VR技术在中学物理教学中的应用前景

　　2016年新一轮的教育改革提出了发展学生核心素养的新要求。物理学科在新课改核心素养的框架下，提出了物理核心素养，即“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与责任”。[1]确立了基于物理学科核心素养的教学目标和内容，强调在教学设计中重视教学情境的创设，重视科学探究能力，通过问题解决发展学生物理学科核心素养。在传统的教学过程中，对学生实现核心素质教育存在着很多困难。同时教育信息化在各级部门的不断推动下，取得了相应的成果，也对中小学教师信息技术应用能力提出了更高的要求。教师的“教”要运用适宜的信息技术手段，不同学科教师也要根据学科特点选择相应的媒体技术，利用前沿技术如AI,VR,AR等辅助教学活动。结合物理学科的特点，我认为VR技术更加适用于物理教学。因此，探究VR技术在中学物理教学过程中的应用形式与方法以及可能的应用前景大有可为。

　　VR技术作为一种持续发展的技术，不断被尝试应用于教育领域。从中国知网数据库、中文期刊数据库的文献篇数可以看出，对于VR技术的应用研究一直备受关注，并且近几年来VR技术在教育中的开发及应用研究处于发展时期，有持续发展的趋势。目前VR技术在教学中的应用大部份都是通过电脑建立模拟仿真实验为主。例如：德国亚琛工业大学自主开发炼铁虚拟实验。俄勒冈州立大学化学工程系建设了虚拟CVD学习平台。包括我国的实验空间—国家虚拟仿真教学平台。将VR技术大面积应用于教学过程中的模式还处于探究阶段。但随着科学技术的快速发展，VR技术在教学过程中的应用有很大的发展空间。

　　本文主要通过文献查阅的方法，查阅有关VR技术在物理教学中应用的相关文献，通过对比研究。探究VR技术在中学物理教学中最合适的应用方式，以及VR技术在教学过程中的应用方法。并且分析VR技术在教学过程中的优势和不足，为VR技术应用于中学物理教学提供具体可行的参考方式。

　　VR是Virtual Reality的缩写，中文的意思就是虚拟现实。虚拟现实是多媒体技术的终极应用形式，主要是指借用计算机和传感器，能让用户在一个采用计算机生成的三维的动态的虚拟环境中活动或与之相互作用的技术。其具有以下三个特点。一，沉浸性。指用户对虚拟世界中的真实感。用户在模拟环境中，几乎所有的感觉都和现实世界中一样。二，交互性。指用户对虚拟世界中的物体的可操作性。通过传感器，用户可以在虚拟世界中操作物体的移动，并具有和现实世界一样的操作体验。三，构想性。指用户在虚拟世界的多维信息空间中，依靠自身的感知和认知能力可全方位地获取知识，发挥主观能动性，寻求对问题的完美解决。

　　VR技术的发展最早起源于20世纪50年代X。其发展大致可分为四个阶段，第一阶段是指该技术形成的前身，对人与自然互动场景进行模拟，例如风筝。第二阶段I van Suther lan研制的头盔显示器HMD标志着VR技术进入萌芽阶段。第三阶段VIDEOPLACE系统以及VIEW系统能构建出虚拟环境。第四阶段为技术完善及应用阶段。目前VR技术已经比较完善，但其应用还有待开发。目前VR可分为一下四种类型：

　　（1）沉浸式VR系统。搭载头盔等VR设备，使用户完全沉浸在虚拟世界之中.

　　（2）桌面VR系统。模拟又计算机执行，用户通过屏幕观察虚拟场景。这种系统成本低，沉浸性弱，目前应用较多。

　　（3）增强式VR系统。方便携带，用户感官更为强烈，从而沉浸在虚拟世界。

　　（4）分布式VR系统，在网络覆盖的前提下，用户在同一个虚拟空间进行协同感知，信息共享。

　　目前运用的最广泛的是桌面VR系统，能够使学生通过电脑模拟出的环境进行一些实验操作，并观察实验现象。但其沉浸式体验较差，操作过程比较复杂，实验效果呈现缺乏真实，学生只能按照固定的步骤来完成实验，不能培养学生的探究能力。我认为未来比较适用于教学实践中的系统应该是分布式VR系统和沉浸式VR系统的结合形式。分布式VR系统，有能够让老师同时面对多名学生教学，能够及时地得到学生的反馈，观察学生的行为，对学生提出正确的引导。沉浸式VR系统，有利于提高学生的学习体验，能够建立完善的虚拟世界，帮助学生和教师更好地完成教学任务。

