基于VR技術(shù)在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

李志亮

【摘要】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality），下文簡(jiǎn)稱VR技術(shù)，囊括計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)，其基本實(shí)現(xiàn)方式是用計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感的體驗(yàn)。學(xué)生能夠參與場(chǎng)景互動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)在電腦屏幕上用三維空間的視覺(jué)把事物清楚地表達(dá)出來(lái)，增加信息表達(dá)的可視化效果。初中物理是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科，教師在教學(xué)過(guò)程中呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)可視化程度較弱，或者實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性高，可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)助力物理教學(xué)。筆者以《光的反射》為例，利用VR技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，研究如何提升初中物理教學(xué)效果。實(shí)踐證明：運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、培養(yǎng)科學(xué)思維，使學(xué)生更好地了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與抽象原理之間的關(guān)系，符合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求。

【關(guān)鍵詞】初中物理;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);光的反射;信息可視化;核心素養(yǎng)

一、課題研究的背景

VR技術(shù)利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官的模擬，與傳統(tǒng)的人機(jī)界面以及流行的視窗操作相比有了很大的突破。VR技術(shù)與希沃白板結(jié)合使用，支持軟件熱區(qū)和硬件快捷鍵，方便拖動(dòng)、放大等操作，方便使用者的不同使用要求。

初中物理光學(xué)內(nèi)容是八年級(jí)物理的重點(diǎn)，以往教師引導(dǎo)學(xué)生研究光的反射定律的時(shí)候，為了增加可視化效果，通常需要關(guān)閉窗戶、日照燈和拉閉窗簾營(yíng)造黑暗環(huán)境。而最新研究表明，新型冠狀病毒以及普通流感都能夠通過(guò)呼吸道飛沫傳播和接觸傳播。若患者打噴嚏、咳嗽、說(shuō)話的飛沫混合在空氣中，形成氣溶膠，可導(dǎo)致該病毒持續(xù)傳播，因此，開(kāi)窗通風(fēng)能有效降低室內(nèi)細(xì)菌數(shù)量，從而降低傳播風(fēng)險(xiǎn)。

二、教學(xué)問(wèn)題及研究意義

筆者在進(jìn)行光的反射實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)光照強(qiáng)度影響演示實(shí)驗(yàn)效果。讓一束光從空氣（讓加濕器把水噴灑到空氣中）斜入射到玻璃磚（圖1），在分界面分別發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。由于大班授課空間距離的局限性，實(shí)驗(yàn)室后排的學(xué)生可視化程度較弱。要使后排學(xué)生能清晰觀察到實(shí)驗(yàn)，方法一：通常需要關(guān)閉窗戶、日照燈和拉開(kāi)窗簾，而在疫情防控期間，封閉窗戶明顯不利于室內(nèi)外空氣對(duì)流;方法二：通過(guò)增加激光強(qiáng)度，雖然可以提高后排學(xué)生觀看演示實(shí)驗(yàn)的清晰度，但是容易使坐在前排的學(xué)生視力受損。

再者，在探究光的發(fā)射定律的實(shí)驗(yàn)（圖2），較難說(shuō)明反射光線、入射光線和法線在同一平面。其原因是，如果用方法一：用線光源入射，由于光線沒(méi)有厚度，很難讓這條光線落在紙板所在的入射平面上，較難研究三線共面。方法二：用面光源代替線光源入射（圖3），其好處是能直接讓光落在紙板上，當(dāng)紙板NOF向后折疊的時(shí)候，的確紙板上沒(méi)有反射光線（圖4），但是如果當(dāng)把紙板向前折疊，發(fā)現(xiàn)紙板上仍然能夠看到反射光線，顯然這種做法有其缺點(diǎn)。

三、理論依據(jù)和基礎(chǔ)設(shè)備

物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面的要素構(gòu)成?？茖W(xué)思維的形成包括信息的輸入、內(nèi)化和輸出三個(gè)階段，要形成好的科學(xué)思維，需要提供多種信息輸入模式，提高學(xué)習(xí)效果。當(dāng)學(xué)生主動(dòng)操作，也使學(xué)生的主體意識(shí)、主動(dòng)性和創(chuàng)造性不斷發(fā)展，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

