例谈STEM教育理念下虚拟现实技术zSpace在中学物理教学中的应用

孙佩雄 刘 通

(天津师范大学，天津 300387)

1 问题的提出

物理作为一门以观察和实验为基础的学科,需要学习者具备缜密的思维与高度的空间想象力．传统的以文字、图片、视频为载体的知识传输方式很多时候很难将复杂的物理概念、物理模型清晰呈现,学习者学习过程中遇到的障碍较多,由此对物理学习失去兴趣,这不利于其创新能力的培养．“中国学生发展核心素养”总体框架中提到,实践创新应该成为学生的6大综合表现之一．虚拟现实技术zSpace作为近年来新兴的虚拟现实教学设备,是STEM(science 科学,technology 技术,engineering 工程,mathematics 数学)教育的主要的体现,通过情景化、交互性等特点,解决技术和工程问题,用科学知识和数学工具进行分析．[1]它可以全方位展现知识内容,提升学习者对物理学习的兴趣,加深学习者对复杂物理概念、复杂物理模型的理解,提高学习者的创新能力．因此,将zSpace应用于中学物理教学,可以解决传统教学过程中无法解决的问题．

2 虚拟现实技术zSpace的主要特征

图1 zSpace虚拟现实交互式学习一体机

zSpace是美国硅谷一家公司研发的一种能够在教育、医学、军事等多领域使用的技术手段.运用虚拟与现实的结合方式,让其用户感受科技融入真实世界的魅力．zSpace以STEM教育理念为指引,交互式软硬件zSpace虚拟现实交互式学习一体机系统．它主要由带有头部追踪的全彩色、高清、沉浸式立体感显示器、追踪眼镜及虚拟交互笔组成(如图1所示),高清显示屏的主要构造为一体机,学生要观察到的实验现象均通过此机器进行,在一体机的左右两端安有红外感应装置,能够对追踪眼镜进行追踪,从而根据眼镜的位置调整电脑内部场景的观察位置．通过虚拟交互笔能够控制操作界面,完成整个实验的操作和观察．此外,zSpace虚拟现实交互式学习一体机还可以通过Z-View投影到屏幕上,达到裸眼3D的效果,便于课堂教学的使用．基于此平台可以使学习者体验到超出传统计算机环境的感受,可以模拟很多真实课堂环境下不能实现或不便于观察的实验．[2]

虚拟现实技术zSpace以其仿真、交互等特征,给学习者提供了情景化的学习环境,结合中学物理教学实际,虚拟现实技术zSpace的主要特征: (1) 将自然条件下无法满足的理想条件,理想模型,通过一体机展示出来,使学习者对学习内容更加了解,帮助学生对物理的理解．(2) 可以时刻切换场景模式,省去因变化外界环境带来的技术影响等问题．(3) 将抽象的、不易想象的模型转变成可以近距离观察的、可接触的模型．通过交互模式,将抽象内容通过zSpace转成直观、可操作的模型．学生可以将抽象的模型具体化、真实化,供学生全方位的理解抽象模型,并对模型进行全面的观察和操作．(4) 可以避免实验失败带来的后果,且可以观察实验失败后的现象,增加了实验的可操作性．[3-4]

3 虚拟现实技术zSpace在物理教学中应用的课例分析

基于虚拟现实技术zSpace的主要特征,结合中学物理教学中存在的困难,设计出4个课程案例并进行分析．

3.1 实现“理想化”条件

在中学物理教学中,经常提到“理想条件下”,然而这样的理想条件是想象的,现实环境下没有办法提供一个真正的理想条件．比如用斜面实验来验证“牛顿第一定律”时,教师只能不停地减小斜面倾角,在实验现象的基础之上做出推论,真正的无摩擦条件是永远无法实现的,教师只能无限地接近这一条件,从而引入了“实验+推理”的理想实验．虽然理想实验是以实验为基础,但是其中主观上的想象推理也是极为重要的,因此可能会出现有些学生难以理解的问题．将zSpace引入教学中,可以模拟没有摩擦力和空气阻力的环境,让学生亲眼观察这种理想条件下小球的运动情况——小球滑下斜面后,水平方向上不受力,一直保持匀速直线运动状态．如图2所示,质量为3.0kg的小球在高为2.5m斜面下滑的路程分别在10.32m、11.92m、12.62m时小球的速率都为4.34m/s．这样就将理想实验中的推理结论直接展现在了学生面前．zSpace的引入增强了学生的感性认识,加深了学生对科学理论的直观理解．

