虛擬情境在電子物理教學(xué)的應(yīng)用初探

虛擬情境在電子物理教學(xué)的應(yīng)用初探〔〕:

摘要：隨著教育信息化的不斷推進(jìn)，以圖片和音、視頻等多媒體技術(shù)為載體的電子物理教學(xué)得以迅速開(kāi)展。在此根底上，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬情境教學(xué)也開(kāi)始應(yīng)用于物理教學(xué)理論。本文就虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，及其應(yīng)用于物理教學(xué)的意義和方式展開(kāi)研究，以期對(duì)物理教學(xué)理論有所助益。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；物理；應(yīng)用方法

本文引用格式：胡章華.虛擬情境在電子物理教學(xué)的應(yīng)用初探[J].教育現(xiàn)代化,2022,6(82):127-128.

情境教學(xué)就是根據(jù)學(xué)生的年齡和知識(shí)程度的不同，創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的教學(xué)場(chǎng)景和適宜的教學(xué)環(huán)境，以激發(fā)學(xué)生的情境思維和學(xué)習(xí)興趣，到達(dá)既定的教學(xué)目的。優(yōu)質(zhì)的教學(xué)情境可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)，因此在教學(xué)中具有重要地位。隨著信息技術(shù)的飛速開(kāi)展，電子教學(xué)通過(guò)圖片、音頻、視頻等載體，以及先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)理論中的實(shí)時(shí)有效互動(dòng)，顛覆了傳統(tǒng)的黑板粉筆加口語(yǔ)講授的教學(xué)形式。在這一根底上，情境教學(xué)的創(chuàng)設(shè)手段由通過(guò)語(yǔ)言描繪情境和使用圖畫(huà)展示情境，開(kāi)展為利用現(xiàn)代信息技術(shù)和多媒體設(shè)備創(chuàng)設(shè)接近真實(shí)的教學(xué)情境，這是教育信息化和現(xiàn)代化開(kāi)展的必然趨勢(shì)。

一當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開(kāi)展及其與教育領(lǐng)域的交融

信息技術(shù)的飛速開(kāi)展，深化影響著人類(lèi)社會(huì)的消費(fèi)和思維方式。教學(xué)媒體是教育理論的重要輔助工具，任何一種新媒體與教育的交融，都會(huì)引起教學(xué)理論各個(gè)層面的宏大變革。虛擬現(xiàn)實(shí)是信息技術(shù)和多媒體技術(shù)的終極應(yīng)用，將其應(yīng)用于教育，必將引發(fā)教育理念和形式的重大變化。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是綜合運(yùn)用數(shù)字圖像處理、傳感技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、人工智能等高新技術(shù)，用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維感覺(jué)，參與者戴上特制的傳感設(shè)備，便可以對(duì)虛擬世界進(jìn)展體驗(yàn)和交互。【1】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以構(gòu)建出教學(xué)所需的逼真的虛擬場(chǎng)景，使學(xué)生具有身臨其境的感覺(jué)，在教育領(lǐng)域有著宏大的應(yīng)用潛力和開(kāi)展前景。

在信息化開(kāi)展不斷深化的今天，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域，尤其是物理、化學(xué)、生物等學(xué)科，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)立三維學(xué)習(xí)環(huán)境，將知識(shí)信息逼真呈現(xiàn)，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)了自主探究式學(xué)習(xí)，完成對(duì)所學(xué)知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)。

二虛擬情境在教育領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)及其介入物理教學(xué)的意義

〔一〕虛擬情境在教育領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬情境，其應(yīng)用于教育領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)表達(dá)于以下幾個(gè)方面。

1.沉浸感，是指利用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維立體圖像，讓學(xué)生仿佛置身于真實(shí)的客觀世界，全身心地沉浸在虛幻世界中，把精力最大程度地投入學(xué)習(xí)。

2.交互性，指用戶(hù)對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)物體的可操作程度和用戶(hù)從虛擬環(huán)境中得到反響的自然程度?！?】在虛擬情境中，學(xué)生可以通過(guò)傳感設(shè)備按照自己的學(xué)習(xí)需要，通過(guò)改變模型大小和顏色，挪動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大或縮小虛擬模型等方式實(shí)現(xiàn)與虛擬情境的動(dòng)態(tài)交互。