本課題虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于Zspace環(huán)境進(jìn)行。Zspace的基本硬件產(chǎn)品（圖5）有：

1.顯示器：24英寸高清顯示器采用Zspace頭部跟蹤立體顯示技術(shù)，可以通過(guò)調(diào)整Zspace支架的角度來(lái)調(diào)整視角舒適度。

2.Zspace眼鏡：Zspace使用需要佩戴3D眼鏡，這樣才可以看到立體效果，此眼鏡含反光點(diǎn)，跟蹤攝像頭用這些反光點(diǎn)來(lái)識(shí)別頭部位置。Zspace還配備有不帶反光點(diǎn)的2D眼鏡，觀察者可以佩戴這種眼鏡，而不會(huì)干擾跟蹤。

3.Zspace觸筆和鼠標(biāo)：使用觸筆按鍵可以與場(chǎng)景中的對(duì)象交互?？梢宰屖褂谜咴诹鶄€(gè)自由度輕松使用，使用者可以用觸筆進(jìn)行六個(gè)自由度交互，而鼠標(biāo)的使用和普通計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)并沒(méi)有差別。

四、教學(xué)實(shí)操

反射定律各個(gè)基本概念的確立：一根光線沿AO入射到平面鏡（圖6），記錄反射光線OB，為了更好地研究反射光線和入射光線之間的關(guān)系，過(guò)O點(diǎn)作平面鏡的垂線定義為法線。研究過(guò)程發(fā)現(xiàn)法線是入射光線與反射光線的角平分線，因此，法線是兩光線的對(duì)稱軸。其次，學(xué)生通過(guò)閱讀教材，分別標(biāo)注反射定律中的各個(gè)概念;最后，改變?nèi)肷浣堑亩葦?shù)，測(cè)量出反射角的大小，記錄在學(xué)案上，在特殊情況下，當(dāng)入射光線垂直于鏡面入射的時(shí)候，反射光線于入射光線重合，測(cè)量出反射角的大小，進(jìn)而把反射角和入射角的大小關(guān)系記錄在實(shí)驗(yàn)紙上得出結(jié)論。

利用VR技術(shù)，用3D的方式再現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)：首先，請(qǐng)一位學(xué)生佩戴3D眼鏡打開(kāi)Studio中的光的反射課程（圖7），可以直接移動(dòng)激光筆生成3D圖像，通過(guò)用激光筆移動(dòng)入射光線（設(shè)置每次入射光線的顏色不同），形成不同反射光線，進(jìn)而學(xué)生能在電腦屏幕觀察到不同顏色的入射光線對(duì)應(yīng)形成的反射光線。當(dāng)入射光線垂直入射的時(shí)候，反射光線與入射光線重合，入射角和反射角都為零度。

VR技術(shù)，研究三線共面：由于空間兩條相交的直線必定在同一平面，也就是說(shuō)反射光線和入射光線必定在同一平面上，教學(xué)難點(diǎn)在于展示包括法線在內(nèi)的三條線是否在同一平面。學(xué)生通過(guò)運(yùn)用激光筆，操作電腦折疊紙張（圖8），或者改變?nèi)肷浣嵌?，都能在三維空間看出反射光線，入射光線，法線在同一平面。運(yùn)用VR技術(shù)，能夠清晰展示了三線共面的3D效果，課室的不同角度都能看清。

