借助虚拟现实技术，突破物理教学难点

工作平台[4]，意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室[4]。与一些发达国家相比，我国的VR技术还有一定的差距，但已引起政府有关部门和科学家的高度重视。国内一些理论物理课程也开始进行相关平台的设计，例如刘建军、路彦锋对固体物理课程进行了虚拟现实可视化教学的研究[5]；尚作萍等也对理论力学实验教学进行了实验平台设计[6]。然而国内研究存在着不足，多数研究停留在系统平台的设计开发或者理论层面，并没有对技术的有效性进行实证研究。

1997年，Pieter Jan Stappers在荷兰代尔夫特理工大学进行的Non-Newtonian physics（非牛顿物理学）教学[7]，要求学生佩戴上头盔和手套进行不同的扔球实验，从而体会在牛顿力学和非牛顿力学的世界里，物体究竟是如何进行抛体运动的。香港城市大学与香港顺德联谊总会谭伯羽中学联合提出了一个方案，尝试利用VR技术，突破中学物理抽象概念的教学难点。这一方案为构建主义者的学习理论在中学物理教学实践中奠定基础[8]。与此同时，这篇文章还是国内第一次将虚拟现实技术运用在中学物理教学中。将虚拟现实技术运用在物理教学中，现阶段最有代表性的是华南师范大学周少娜博士在美国俄亥俄州立大学进行的利用虚拟现实进行物理概念转变教学的研究[9]。下面以该研究实例说明虚拟现实是如何突破物理抽象概念的教学难点，促进学生学习的。

3.美国俄亥俄州立大学的交互式虚拟实验介绍

对于物体在做圆周运动过程中的“向心力”概念，学生经常存在一种错误的观点：认为在缺乏外力的情况下，物体能够做曲线运动[9]。他们对圆周运动中力和运动的错误理解，一方面是认为力是物体维持运动的原因，另一方面是对速度矢量性缺乏正确理解。传统的课堂中，教师会通过演示实验让学生看到圆周运动的现象。学生只能看，却无法亲自感受到运动小球的受力情况，只能凭直觉水平上的个人经验来理解“向心力”的概念，从而导致以上错误理解的产生。为此，华南师范大学的周少娜博士利用虚拟现实技术，开发了一个交互式的虚拟现实工具（图2），并在美国俄亥俄州立大学进行了圆周运动向心力的物理概念转变教学研究。

图2 一学生正使用精密操纵杆来与虚拟现实系统进行交互[9]

这项研究中共有52名美国俄亥俄州立大学本科工程专业的学生作为研究对象。他们在实验进行的两周之前就学习了圆周运动的基本概念。这些学生被随机分成两组——VE（虚拟实验）组以及PS（解决问题）组。

VE组的学生是利用虚拟现实系统完成关于圆周运动的探究学习，配有一份实验指导手册。PS组的学生则按照传统方式，通过做圆周运动章节后的习题进行学习，配有一本教科书。两组学生学习过程都没有教师的现场指导，学习时间均为半小时。VE组的实验题目是要求学生给一个具有初速度的物体施加一个力，使它可以在一个半径为0.5米的白色虚线圆中运动，已知物体所在平面光滑，质量、初速度一定。

两组学生的学习活动都要共同经历三个阶段——前测、VE模拟/解决习题和后测[9]。（1）前测的目的是了解学生对在圆周运动背景下的有关力与运动的理解的基线水平。（2）第二阶段VE组学生开始进行模拟操作，而PS组学生完成三道从教科书中选出的物理题。解决问题环节的教学目标是让学生练习和进一步研究相关知识。通过对比传统学习模式与VE活动模式，就可以确定VE活动模式有效性是否会高于传统学习模式，是在何种程度上有所不同。（3）后测采用的题目情景与前测完全一样，从而直接比较学生在经历不同的教学方法前后的掌握情况。VE组还有额外的第四阶段，他们需要做一个评估调查，说出他们使用后的感受，来比较两种学习方法的优缺点。