3.想象感，虛擬情境可使學(xué)生沉浸于逼真的環(huán)境中，進(jìn)步對(duì)所學(xué)知識(shí)的感性和理性認(rèn)知，并在此根底上產(chǎn)生新的聯(lián)想和想象，獲取新的知識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維。

〔二〕虛擬情境介入物理教學(xué)的意義

1.通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)提供替代經(jīng)歷

物理實(shí)驗(yàn)課程為理工科根底教學(xué)課程，也是對(duì)理工科學(xué)生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)技巧傳輸?shù)闹饕??！?】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能給學(xué)生造成直觀的視覺(jué)沖擊，使其產(chǎn)生身臨其境之感，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中合理使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將一些具有危險(xiǎn)性和不具備現(xiàn)實(shí)操作條件的實(shí)驗(yàn)，如核反響堆實(shí)驗(yàn)、放射性物質(zhì)實(shí)驗(yàn)等，通過(guò)虛擬情境讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生真實(shí)體驗(yàn)。即使是在現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗(yàn)室中可以開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以極大地進(jìn)步其交互動(dòng)和興趣性，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)物理理論知識(shí)的理解，促成學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性的發(fā)揮。

2.提升物理教學(xué)實(shí)效

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造接近真實(shí)的物理虛擬實(shí)驗(yàn)室、三維物理儀器模型、虛擬操作平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理教學(xué)的可視化、具象化，使學(xué)生大膽嘗試，親自動(dòng)手理論，在深化理解物理理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)原理的根底上，激發(fā)創(chuàng)新思維，進(jìn)步物理核心素養(yǎng)。而且，學(xué)生通過(guò)虛擬情境進(jìn)展物理相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，即使由于操作不當(dāng)在某個(gè)環(huán)節(jié)出了過(guò)失，也可以進(jìn)展重新操作，不會(huì)使整個(gè)實(shí)驗(yàn)無(wú)法挽回，這樣可以使他們將將注意力集于理解實(shí)驗(yàn)原理和進(jìn)展其他探究，有效進(jìn)步物理教學(xué)的質(zhì)量與效率。

3.減少物理教學(xué)的資金投入

以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造虛擬物理教學(xué)情境，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)展物理教學(xué)，不僅可以進(jìn)步學(xué)生的教學(xué)參與度，使學(xué)生可以在各種場(chǎng)合和時(shí)間靈敏進(jìn)展自主學(xué)習(xí)，豐富物理教學(xué)的組織形式，還可以有效縮減物理教學(xué)設(shè)備的經(jīng)費(fèi)。

4.使物理教學(xué)更為靈敏、便捷

在通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造的虛擬情境中，物理教學(xué)設(shè)備、儀器等都不是真實(shí)的存在，器材不會(huì)真正損壞且參數(shù)可隨意調(diào)節(jié)，還可以任意組建、連接，隨著物理模型的不斷創(chuàng)立還可以進(jìn)展擴(kuò)大。虛擬物理教學(xué)情境中的物理構(gòu)造、運(yùn)行規(guī)律等要素與真實(shí)情況幾乎一致，學(xué)生還可以改變物理器材的大小、方位，以進(jìn)展個(gè)性化的觀察和探究。物理教學(xué)因此更加靈敏和便捷。

5.實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)物理教育資源共享

充分利虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合多校打造物理協(xié)同實(shí)驗(yàn)室和遠(yuǎn)程虛擬教學(xué)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)頂級(jí)物理師資力量和優(yōu)質(zhì)物理教學(xué)資源的共享，使更多的學(xué)生可以承受優(yōu)質(zhì)的物理教育，拓寬其學(xué)習(xí)途徑。