演示漫反射和鏡面反射的原理：首先，提問(wèn)學(xué)生為什么有的課室的黑板會(huì)出現(xiàn)“反光”現(xiàn)象？把反光的位置放大會(huì)觀察到什么現(xiàn)象？接著，先用激光筆操作電腦把正常位置和發(fā)生“反光”的位置放大，會(huì)發(fā)現(xiàn)正常位置表面粗糙，出現(xiàn)“反光”現(xiàn)象的位置平面比較光滑。讓學(xué)生先在學(xué)案上用三條相互平行的光線分別入射到光滑的面和凹凸不平的面，會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)光滑面反射后的光線仍是平行的，入射到凹凸不平的表面，反射光線向四面八方。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和VR技術(shù)的展示，引出鏡面反射和漫反射的定義。0E6F6336-EAFB-4110-A30E-E848D2C094AD

五、效果分析

筆者分別用A、B兩組學(xué)生進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)VR技術(shù)的教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)估。對(duì)照組只是運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法，實(shí)驗(yàn)組運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和VR技術(shù)輔助教學(xué)的方法，授課后分別對(duì)兩組學(xué)生進(jìn)行課后習(xí)題小測(cè)并且對(duì)實(shí)驗(yàn)組60名學(xué)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查和一對(duì)一交流，根據(jù)習(xí)題小測(cè)的數(shù)據(jù)和談話內(nèi)容進(jìn)行分析。

課后小測(cè)共10道選擇題，其中節(jié)選第二題如下：小洋進(jìn)行“探究光的反射定律”實(shí)驗(yàn)（圖9），步驟如下：①把白紙放在水平桌面上;②在白紙上畫(huà)一條直線;③將平面鏡的一側(cè)與直線重合，并垂直壓在紙而上;④讓紅、綠、藍(lán)三束不同顏色的激光射向平面鏡的同一點(diǎn)O，如圖甲所示，其中藍(lán)色激光垂直平面鏡入射;⑤在白紙上用筆描繪出光路。記錄的結(jié)果如圖乙所示。下列說(shuō)法正確的是（? ? ）

A.在圖乙中，反射光線A的顏色是綠色

B.紅光與平面鏡的夾角θ=26°，則這一束光線的反射光線形成的反射角大小為26°

C.小洋沒(méi)有找到藍(lán)光的反射光束，他認(rèn)為當(dāng)光垂直平面鏡入射時(shí)，不存在反射光

D.小洋用激光沿著B(niǎo)O方向入射，反射光線與綠色光束重合

從表1分析，運(yùn)用VR技術(shù)輔助教學(xué)正確率較高。據(jù)考生回憶及觀察學(xué)生的答題情況，筆者發(fā)現(xiàn)只是運(yùn)用實(shí)驗(yàn)授課的學(xué)生，雖然看過(guò)書(shū)本對(duì)角度的定義，但是很自然地認(rèn)為平面鏡與入射光線的夾角為入射角，對(duì)入射角的概念理解不深刻。而運(yùn)用VR技術(shù)實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生對(duì)入射角概念印象深刻，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生認(rèn)為課堂上用立體空間的視角演示入射光線與法線的夾角為入射角現(xiàn)象具體，法線雖然是輔助線，但是其引入可以更好幫助研究入射光線和反射光線的關(guān)系，而且電腦顯示從不同角度入射的光線是不同顏色的，對(duì)應(yīng)生成的反射光線也是不同顏色，由此可以說(shuō)明運(yùn)用VR技術(shù)視覺(jué)效果好。

一方面，學(xué)科核心素養(yǎng)要求教師培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境下解決問(wèn)題的能力，更好的信息輸入是解決問(wèn)題必要條件。具體來(lái)講，看書(shū)了解實(shí)驗(yàn)不如視頻觀看實(shí)驗(yàn)，視頻觀看實(shí)驗(yàn)不如親手做實(shí)驗(yàn)，除非是危險(xiǎn)性極高的實(shí)驗(yàn)不做，其它一般實(shí)驗(yàn)都要讓學(xué)生有親身經(jīng)歷過(guò)程，學(xué)生才會(huì)有所體會(huì)。另外一方面，能提供給學(xué)習(xí)者越多信息的輸入方式，其對(duì)信息的理解就會(huì)越深刻。眼睛看、耳朵聽(tīng)、嘴巴說(shuō)、動(dòng)手做可以加深印象;線段用不同的顏色，不同的粗細(xì)等等可以顯示不同的重要性，VR技術(shù)可以通過(guò)電腦增加演示的方式，提升學(xué)習(xí)效果。

