的精力去遷移和準備實驗設備，在方便教學組織的同時，也可以保證實驗教學組織更加靈活多樣，如物理實驗教學時可以通過單獨利用計算機完成，也可以分組完成。學生可以通過互聯網尋求教師和同學的幫助，除此以外，在實驗過程中，學生和教師能夠更好地在資料庫中查詢知識，確保實驗能夠更好更順利地進行。

2.2 拓展實驗教學方法

VR技術有很強的滲透感和刺激感。在實驗教學中應用VR技術，為學生帶來真實感的同時，對實際教學中不能完成的核反應實驗、放射性毒性實驗等物理實驗，采用虛擬實驗可以使學生獲得不同的體驗。運用VR技術構建“虛擬場景”，確保實驗教學的趣味性和實際效果。舉例來說，在浮力實驗中，教師通常要求學生在盛水的容器里放上一個體積較大的物體，然后通過不斷增加重量的方法完成實驗，但用VR技術完成該實驗時則有所不同。實驗人員可以在虛擬場景中完成實驗，學生可以假定他們是潛水艇的船長，借助計算機周邊設備，控制潛水艇航行、撤退、沉降和懸浮等狀態，通過實驗發現無論潛水艇處于何種運行狀態，其重量都會落入水中。通過VR技術實現了一個生動活潑的虛擬實驗，學生通過VR技術視覺同步，深刻理解浮力知識的基礎上，又能激發想象思維，從而培養和提升學生的綜合分析能力。

3 應用效果分析

將VR技術應用到物理實驗教學中，多數實驗教學僅需使用計算機及相關軟件。因此，在物理實驗教學過程中，可以首先在計算機上進行，然后再進行實際操作，減少實驗設備的使用頻次，提高其使用壽命，節約資金。同時，學生們可以在實驗室課堂外利用計算機完成物理實驗，場地布置靈活方便，組織形式多樣，有利于擴大實驗教學規模。

利用VR技術，使學生在不同的實驗中都能高效而大膽嘗試完成實驗。采取主動、有趣、靈活、多樣的實驗方法，不僅能夠激發學生對物理的學習熱情，同時也能確保物理學的教學質量。做實驗過程中，學生也應該注意理解、運用和設計實驗原理，避免操作不當而影響實驗結果的準確性，利用VR技術軟件能幫助學生快速、準確地解決實驗中出現的問題，有效解決傳統實驗教學模式中“多教少教”的問題。

4 結束語

目前北京大學、清華大學等許多大學在物理教學上，都應用了VR技術，并取得了一定的成效。以各種經典的通用對象實驗為主線，借助計算機技術，以互動視聽、虛擬形式，在計算機屏幕上呈現大量難以闡明的實驗原理和科學現象。許多實驗教學結果都表示，VR技術在物理教學中可以取得很好的效果，不僅能夠培養學生的實踐教學能力，同時也能夠提高學生的操作能力和創新能力。對于當代物理教學來說，如何更好地利用VR技術培養物理人才，辦好實驗課程，是當前迫切需要解決的問題，希望本文的研究對于物理教學能夠有一定的啟發意義。