淺析VR技術(shù)在初中物理情境教學(xué)中的應(yīng)用

潘碧云

摘 要：當(dāng)前物理教學(xué)中常用的信息技術(shù)手段普遍存在場(chǎng)景二維化、體驗(yàn)性不足等瓶頸問(wèn)題，在突破初中物理情境教學(xué)的困境時(shí)總功虧一饋。隨著教育信息化的發(fā)展，VR（即虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)給傳統(tǒng)教學(xué)方式帶來(lái)變革和創(chuàng)新，應(yīng)使它有機(jī)地服務(wù)于物理情境教學(xué)。

關(guān)鍵詞：信息化；VR技術(shù)；情境教學(xué)；體驗(yàn)；沉浸性；交互性； 想象性

現(xiàn)代教育改革新理念指出，“情境教學(xué)是以心理學(xué)為根據(jù)，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)心理規(guī)律，充分發(fā)揮出學(xué)生的內(nèi)在潛能?！痹谖锢斫虒W(xué)中，情境法已成為一種常用的方法。物理的學(xué)科基礎(chǔ)是觀察和實(shí)驗(yàn)，然而，在傳統(tǒng)的物理教學(xué)中，很多現(xiàn)實(shí)的客觀局限導(dǎo)致物理實(shí)驗(yàn)和觀察無(wú)法取得理想的教學(xué)效果，常使教學(xué)陷入困境。隨著教育信息化發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)在物理情境教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，一定程度上提高了教學(xué)質(zhì)量，但是，一些信息技術(shù)手段的局限性逐漸凸顯，有待更先進(jìn)的信息技術(shù)加以彌補(bǔ)改善。

1 應(yīng)用信息技術(shù)突破物理教學(xué)困境時(shí)遭遇瓶頸

1.1 在傳統(tǒng)物理課堂中存在的教學(xué)困境

（1）物理現(xiàn)象呈現(xiàn)時(shí)間不足，稍縱即逝

例如，九年級(jí)“內(nèi)能”的這節(jié)教學(xué)中使用“空氣壓縮引火儀”的演示實(shí)驗(yàn)中，棉花燃燒的現(xiàn)象稍縱即逝，學(xué)生常常還沒(méi)仔細(xì)觀察，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就已結(jié)束，使實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果大打折扣。

（2）物理現(xiàn)象微弱平淡，可觀性低

課堂上當(dāng)物理現(xiàn)象微弱平淡時(shí)，沒(méi)有強(qiáng)烈視覺(jué)沖擊效果，學(xué)生探索的興趣會(huì)降低，甚至注意力分散，導(dǎo)致出現(xiàn)教師唱“獨(dú)角戲”的尷尬局面。

（3）對(duì)有時(shí)空局限性的物理現(xiàn)象或規(guī)律，難以獲得直觀體驗(yàn)

在物理教學(xué)中，師生也常常能體會(huì)到時(shí)空給教學(xué)的限制。那些涉及漫長(zhǎng)時(shí)間性和廣袤空間性的物理現(xiàn)象或規(guī)律的教學(xué)，課堂上學(xué)生難以獲得直觀體驗(yàn)和經(jīng)歷。

（4）有危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)操作不能在課堂上進(jìn)行

出于安全考慮，有一定危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)操作在課堂教學(xué)中一般都被放棄，如八年級(jí)物理“大氣壓強(qiáng)”課中的“托里拆利實(shí)驗(yàn)”，因?qū)嶒?yàn)物質(zhì)是水銀，有一定的毒性，所以幾乎不進(jìn)行當(dāng)堂演示。

1.2 當(dāng)前信息技術(shù)應(yīng)用在物理教學(xué)中存在著瓶頸

（1）場(chǎng)景二維化，互動(dòng)匱乏，學(xué)習(xí)情境的體驗(yàn)性低

當(dāng)前物理教學(xué)中信息技術(shù)的應(yīng)用方式多樣化，如交互式教學(xué)白板的廣泛使用，以課件輔助教學(xué)，視頻呈現(xiàn)，動(dòng)畫(huà)仿真，還有微課、慕課，它們的應(yīng)用緩解了上述的物理教學(xué)困難。但是，由于這些信息技術(shù)的顯示方式都是二維化，且互動(dòng)形式單一，借助它們學(xué)生雖能看到物理現(xiàn)象，并未曾真實(shí)經(jīng)歷和立體體驗(yàn)其過(guò)程，很多學(xué)生常容易由知識(shí)的探索者淪為情境的旁觀者。

（2）主流功能停滯在知識(shí)重現(xiàn)層面，不適應(yīng)信息時(shí)代的發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的更高要求