課后對(duì)運(yùn)用VR技術(shù)進(jìn)行授課的實(shí)驗(yàn)組學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查（表2），該問(wèn)卷調(diào)查一共三道題，為常規(guī)問(wèn)答分為：非常好、好、一般、差四個(gè)等級(jí)。其中第四題為開(kāi)放性問(wèn)題，調(diào)查結(jié)果如下表所示。

首先有96%的學(xué)生認(rèn)為VR技術(shù)顯示效果清晰，并且在課堂上可以與設(shè)備進(jìn)行互動(dòng)喜歡這種參與方式;其次有93%的學(xué)生認(rèn)為自己能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)圖像從不同角度了解光路的傳播路徑，并且能了解光的反射定律。96%的學(xué)生認(rèn)為利用VR技術(shù)可以了解到生活中的反射現(xiàn)象發(fā)非常有趣。部分學(xué)生提出了一些開(kāi)放性問(wèn)題，例如，可以把VR技術(shù)的演示實(shí)驗(yàn)換成學(xué)生實(shí)驗(yàn)，讓更多的學(xué)生能參與其中，部分學(xué)生認(rèn)為課件可以更加多元化，不僅僅展示光路和角度，而且可以把生活中有關(guān)光的反射的現(xiàn)象加入其中，讓大家在場(chǎng)景中了解光的反射定律的生活現(xiàn)象。

六、結(jié)語(yǔ)

基于VR技術(shù)成像的信息可視化效果好，讓用戶以直觀交互的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的觀察和瀏覽，從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的特征、關(guān)系和模式。筆者通過(guò)《光的反射》這一教學(xué)案例研究發(fā)現(xiàn)，如果教學(xué)過(guò)程中只是做學(xué)生實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)生是能通過(guò)實(shí)驗(yàn)知道光的反射定律，但是由于部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果不明顯，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程覆蓋面不廣，學(xué)生只是做到機(jī)械記憶。

如果將VR技術(shù)輔助于物理教學(xué)，學(xué)生能夠從三維度方向觀察到實(shí)驗(yàn)效果，有效提升初中物理教學(xué)效果?！豆獾姆瓷洹分皇荲R技術(shù)的個(gè)案，其可視化效果可以應(yīng)用于很多教學(xué)案例。比如，人教版九年級(jí)第十四章熱機(jī)，教師可以運(yùn)用VR技術(shù)清晰展示熱機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)行過(guò)程。因此，運(yùn)用VR技術(shù)對(duì)初中物理教學(xué)優(yōu)勢(shì)明顯，一方面彌補(bǔ)傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可視化效果差，另一方面使教學(xué)手段多樣化，激發(fā)學(xué)生興趣、提高學(xué)生參與課堂的程度、助力科學(xué)思維的培養(yǎng)。

由于教育硬件的投入和普及需要教育相關(guān)部門的支持，而優(yōu)秀師資的培訓(xùn)需要時(shí)間教學(xué)的課程內(nèi)容與編程內(nèi)容需要整合和優(yōu)化。因此，一定程度阻礙了VR技術(shù)的發(fā)展。但是VR技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，相信隨著技術(shù)的迭代和完善，在相關(guān)部門的努力下，VR技術(shù)能夠發(fā)揮其多元化、自主化和探究化的優(yōu)點(diǎn)，使初中物理教學(xué)能夠多樣化發(fā)展，助力物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

[本文系廣東省中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0專項(xiàng)科研課題“VR技術(shù)在初中理化生微觀實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與突破”（課題立項(xiàng)號(hào)：TSGCKT202009）的研究成果]

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責(zé)任編輯? 楊? 杰0E6F6336-EAFB-4110-A30E-E848D2C094AD