　　无论是物理核心素养教学体系重视教学情境的创设，重视学生的科学探究能力的培养。还是可视化教学要求的直观形象，易切入。在我们传统的教学过程中都很难全面的做到这些要求。而VR技术的出现，为以上问题带来有效地解决办法。在课堂教学方面，VR技术能够创设逼真的教学情景，为学生提供沉浸式的教学环境，提高课堂的交互性。在实验教学方面，VR技术能够打破时间场地的限制，节约实验成本，能够直观清楚地展示实验结果，同时其具有极高的安全性，能够让学生自主探究，在不断地失败中总结出结论。为实验教学提供全面的教学需求与保障。从教学需求和效果上分析VR技术在中学物理教学中应用完全可行。从硬件设施上来看，目前市面上比较适用于课堂教学的VR设备有三种。第一种，移动端头显（手机VR）将智能手机放置在设备中，利用VR软件或VR视频进行播放。第二种，一体机头显（VR一体机）具备独立处理器的VR头显，可通过一体机内的系统进行操作，进行沉浸式体验。第三种，外接头戴式设备（主机VR）依靠电脑，主机等设备运行的VR显示设备。这三种设备都能达到沉浸式体验的要求，但第三种体验效果最好。从综合考虑我认为最好的是第二种，一体机头显。其价格大约在1000-3000之间就能得到很好地体验，对学生学校而言也容易接受。

　　物理学是以观察、实验和逻辑思维相结合的科学。具有很强的逻辑性、精确性等特点。中学物理课的教学根据课堂内容可大致分为三类，概念、规律课，实验课以及习题课。我们将概念、规律课和习题课作为我们课堂教学的重点来分析目前课堂教学中存在的不足。

　　（1）物理课的学习具有很强的逻辑性，需要学生们积极参与到课堂中才能取得好地学习效果。但由于大班教学人数比较多，老师不可能关注到每个学生导致学生们课堂参与度低，学习的积极性不高，课堂氛围沉闷，学习效果不明显。

　　（2）物理课程中有许多概念是比较抽象，难懂的。比如加速度、电压、磁场等。传统的教学模式中老师缺乏讲解这类抽象概念的手段。用文字描述的这类概念非常空洞学生很难理解。

　　（3）新的教学目标要求老师创设情境教学，但用普通的文字，图片，视频来创设的情境比较抽象枯燥，不能实现学生与创设的环境互动，学生的代入感不强很难激发学生的学习兴趣。

　　（4）物理教学中物理模型的建立非常重要，传统教学中，只能通过文字和图片以及画图等方式来帮助学生建立模型，对学生的立体空间思维能力要求较高，很多学生不能完全理解这些模型，导致学生做题困难。

　　（1）VR技术能创设更真实的教学情境。通过VR技术创设教学环境，能够刺激学生的多重感官，让学生从多个角度观察物理情境中的各种细节，使学生更容易沉浸到物理的世界中去。同时VR新颖的教学方式也会更加激起学生的学习兴趣，为课堂教学营造一个良好的氛围。以初中物理“光的直线传播”为例，在这个课程引入中，我们可以用日食和月食的产生来引入，通过VR技术建立虚拟的日食和月食的模型，让学生从不同角度去观察、分析日食月食产生的原因，同时了解日食、月食中，太阳、地球、月亮的位置关系。通过这样的情境创设传授给学生知识，能使学生记忆深刻。还能使学生对知识的了解更加深刻、具体、透彻。

　　（2）VR技术能够提高学生体验学习过程的效果，存在感和关注度。在一般的教学模式中，学生可能因为各种原因对老师所组织的教学活动很难全部参与。在VR教学模式中，学生不必受到空间的限制都能和老师面对面沟通。每个学生都是课堂的主人，能够很方便的参与到与老师的互动之中。这样的教学模式解决了传统教学中，后排学生听课效率低的问题，使每个学生都有足够的参与机会，容易在学习中得到满足感。

　　（3）VR技术能够建立虚拟模型，帮助学生理解物理概念，建立解题思路和方法。VR技术能够突破黑板的限制，通过VR技术建立的3D模型，能够使学生对物理模型有一个简洁、直观的认识，能够加深学生的理解。比如在讲解相对速度时，可以创设汽车以不同速度在路上行驶的场景，学生通过不同车上的视角，去感受速度的变化，就可以使学生对相对速度和绝对速度产生深刻地理解。

　　物理是一门以实验为基础的学科，但是在目前中学物理实验教学中存在以下几点问题。

　　（1）实验课开展较少。不管是初中还是高中，物理课标中都明确规定了实验教学的目标。但很多学校由于缺少足够的实验教学资源；教学时间安排较紧，教师在实验教学的课程中一般都以视频或者利用多媒体直接给学生展示实验。老师很少带领学生开展实验课教学。违背了学生全面发展的要求。