图2 理想条件下小球滑下斜面后的运动状态

3.2 轻松突破实验技术难关

在物理教学实践中,许多教学实验都存在一些技术方面的局限性．例如在关于“平抛运动”的讨论中,由于技术的限制,教师不能改变实验所在环境的重力加速度,于是只能探究物体初速度和高度对运动轨迹的影响．但在zSpace的虚拟环境中,就可以任意地选择自己所处的“星球”或者进入零重力空间,这样就使实验中的重力加速度发生了改变．如图3所示,质量为3.0kg的小球分别在重力加速度为g的地球和重力加速度为2.54g的木星,高为2.5m的抛体发射器上用相同的力使小球做平抛运动,小球落地点的位移分别为5.61m和3.69m,学生观察到与平时生活中完全不同的现象,从而使他们更加主动地对物理现象的影响因素进行探究,帮助他们更加深刻地认识到物理学规律在宇宙中的普适性．在zSpace的帮助,可以虚拟许多现实里不能实现的场景,甚至“身临”太空,亲自动手完成太空中的实验．[5]

图3 小球分别在地球和木星上做平抛运动

3.3 将抽象概念形象化

物理学中常常出现一些肉眼不可见的抽象概念,如“电场”、“磁场”．在传统教学中,教师只能告诉学生,电场是空间里存在的一种特殊物质,它真实存在却不可见．毫无疑问,这一概念是抽象难以理解的．zSpace则可以直接呈现出“场”的存在,将不可见变为可见,将抽象变为形象．如图4所示,电场的局域和方向清晰可见,在此电场中放置一个带电荷的小球,我们就可以观察到小球在电场力的作用下开始进行直线运动,并且清楚地看到小球从电场中离开或进入电场的过程以及受力变化．这种可视性可以极大地加深学生对电场的理解并且激发他们对物理学的学习兴趣．

图4 电场和带电荷的小球在电场力作用下的运动状态

3.4 有效处理危险性或危害性实验

实验是物理学的基础,任何一条物理学假设、原理、定律,都是建立在大量的观测和实验的基础之上的,同样实验教学也是物理教学的重要组成部分．但在现实教学中,教师必须杜绝教学事故问题,一些高难度、危险、危害性的实验无法在教室进行演示操作．因此,可以通过zSpace来进行一些操作或现象比较危险的实验．例如,在学习“短路”现象时,直接将导线与电源连接在现实教学中属于教学事故．如图5所示,在zSpace操作中则不会造成任何损失和伤害．学习者也可以身临其境地观察到由于电流过大灯泡被烧毁的过程,体会到这种操作的危险性．在zSpace虚拟出的各种实验中,学习者不仅能避免在进行实验时不规范操作造成的危害和损失,还能提高对危险操作和现象的警惕性,甚至可以进行一些普通教室里不能进行的危险系数较高的实验．[6]

图5 短路和灯泡烧毁现象

4 总结与展望

时代的变迁,教育方式也要随之改变．信息时代教育的发展必然有信息技术在其中的应用．虚拟现实技术在当今教育领域的应用方兴未艾,同时在中学物理教学的发展前景是广阔的．选择4个中学物理课程在传统教学中不易理解和呈现的片段,将虚拟现实技术zSpace交互式学习一体机应用于其中,启发更多物理教育者在教育教学中的新思路．基于STEM教育理念,个性化为学生搭建学习平台,培养了学习者的创新能力．但发展的同时也是有亟待解决的问题,zSpace的售价一直居高不下,资金不足是许多学校未配备的首要原因．其次,学校的很多教师从未接触过此技术,更不用说使用其授课及开发zSpace的课程资源,这也一定程度地制约了虚拟现实技术zSpace在中学物理教学过程中的普及．因此,将其应用于中学物理教学中,还需要社会各界人士的努力．使师范类高校、公司、中学教师3方面的结合,开发和培训相关课程,虚拟现实技术才能更好的服务教学．相信在不久的将来,虚拟现实技术zSpace在教育领域会用更多的应用．