虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

馮宇超

【摘 要】隨著教育改革深化，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件改善，但物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在弊端：學(xué)生單憑理論記憶而對(duì)知識(shí)的掌握淺?。粚?shí)驗(yàn)儀器比較昂貴，實(shí)驗(yàn)器材與材料準(zhǔn)備繁瑣且易損壞或缺失；限制的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)、開放時(shí)間與實(shí)驗(yàn)資源；當(dāng)實(shí)驗(yàn)遇到安全問題時(shí)，會(huì)采取其他方式，甚至放棄實(shí)驗(yàn)等。VR應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)教學(xué)所不具備的實(shí)驗(yàn)條件，還能提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)自主探究的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，推?dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1虛擬物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展

虛擬物理實(shí)驗(yàn)通過VR實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境下模擬物理實(shí)驗(yàn)，解決現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以解決的問題，并充分發(fā)揮VR在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。如今虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還是比較淺層，虛擬物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有廣泛的研究意義。

2虛擬物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

①自主性學(xué)習(xí)：儀器設(shè)備齊全，功能參數(shù)可更改，突破“紙上談兵”。

②綠色性學(xué)習(xí)：虛擬實(shí)驗(yàn)不會(huì)對(duì)現(xiàn)實(shí)造成影響，不消耗實(shí)驗(yàn)材料。

③科學(xué)性學(xué)習(xí)：實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入信息化教學(xué)手段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀。

④高效性學(xué)習(xí)：實(shí)驗(yàn)效率高，可避免長(zhǎng)時(shí)間等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

⑤開發(fā)性學(xué)習(xí)：學(xué)生可自主設(shè)計(jì)，比如可自主選擇集成電路設(shè)計(jì)電路板。

⑥交互性學(xué)習(xí)：可在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)資源共享與跨區(qū)域教學(xué)。

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

①還原物理實(shí)體：可展現(xiàn)各現(xiàn)實(shí)中難以展現(xiàn)或極其復(fù)雜的物理實(shí)體。

②還原實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：可將現(xiàn)象放大、減緩演變、色彩處理等，使其清晰可查。

③還原現(xiàn)象場(chǎng)景：模仿首都博物館用VR還原物理現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的場(chǎng)景。

④還原理論建立：可把抽象的物理理論轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的物理實(shí)驗(yàn)。

4虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的需求

4.1虛擬儀器的需求

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器可像電路板一樣自主設(shè)計(jì)，還有不損壞、易使用、可更改的特點(diǎn)，不僅大大節(jié)省了對(duì)于儀器設(shè)備的購(gòu)買支出與定期的維護(hù)支出，還能將算法等應(yīng)用于虛擬儀器之中，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器所不具備的功能。

4.2交互需求

4.2.1操作交互：學(xué)生與平臺(tái)界面的交互

操作交互是信息與概念交互的橋梁，基本的操作交互的不順就會(huì)阻礙其他層面的交互，要滿足人性化與科技型平臺(tái)要求，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效的交互理念。

4.2.2信息交互：學(xué)生與教學(xué)要素的交互

提示和反饋信息是虛擬物理實(shí)驗(yàn)的重要保障。提示出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)操作前，分為視頻、文檔等固定提示與對(duì)應(yīng)操作的動(dòng)態(tài)提示，反饋出現(xiàn)在操作后，用于對(duì)目前操作的認(rèn)定。

4.2.3概念交互：舊概念與新概念的交互

物理實(shí)驗(yàn)最終的目的是使學(xué)生了解物理理論，概念交互的效果決定學(xué)生獲得教學(xué)信息的總量與質(zhì)量。

4.3指導(dǎo)需求

有必要在虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上建構(gòu)信息提示功能，通過計(jì)算機(jī)及時(shí)信息處理，針對(duì)性地反饋每一位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度、學(xué)習(xí)效率。

5虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

5.1基本設(shè)計(jì)原則

①科學(xué)性原則：構(gòu)建的虛擬設(shè)備逼近真實(shí)部件的操作，實(shí)驗(yàn)操作與結(jié)果等近乎實(shí)際。

②開放性原則：允許在任一終端上通過帳號(hào)密碼登入平臺(tái)。

③交互性原則：實(shí)現(xiàn)虛擬物理實(shí)驗(yàn)功能，設(shè)立在線答疑、論壇、E-mail等交流工具。

5.2開發(fā)要求

5.2.1硬件要求

平臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)、傳感器、信息采集處理模塊、交互模塊等組成，完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的收集、傳送與顯示。在必要的硬件支持下，將儀器的功能分為各個(gè)模塊，再編程以完成相應(yīng)功能，繼而組合完成虛擬儀器。

5.2.2軟件要求

軟件系統(tǒng)是連接系統(tǒng)各部分的紐帶，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

①軟件開發(fā)采用圖形化或面向?qū)ο蟮木幊?，常用的為L(zhǎng)abVIEW。

②軟件模塊應(yīng)包括輸入、輸出、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、功能模塊等。

③程序模塊設(shè)計(jì)應(yīng)選擇合適的程序結(jié)構(gòu)，并對(duì)程序做出必要注釋，編程時(shí)還需注意各程序模塊的接口，防止數(shù)據(jù)不能傳遞。

6虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究意義

作為全新的、科技型教學(xué)工具，虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能滿足移動(dòng)性課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，教師不用把實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)一一說明，也不用在每次實(shí)驗(yàn)前檢查實(shí)驗(yàn)器材、配備實(shí)驗(yàn)材料、考慮實(shí)驗(yàn)安全性等。教學(xué)的目的不是為了“教全”，而是為了“教會(huì)”，只要把重要方法教給學(xué)生，讓學(xué)生自主探索，舉一反三，那么在實(shí)踐中必然能學(xué)到更多。

傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)往往在老師的指導(dǎo)下，規(guī)避危險(xiǎn)操作，按部就班地完成。虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，能夠滿足學(xué)生自主探究物理實(shí)驗(yàn)的需求，給學(xué)生提供大量的虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，又能極大地激發(fā)他們對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)熱情與探究積極性。

虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集教育、創(chuàng)新、實(shí)踐于一體，響應(yīng)了我國(guó)對(duì)于深化教育領(lǐng)域綜合改革的號(hào)召，能夠在有效踐行高質(zhì)量物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前提下，突破傳統(tǒng)對(duì)于學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)的培養(yǎng)模式與方法，將促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重心轉(zhuǎn)移，即從在安全實(shí)驗(yàn)操作下學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力的學(xué)習(xí)模式，從而充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)意義。