　　（2）物理实验设备陈旧，缺少。大部分中学学校的实验室均存在实验设备缺少，设备损坏较严重的现象，不能得出正确的实验结果。实验器材数量少难以满足所有学生的需求。

　　（3）许多物理实验具有一定的危险性，老师在教学生做实验的过程中，都是按照自己严格的标准来，学生缺少了探索、思维的过程。出现了学生只注重实验结果的分析，而缺少对实验过程的理解和探究。违背了核心素养中“科学探究”的要求。

　　（4）面对一些理论探究的实验，比如说探究“自由落体运动”的实验中，由于实验需要在真空中进行，但一般的教学环境很难做到真空，导致同学们缺少直观地观察，对这些概念难以理解。

　　（5）在一些实验过程中，实验现象发生比较快，或者实验现象变化不明显，学生不能准确观察和确认，导致学生不能根据实验现象推导出正确的实验结论。

　　以上几点问题，使传统教学中实验教学效果差，甚至有些老师只通过练习题讲解的形式来完成实验的教学，学生缺少了动手操作的过程，缺乏了对实验分析探究的过程。导致许多学生对物理失去了兴趣，丧失了探究真理的想法和能力。

　　（1）方便快捷。运用VR技术进行物理实验教学，突破了传统实验教学中，教学场地、教学器材、教学时间的局限性。学生不必到实验室，老师也不需要提前去准备实验器材，可以在课堂上及时进行实验探究，节约了教学时间，使实验教学更加方便。

　　（2）经济实惠。运用VR实验教学不必考虑到实验中一些实验器材的磨损和损坏。也不用担心因操作失误带来的损失，学生可以在实验过程中不断尝试，不断探索。在一些缺少实验器材的偏远学校也可以运用VR技术进行实验教学，节约了办学成本，提高了办学效率。

　　（3）实验资源丰富，可满足不同场景下的教学。运用VR实验教学可以更具实际需要来设置实验条件，比如空气阻力的影响，摩擦因素的大小，温度的高低都可以通过实验需要来调节。突破了现实环境的限制，可以使学生观察到更加真实情况下的实验现象。

　　（4）安全性高。运用VR实验教学能够使学生进行一些在传统实验教学中比较危险的实验，避免了实验中可能对学生产生的伤害，同时也减少了实验中产生的有害物质对环境地污染。VR实验教学没有任何污染与危险，确保了每个学生都能在安全的状态下，对各种实验的探究。

　　（5）实验现象直观、明显，能够直接分析结果。运用VR实验教学，可以调节实验的实验现象的发生快慢，将那些反映比较快的物理现象放慢，也可以将反应不明显的实验现象放大观察。同时还可以运用计算机直接进行实验数据的处理，利用表格和图像的方式反映出来，有利于学生对实验结果的掌握。

　　（6）有利于实验过程的探究和反思。运用VR实验教学能够将学生实验过程还原，老师可以根据学生的操作过程，发现学生操作中的不足进行点评。同时学生还可以进行回放，加深对实验过程的认识，当实验结果与现实结果不同时可以根据回放检查自己的错误，并加以改正。有利于学生在实验后的反思。

　　利用VR技术能够解决一大部分传统物理教学中所遇到的问题，能够提高学生的参与度与关注度，培养学生的动手能力。直观、形象的实验结果，有利于学生对实验教学的理解，提高学生的学习兴趣和对实验结果的分析思考能力。通过回放学生的实验过程，能够使学生得到较好的反思效果，培养其严谨的、实事求是地科学态度。提高中学物理实验教学中的教学效果。

　　VR技术进入物理实验课堂中，必然会对传统的实验教学模式带来冲击，那么如何将VR技术与传统的物理实验模式相结合？如何在虚拟与现实之间找到一个平衡点，使我们物理实验的效果真实而不脱离实际，创建高效的物理实验课堂？根据构建主义理论和教学设计的理论，结合不同学校的实际情况，VR技术下的中学物理实验课堂大致可分为一下三类。

　　第一类：对于一些实验教学仪器缺乏的学校和地区，或者物理学中一些微观、过于宏观、具有极大危险性的实验。现实生活中不具备有直接实验条件的情况下。我们可以采取直接用VR技术来进行实验的教学方式。通过VR技术创造虚拟的实验环境，让学生进行实验。或者通过VR技术来模拟实验结果的方式。来弥补学生不能进行真实实验的不足。同时又能让学生观察到实验的结果，满足学生的好奇心和求知欲。达到较好的教学效果。

