VR技术在物理实验教学模式创新中的应用

何 珊

(广东理工学院 工业自动化系，广东 肇庆 526100)

20世纪末，VR技术因为其优秀的性能被迅速应用到各个领域，VR技术包括数字图像处理、计算机识别、多媒体技术以及网络并行处理、人工智能等信息技术和高性能计算技术。VR技术立体感强，表现出色，丰富了人机交流方式。与传统的计算机辅助教学系统相比，VR技术具备以下三个特点：“浸入式体验”的沉浸感；新的人机交互方式促使交互性和真实性更高；通过虚拟画面增强用户的刺激感。VR技术的广泛应用和自身的特点使用户在虚拟环境中获得极致真实的体验[1]。

物理实验对当代物理学研究有着很重要的意义，物理学的发展可以引起科学与社会的巨大变革。当前我国的物理实验教学中，还存在一些问题，例如当前教育局对引入VR技术的重视程度不足，相关部门下发的经费不足，能够正确使用VR技术的教师过少等问题。就目前来看，大多数学校的物理实验设备过于陈旧，且种类较少，这些都成为了取得物理实验教学效果的限制条件。因此根据VR技术特点，研究VR技术在物理实验教学中的应用，不仅能够有效改善实验仪器与部件的不足，同时能够减少仪器消耗，避免使用过程中操作不当导致仪器损坏，使学生能够在短时间内快速掌握课堂教学内容，从而更好地理解物理学概念和相关原理，帮助教师在教学过程中能够更好地教授学生，培养和提高学生在物理学方面的综合能力，提高学生的开拓创新能力。

1 VR技术在物理实验教学中的应用对策

将VR技术用于课堂物理实验教学，可以将课堂变成一个“虚拟的”场景，为学生提供不同的体验。只要条件允许，可以让学生在一个相对真实的环境中完成实验教学。首先通过VR技术模拟物理实验场景，然后在现场实际环境中进行具体操作实验。虚拟实验中使用教学软件主要是为了便于学生理解和掌握实验原理，利用物理实验增强学生的动手能力和思考能力，确保学生能够更加全面发展，否则容易造成学生实践能力的低下，设定相关对策让学生操作各种技能。

将VR技术应用到物理实验教学中，教学软件是整个教学的基础，其质量至关重要。因此在安装软件时，首先要考虑科学原理，比如安装过程中考虑大规模应用、设置参数、尽可能少地连接外设等因素。使用工具即使用颜色，也要科学真实，确保学生不会因其产生错误操作，一旦出错，其影响范围将难以预测。因此，在产品投入使用之前，生产厂家必须对产品进行加工，加工完成后，经过反复检验确认无误后才可投入使用。除此以外，在教学过程中还应根据教学需要，正确选择实验材料，根据学生对实验内容的理解与接受程度，合理安排教学内容，以达到教学目的。

除上述应用对策以外，学校还可以根据教学需要配备传感器，触摸屏，压力表等辅助设备，或者头盔，数据手套等外部装备，以及通过影视媒介为学生提供一些另类的体验，让学生更清楚地了解科技的发展。

2 VR技术在物理实验教学中的应用方式

VR技术在经历了20多年的研究与探索后，于20世纪80年代后期逐步从理论研究和探索阶段开始进入应用阶段。在传统的“教促学”模式的基础上，逐步转变为通过大学生自身与信息环境的互动，创造“自主学习”的学习环境。VR技术在教育市场的应用前景也十分令人振奋，尤其是在开发了更好更廉价的虚拟现实软件和硬件后，由于其允许学生获取各种信息，学科的范围涉及面广。教师可以不受限制地使用VR技术以提升各学科的教学效果，为学习者提供了众多的学习方法和实践方法[2]。

2.1 模拟物理实验场景

VR技术是利用计算机模拟现实世界的综合技术，由于该技术可以创造一种与现实社会相似的环境，从而解决情景化、自然化交互式学习媒介的需求，因而在教育领域中有着广阔的应用前景[3]。

VR技术可以使实验室一室多用，不同的学生都能够在实验室做实验，从而解决实验室内部资金紧张问题。使用VR技术由于不需要花费太多的精力去迁移和准备实验设备，在方便教学组织的同时，也可以保证实验教学组织更加灵活多样，如物理实验教学时可以通过单独利用计算机完成，也可以分组完成。学生可以通过互联网寻求教师和同学的帮助，除此以外，在实验过程中，学生和教师能够更好地在资料库中查询知识，确保实验能够更好更顺利地进行。

2.2 拓展实验教学方法

VR技术有很强的渗透感和刺激感。在实验教学中应用VR技术，为学生带来真实感的同时，对实际教学中不能完成的核反应实验、放射性毒性实验等物理实验，采用虚拟实验可以使学生获得不同的体验。运用VR技术构建“虚拟场景”，确保实验教学的趣味性和实际效果。举例来说，在浮力实验中，教师通常要求学生在盛水的容器里放上一个体积较大的物体，然后通过不断增加重量的方法完成实验，但用VR技术完成该实验时则有所不同。实验人员可以在虚拟场景中完成实验，学生可以假定他们是潜水艇的船长，借助计算机周边设备，控制潜水艇航行、撤退、沉降和悬浮等状态，通过实验发现无论潜水艇处于何种运行状态，其重量都会落入水中。通过VR技术实现了一个生动活泼的虚拟实验，学生通过VR技术视觉同步，深刻理解浮力知识的基础上，又能激发想象思维，从而培养和提升学生的综合分析能力。

3 应用效果分析

将VR技术应用到物理实验教学中，多数实验教学仅需使用计算机及相关软件。因此，在物理实验教学过程中，可以首先在计算机上进行，然后再进行实际操作，减少实验设备的使用频次，提高其使用寿命，节约资金。同时，学生们可以在实验室课堂外利用计算机完成物理实验，场地布置灵活方便，组织形式多样，有利于扩大实验教学规模。

利用VR技术，使学生在不同的实验中都能高效而大胆尝试完成实验。采取主动、有趣、灵活、多样的实验方法，不仅能够激发学生对物理的学习热情，同时也能确保物理学的教学质量。做实验过程中，学生也应该注意理解、运用和设计实验原理，避免操作不当而影响实验结果的准确性，利用VR技术软件能帮助学生快速、准确地解决实验中出现的问题，有效解决传统实验教学模式中“多教少教”的问题。

4 结束语

目前北京大学、清华大学等许多大学在物理教学上，都应用了VR技术，并取得了一定的成效。以各种经典的通用对象实验为主线，借助计算机技术，以互动视听、虚拟形式，在计算机屏幕上呈现大量难以阐明的实验原理和科学现象。许多实验教学结果都表示，VR技术在物理教学中可以取得很好的效果，不仅能够培养学生的实践教学能力，同时也能够提高学生的操作能力和创新能力。对于当代物理教学来说，如何更好地利用VR技术培养物理人才，办好实验课程，是当前迫切需要解决的问题，希望本文的研究对于物理教学能够有一定的启发意义。