建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)，學(xué)習(xí)者進(jìn)入學(xué)習(xí)情境前是有其知識(shí)儲(chǔ)備的，并不是空著腦袋的[ 1 ]。當(dāng)代中學(xué)生是在信息大爆炸的背景下成長(zhǎng)起來(lái)的，在各種電子產(chǎn)品普及的今天，他們能方便地利用各種工具獲取信息，學(xué)習(xí)方式因此也呈現(xiàn)出碎片化、便捷化的特征；他們?nèi)狈Φ牟皇侵R(shí)的呈現(xiàn)，而是對(duì)知識(shí)的體驗(yàn)經(jīng)歷和深度認(rèn)識(shí)。信息時(shí)代的發(fā)展對(duì)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，學(xué)生個(gè)體對(duì)知識(shí)整合、轉(zhuǎn)化和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)都有待強(qiáng)化。而當(dāng)前教學(xué)中常用的信息技術(shù)主流功能還停滯在知識(shí)重現(xiàn)的層面上，也使得注重知識(shí)傳授的傳統(tǒng)教學(xué)模式日益捉襟見(jiàn)肘。

教育中提倡的因材施教是要適應(yīng)時(shí)代發(fā)展背景的，是要求教學(xué)模式和信息技術(shù)手段要根據(jù)當(dāng)代中學(xué)生特點(diǎn)進(jìn)行改良的。為此，筆者關(guān)注到了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)VR）的發(fā)展。

2 探索VR在初中物理情境教學(xué)中的應(yīng)用

習(xí)近平總書(shū)記在2016年G20峰會(huì)上重點(diǎn)提及的未來(lái)三大核心技術(shù)之一就是虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱(chēng)VR），引起了教育界的高度重視。美國(guó)NMC2016年3月發(fā)布的2016高等教育版《地平線報(bào)告》首次將VR列入，并視為未來(lái)2-3年解決深度學(xué)習(xí)矛盾的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，VR在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用值得我們?nèi)ニ伎?、探索?/p>

2.1 VR簡(jiǎn)介

（1）什么是VR

虛擬現(xiàn)實(shí)，即Virtural Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR，也叫人工環(huán)境。它是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生的三維空間，是一個(gè)虛擬的世界。它給使用者提供關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬體驗(yàn)，使用者能即時(shí)、不受限制地對(duì)三維空間內(nèi)的事物進(jìn)行觀察，如同身臨其境一般[ 2 ]。

（2）VR的基本特征

基本特征： 三個(gè)I （ immersion-interaction-imagination），即沉浸—交互—想象，突出了人在虛擬系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用[ 2 ]。

2.2 將VR應(yīng)用于初中物理情境教學(xué)中的意義

（1）理論意義

情境教學(xué)注重對(duì)學(xué)習(xí)者的感覺(jué)的訓(xùn)練、直覺(jué)的培養(yǎng)和創(chuàng)造性的發(fā)展，其中滲透著形象、情感和想象的過(guò)程，給學(xué)習(xí)者帶來(lái)無(wú)限的快樂(lè)與活力[ 3 ]。這個(gè)觀點(diǎn)和VR體現(xiàn)的沉浸、交互和想象的特征恰是環(huán)環(huán)相扣。VR沉浸性的體現(xiàn)在于其構(gòu)造的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境具有著真實(shí)世界一樣的感受力；交互性是促進(jìn)知識(shí)內(nèi)化、激發(fā)學(xué)習(xí)情感的樞紐；虛擬現(xiàn)實(shí)中豐富的想象資源能成功打開(kāi)學(xué)習(xí)的廣闊想象空間，拓展認(rèn)知范圍。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)是在預(yù)定的情境中實(shí)現(xiàn)的意義建構(gòu)過(guò)程，構(gòu)成學(xué)習(xí)環(huán)境的四大要素分別是“情境”、“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”[ 1 ]。VR就是通過(guò)創(chuàng)設(shè)沉浸式情境體驗(yàn)學(xué)習(xí)，通過(guò)人機(jī)自然交互對(duì)話，通過(guò)協(xié)作活動(dòng)實(shí)現(xiàn)意義的建構(gòu)，促進(jìn)知識(shí)的生成，其特性體現(xiàn)了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論思想。由此可見(jiàn)，VR的基本特征與現(xiàn)代教育理論完全契合，順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展要求。

（2）實(shí)際意義

①改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，變革學(xué)習(xí)方式和認(rèn)知方式

VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，帶來(lái)學(xué)生學(xué)習(xí)方式和認(rèn)知方式的變革，傳統(tǒng)教學(xué)中的口授耳聽(tīng)的模式被打破，代替它的是一種沉浸式體驗(yàn)學(xué)習(xí)。VR的硬件是頭盔顯示器和其他設(shè)備，學(xué)生帶上頭盔顯示器之后，和現(xiàn)實(shí)環(huán)境有了一定的隔離感。結(jié)合VR軟件和物理實(shí)際教學(xué)需要，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入已預(yù)設(shè)好的三維學(xué)習(xí)情境中，從視、聽(tīng)、觸等全方位感官模擬體驗(yàn)，向?qū)W生提供一種身臨其境、引人入勝的沉浸感，讓物理學(xué)習(xí)變得更加生動(dòng)有趣且高效。

②引領(lǐng)交互模式的變革，破除了物理課堂時(shí)空局限

VR課件創(chuàng)建的三維空間效果改進(jìn)了二維化呈現(xiàn)的不足，同時(shí)，也引領(lǐng)交互模式的變革。多樣的傳感器設(shè)備將學(xué)生和系統(tǒng)化為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)自主控制人機(jī)交互；VR技術(shù)的應(yīng)用也徹底破除了物理課堂的時(shí)間和空間的局限，物理教學(xué)中需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過(guò)程、科學(xué)的發(fā)展歷程等，在虛擬現(xiàn)實(shí)中，可濃縮在短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生經(jīng)歷；虛擬環(huán)境中的視覺(jué)空間設(shè)置可以大到宇宙天體，小到分子、原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，打破了空間局限。VR還彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，那些具有危險(xiǎn)性、想象性的物理實(shí)驗(yàn)或場(chǎng)景，學(xué)生只要在教室里，便可獲得真實(shí)體驗(yàn)，豐富感性認(rèn)識(shí)。

③打開(kāi)想象空間，促進(jìn)創(chuàng)造力的培養(yǎng)

創(chuàng)造性是以豐富的想象力為基礎(chǔ)的，VR本身就是信息科技時(shí)代的一種創(chuàng)造性技術(shù)，它具備了豐富的想象力資源。它通過(guò)模擬情境，設(shè)計(jì)與物理原型（物理現(xiàn)象或過(guò)程）相似的虛擬模型，并利用該虛擬模型間接研究物理原型的規(guī)律特點(diǎn)。在物理教學(xué)中，如牛頓第一定律中的物體不受力的情境、失重的世界等，這些在傳統(tǒng)課堂上只能推理、想象的物理情境，都可以通過(guò)VR技術(shù)讓學(xué)生得以體驗(yàn)經(jīng)歷，它不僅極大程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且打開(kāi)了學(xué)生的想象空間，拓寬了認(rèn)知范圍，延伸了學(xué)習(xí)深度，促進(jìn)創(chuàng)造力的培養(yǎng)。

2.3 如何將VR技術(shù)應(yīng)用于初中物理情境教學(xué)

近期，筆者做了教學(xué)探索，在九年級(jí)“分子熱運(yùn)動(dòng)”這節(jié)課中，運(yùn)用VR課件進(jìn)行的實(shí)際課堂教學(xué)，得到很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，該課的教學(xué)視頻榮獲了我國(guó)“部級(jí)”優(yōu)質(zhì)課稱(chēng)號(hào)。在此實(shí)踐基礎(chǔ)上，筆者針對(duì)VR技術(shù)在初中物理情境教學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行了分析和總結(jié)。

（1）精選合適的VR課程，精心設(shè)計(jì)課程

VR技術(shù)和物理教學(xué)有機(jī)結(jié)合的前提是精選合適的課程。隨著教育信息化發(fā)展，初中物理課程在內(nèi)容的設(shè)置上，更加關(guān)注學(xué)生的原型經(jīng)驗(yàn)和興趣發(fā)展，強(qiáng)調(diào)“物理知識(shí)來(lái)自生活”，強(qiáng)化了物理知識(shí)與社會(huì)和科技發(fā)展的聯(lián)系。根據(jù)初中物理課程特點(diǎn)，使用VR技術(shù)教學(xué)，宜選擇顯性認(rèn)知類(lèi)課程，或作為輔助手段應(yīng)用于其他類(lèi)型課程的情境創(chuàng)設(shè)，促進(jìn)“緘默知識(shí)”的獲得[ 4 ]。如九年級(jí)物理的“分子熱運(yùn)動(dòng)”，該課適合使用VR技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)；又如“核能”，該課可以用VR模擬核反應(yīng)堆的相關(guān)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，讓學(xué)生沉浸體驗(yàn)；還有物理教學(xué)中涉及的很多有現(xiàn)實(shí)因素制約的情境體驗(yàn)都可以結(jié)合VR進(jìn)行教學(xué)。