　　第二类：对于一些比较复杂的实验，或者实验操作要求比较高，操作失误可能会导致学生发生危险、造成实验器材损坏的实验。我们可以采取先利用VR模拟实验，再进行实际操作的模式进行教学。通过VR模拟实验，可以使学生先熟悉整个实验过程，对实验的操作步骤有一定的了解。在模拟实验中，系统会根据学生的操作进行判断，当学生操作错误后，系统会根据学生的错误操作展示实验结果。并且提示学生改正方法。在学生改正后，系统会显示正确的实验结果。并进行下一步实验。通过模拟实验，使学生发现实验中可能出现的问题以及解决方案。实验操作失误之后引发的后果以及如何避免失误的方法。使学生在实际操作前具有严密实验操作步骤和思维。然后带领学生进行实际操作。这种模式可以提前发现学生的错误并改正，节约实际操作的时间，避免实验过程中因操作失误带来的损失和危险。同时可以让学生比较分析模拟实验和实际操作过程中的异同点，提高实验教学的效率。

　　第三类：对于一些理论推导的实验，比如“探究影响摩擦力因素的实验”；或者容易受外界空气阻力，摩擦力等条件影响的实验。等外界条件不能完全满足实验要求的情况下，我们就可以采用先进行实际操作，再利用VR模拟的教学模式进行教学。首先学生们亲自动手实验，发现实际操作的结果和书本上的理论结果不一样，教师引导学生们分析出现问题的原因，分析出原因之后，再通过VR技术进行模拟实验，排除实际操作中对实验的干扰，得到符合书本的实验结果。通过这样的教学模式，能够培养学生发现问题、分析问题以及解决问题的能力。同时又能使学生在学习中体会到，由生活中实际现象到书本中理论知识的过程。将物理与生活联系，培养了学生的物理思维和善于思考的习惯。

　　虽然VR技术在中学物理教学中有很大的应用前景，但目前将VR技术应用到课堂中还存在着很难多问题。目前主要问题有以下几点。

　　（1）研发成本高。目前VR技术应用与教学中的主要形式是桌面VR系统下开发的虚拟实验室。距离沉浸式VR教学的应用还有很大的距离。开发合适的软件，维护系统的正常运行，还需要很大一笔消费。但随着科技的进步这一问题肯定会得到合理地解决。

　　（2）教师要求很难达到。如果VR技术应用到实际教学中之后，对老师而言是一个很大的挑战，老师需要学会开发适合VR系统的教学课件，处理课堂中可能会出现的故障，目前这些要求对绝大部分教师来说难以实现。

　　（3）学校硬件设施难以达到要求。要使用VR技术进行课堂教学，学校至少应该每个班配置一个分布式VR系统，同时要保证学校达到4G网络全覆盖，对于很多学校而言要达到这样的配置还很困难。

　　（4）缺乏相应的参考。VR教学是一个新生事物，没有相应的理论去支持，更没有可参考的范例，所有的老师都只能摸着石头过河，因此在教学实践中可能会面临很多突发问题。

　　（5）可能引起社会争论。VR技术是一种新生技术，而教育领域则非常传统。新型技术融入传统行业的过程中，可能会不被很多人看好，发生极大的争论.

　　我认为VR技术是未来教育发展过程中必不可少的一部分，有着巨大的发展前景。将VR技术应用到我们的课堂教学，不仅能够改变传统教学中枯燥、死板的教学模式，使课堂教学变得灵活、生动、形象。丰富的教学资源以及多样化的操作模式可以最大限度地为学生提供自主探究的学习环境，在完成教学任务的基础上可以全面的培养学生的综合素质。将VR技术应用到实验教学，可以将实验教学变得简捷，同时节约教学成本，提高学生的可操作性，极大地避免了传统实验教学中可能存在的危险。在学生的实验过程中，可以完整地记录下学生的操作过程和实验结果，有助于教学后的实验结果的处理和教学反思。提高学生的科学探究能力和科学素养，保证学生的全面发展。虽然目前将VR技术应用到实际教学中还存在着许多问题，但随着对VR技术应用的不断探究，这些问题都将会得到很好地解决。因此，VR技术在中学物理教学中的应用前景值得期待。

　　[1]林明华.高中物理核心素养的内涵与培养途径[J].福建基础教育研究,2016,000(002):4-6.

　　[2]侯丹,宋昊泽.3D虚拟增强现实技术在中学物理教学中的应用研究[J].天津师范大学学报(基础教育版),2018,19(03):69-74.

　　[3]阿岩松.虚拟现实（VR）技术在初中物理实验中的设计及应用研究[D].宁夏大学,2019.

　　[4]魏萌.VR技术在物理实验中的应用探究[D].华东师范大学,2006.

　　[5]潘碧云.浅析VR技术在初中物理情境教学中的应用[J].中学理科园地,2018,014(004):33-35.

　　[6]王文磊,蒋龙成,桑芝芳.VR技术在中学物理实验教学中的应用研究[J].中学教学参考,2018(23):47-48.

　　[7]张玲玲,孔令冬,费金有.VR技术在物理教学中的应用研究[J].当代教研论丛,2018,000(002）:P.1-1.