三虛擬情境在物理教學(xué)中的應(yīng)用方式

〔一〕虛擬情境應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)室

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)立物理虛擬實(shí)驗(yàn)室，是物理虛擬情境教學(xué)的重要實(shí)現(xiàn)方式。物理虛擬實(shí)驗(yàn)室由虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、虛擬器材庫(kù)和開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)組成，我國(guó)不少學(xué)校已經(jīng)著手進(jìn)展此項(xiàng)工作的理論探究。我國(guó)第一個(gè)物理虛擬實(shí)驗(yàn)室是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)開(kāi)發(fā)的，儀器可以拆卸，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)產(chǎn)生，可以使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器構(gòu)造產(chǎn)生直觀的認(rèn)知。由于開(kāi)發(fā)較早，此軟件是單機(jī)版，并未使用3D界面。此后，隨著信息技術(shù)的飛速開(kāi)展，類(lèi)似物理虛擬實(shí)驗(yàn)室不斷推出并實(shí)現(xiàn)了功能的優(yōu)化。

〔二〕應(yīng)用于物理課程教學(xué)

目前，信息技術(shù)在我國(guó)物理教學(xué)中的應(yīng)用已極為普遍，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)造一個(gè)以學(xué)生為主體的互動(dòng)學(xué)習(xí)空間，學(xué)生通過(guò)自身與空間的互相作用獲取技能和知識(shí)，便于師生之間、學(xué)生之間的交流?！?】物理教學(xué)團(tuán)隊(duì)也不斷開(kāi)發(fā)物理虛擬教學(xué)模型，如吉林師范大學(xué)物理學(xué)院開(kāi)發(fā)的固體物理中的三維晶體構(gòu)造。物理虛擬情境無(wú)論是宇宙宏觀環(huán)境，還是粒子構(gòu)造的微觀環(huán)境，學(xué)生都可以在虛擬課堂中進(jìn)展觀察和研究。對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維物理虛擬情境教學(xué)，可以讓抽象的物理理論知識(shí)和現(xiàn)象更為詳細(xì)可感，降低物理學(xué)習(xí)難度。

〔三〕應(yīng)用于物理虛擬實(shí)操訓(xùn)練

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性特征，將其應(yīng)用于物理教學(xué)后，學(xué)生可以在虛擬教學(xué)情境中進(jìn)展物理虛擬實(shí)操訓(xùn)練，彌補(bǔ)傳統(tǒng)物理教學(xué)中的學(xué)生理論性缺乏的缺陷。虛擬情境杜絕的物理理論中的可能存在的危險(xiǎn)，并且可以多人屢次操作，使所有學(xué)生都有時(shí)機(jī)反復(fù)練習(xí)，全面掌握相關(guān)知識(shí)和技能。

在學(xué)生進(jìn)展真實(shí)操作之前，教師應(yīng)要求學(xué)生通過(guò)虛擬演示實(shí)驗(yàn)明確實(shí)驗(yàn)的目的、要求和原理，然后按照相關(guān)的要求進(jìn)展虛擬操作，并輔以相關(guān)的考慮題。【5】這樣，學(xué)生可以通過(guò)虛擬操作的練習(xí)防止真實(shí)世界中相關(guān)的操作的失誤。

〔四〕應(yīng)用于物理虛擬遠(yuǎn)程教學(xué)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理遠(yuǎn)程教學(xué)，尤其是在5G技術(shù)的推動(dòng)下，全息名師公開(kāi)課、虛擬仿真教學(xué)等全新教學(xué)形式通過(guò)試點(diǎn)形式在全國(guó)各地開(kāi)展。一旦技術(shù)成熟應(yīng)用于物理教學(xué)，不但可以進(jìn)步全國(guó)的優(yōu)質(zhì)師資和教學(xué)資源的利用率，更可以進(jìn)步學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣和物理教學(xué)實(shí)效。

四結(jié)語(yǔ)

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)層面上有了可行性。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入物理教學(xué)有著諸多好處，可以有效提升教學(xué)質(zhì)量和效率。但由于虛擬物理實(shí)驗(yàn)只是對(duì)現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的一種模擬，而被虛擬化儀器是一種基于軟件的模擬技術(shù)，與實(shí)際硬件系統(tǒng)必然存在差異，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有一定的局限性?！?】因此，教育部門(mén)和物理教育工作者要正確處理虛擬技術(shù)和物理教學(xué)的關(guān)系，不斷探究和改良虛擬情境下的物理教學(xué)理論。

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