選定課程的基礎(chǔ)上，精心設(shè)計(jì)課程是非常關(guān)鍵的。VR課程教學(xué)設(shè)計(jì)要結(jié)合教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、教法、學(xué)情等各方因素，緊扣課程標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)上要體現(xiàn)出物理知識(shí)與生活實(shí)際的聯(lián)系，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和能力的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生正確的情感態(tài)度價(jià)值觀；要讓VR技術(shù)與其他信息媒體有機(jī)結(jié)合，集采各家之長(zhǎng)，協(xié)同互補(bǔ)；課程設(shè)計(jì)時(shí)要關(guān)注物理知識(shí)的內(nèi)在深刻性與啟發(fā)性，而不是利用VR技術(shù)表面做“秀”。

（2）精準(zhǔn)制作VR課件，發(fā)揮VR教學(xué)輔助的功能

在教師完善的課程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，依照課程設(shè)計(jì)要求進(jìn)行VR課件制作。VR教學(xué)課件必須是符合客觀規(guī)律，依照實(shí)際教學(xué)需要進(jìn)行精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)制作的。由于具有技術(shù)難度，當(dāng)前的VR課件還需要依靠專(zhuān)業(yè)工作人員進(jìn)行開(kāi)發(fā)制作。在物理教學(xué)中，某些戶(hù)外實(shí)驗(yàn)或危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)等，可以通過(guò)全景相機(jī)拍攝產(chǎn)生真實(shí)的代入感，生成VR課件，但是，總體上都有較高的資金門(mén)檻；針對(duì)教學(xué)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的互動(dòng)型VR課件，還有較高的技術(shù)門(mén)檻，這也是當(dāng)前VR技術(shù)在教育領(lǐng)域全面普及應(yīng)用還需完善的方向。精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)VR的課件，在教學(xué)中不能喧賓奪主，它僅作為輔助手段服務(wù)于情境教學(xué)。課堂的主體是學(xué)生，主導(dǎo)者是教師，VR課件的使用是輔助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)情境的體驗(yàn)，但缺乏的是真實(shí)的情感交流，畢竟是虛擬現(xiàn)實(shí)，不可完全替代現(xiàn)實(shí)中的物理實(shí)驗(yàn)，也不能代替師生的情感交流，所以，它起到的是輔助教學(xué)的功能。

（3）實(shí)現(xiàn)知識(shí)的精彩生成，提高教學(xué)質(zhì)量

VR課程精心設(shè)計(jì)和課件精準(zhǔn)制作，目的是為了優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的精彩生成，提高教學(xué)質(zhì)量。教育家蘇霍姆林斯基說(shuō)：“在人的心里深處有一種根深蒂固的需要，這就是希望自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者?！背踔猩毡闊崆榍页錆M(mǎn)活力，他們的內(nèi)心具有這種強(qiáng)烈精神的需要。將VR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中，讓學(xué)生在教師精心設(shè)置的情境中通過(guò)虛擬環(huán)境扮演一個(gè)生動(dòng)的角色，從而促進(jìn)他們?nèi)硇牡赝度雽W(xué)習(xí)，成為知識(shí)的發(fā)現(xiàn)者、探索者、研究者，體驗(yàn)知識(shí)的形成與發(fā)展。這樣的課堂能讓學(xué)生充分發(fā)揮出學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的精彩生成，提高教學(xué)質(zhì)量。使用VR進(jìn)行教學(xué)，要求教師具備對(duì)新信息資源進(jìn)行收集、處理、整合的基本能力，教師課后還要做到自覺(jué)反思，積累使用經(jīng)驗(yàn)，提高VR技術(shù)的使用效益，增強(qiáng)自身運(yùn)用新信息技術(shù)的能力，促進(jìn)教學(xué)水平的提高。

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》明確指出：“提高教師應(yīng)用信息技術(shù)水平，更新教學(xué)觀念，改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)效果，鼓勵(lì)學(xué)生利用信息手段主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，增強(qiáng)運(yùn)用信息技術(shù)分析解決問(wèn)題的能力，加快全民信息技術(shù)普及和應(yīng)用?！?1世紀(jì)是全球信息數(shù)字化、學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代，以互聯(lián)網(wǎng)為核心的現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展日新月異，教育信息化特征也日益凸顯。教育信息化未來(lái)的發(fā)展方向?qū)膶W(xué)習(xí)環(huán)境的改善或?qū)W習(xí)工具的改進(jìn)，轉(zhuǎn)變到了更高層次的學(xué)習(xí)體驗(yàn)的提升，以VR為代表的“沉浸式教育”正逐漸成為新標(biāo)桿[ 5 ]。作為新時(shí)代的物理教師，必須不斷加強(qiáng)教育理論的學(xué)習(xí)，形成與時(shí)俱進(jìn)的教育觀念，增強(qiáng)專(zhuān)業(yè)教學(xué)能力，提高信息技術(shù)素養(yǎng)，形成多元化的教學(xué)智慧，為我國(guó)素質(zhì)教育的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

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