通过对比前、后测的数据，结果表明：与解决问题模式相比，虚拟现实学习活动在帮助学生理解在圆周运动中力和运动的关系上更加有效[9]。VE组第四阶段评估调查显示，通过操纵杆的实际感受，让他们能够体会到小球在运动中的受力情况，加深了对“向心力”概念的理解，明白缺乏外力的情况下，物体不可能做曲线运动。这结果给予教师一个新视角，面对学生做了大量习题后仍不能转变错误概念这一困难提供了可能的解决途径。

图3 学生前测与后测的结果分析[9]

4.虚拟现实在物理教育应用中存在的问题

4.1适应性问题

以上实证的例子证明了虚拟现实在物理教学中起到一个促进的作用，然而并不是所有的物理课题都适合使用虚拟现实。一般是一些抽象的、现实中难以实现的知识更适合使用这一技术。因此，哪些课题适合使用虚拟现实进行教学，怎样运用该技术才能更好的辅助教学，是虚拟现实在物理教育领域里需要进一步研究的课题。

4.2 学习主体的认知机制上的问题

当学习主体沉浸在一个高分辨率，全景式的虚拟空间中时，学习主体很容易陷入虚拟空间中。这时人的认知机制将会受到了影响，并导致了不可低估的认知问题的出现。因为当一个人长期沉浸在一个虚拟的环境中，突然再回到现实中，容易导致他有种“落差”感觉[10]。我们无法估计这种感觉给人带来的心理的冲击的程度，这种冲击可能会对学生学习带来负面影响。为此教师在使用虚拟现实进行教学的时候，需要密切关注学生使用后的心理变化。

结语

通过利用虚拟现实可以帮助突破物理课堂中的一些教学难点，使得学生对一些抽象概念有更深刻的理解。同时虚拟现实的交互性促进了学生认知结构的形成于发展，改变了传统课堂教学上一味用解决问题式或灌输式的教学模式，调动了学生的学习兴趣，培养了学生的探究能力，明显地提高了物理课堂效率。总之，随着信息技术的进一步发展，相信虚拟现实在物理教学中会发挥更大的辅助作用。

参考文献：

[1]王健美，张旭，王勇，赵蕴华.美国虚拟现实技术发展现状、政策及对我国的启示[J].科技管理研究，2010[14]：37-40

[2]维基百科-虚拟现实[EB/OL]. http：//zh.wikipedia.org/wiki/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E7%8E%B0%E5%AE%9E，2012-02-06

[3]Burdea G & Coiffet P. Virtual Reality Technology，JOHN WILEY & SONS，Inc，A Wiley-Interscience Publication，1994

[4]刘振华.虚拟现实技术在教育领域的应用研究[J]. 滨州职业学院学报， 2006[8]： 38-41

[5]刘建军，路彦锋. 《固体物理》课程虚拟现实可视化教学的研究与实践[J].淮北煤炭师范学院学报（自然科学版），2010[12]：91-93

[6]尚作萍，杜成斌，张宏兵，陆晓敏，严湘赣.虚拟现实技术在理论力学实验教学中的应用[J].实验技术与管理， 2007[10]： 297-299

[7]Pieter Jan Stappers，Experiencing non-Newtonian physics in VR[J].Virtual Reality in Education & Training，1997[6]：173-179

[8]Bruce Ma， Peter Mak.Using Virtual Reality In Teaching Secondary School Physics[J].http：//

[9]Shaona Zhou，Jing Han，Nathaniel Pelz，Xiaojun Wang，Liangyu Peng，Hua Xiao and Lei Bao.Inquiry style interactive virtual experiments： a case on circular motion[J]. EUROPEAN JOURNAL OF PHYSICS，2011[32]：1597–1606

[10]徐辉，马秀峰.虚拟现实教育应用探析[J].山西师范大学学报（自然科学版），2010[24]：95-97

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