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【摘要】物理抽象概念的表示以及理想的物理實驗環境的模擬，一直是中學物理學習中的重難點。一些抽象思維尚未完全成熟的高中生難以準確地想象天體運行的規律。而虛擬現實以其沉浸性、交互性、想象性的特點，能夠準確模擬虛擬的“理想環境”，形象地表示抽象的概念，并能讓學生與實驗對象進行交互，以解決傳統物理課堂中情境性、沉浸感、互動性不強的問題。本文設計、開發“三體運動”VR教學軟件，并通過在實踐中應用該軟件，探索了虛擬現實技術在高中物理學習中的影響及效果。

【關鍵詞】虛擬現實；VR教學；高中物理；三體運動

物理是高中階段非常重要的學科，學生通過對物體運動本質規律的參悟，會幫助其塑造辯證、科學的世界觀和人生觀[1]。但抽象的物理概念的理解，復雜的物體運動規律的參悟，理想的實驗環境的模擬一直是學生學習和教師教學的難點，這些虛幻游離的力、電、磁等，往往令學生望而生畏。而虛擬現實技術的發展為物理教學帶來了新的機遇，恰好可以解決上述這些問題。虛擬現實可以創設逼真的三維多感官環境，同時環境還會對參與者行為產生相應的反饋，應用于教學中，可實現情境學習、創設心理沉浸感[2]。本研究聚焦高中物理重點內容“萬有引力定律”，開發并應用“三體運動”VR教學軟件，旨在探究VR技術在高中物理學習中的影響及效果。

VR技術在物理學科中的應用案例

1.國外VR技術在物理學科中的應用國外大學很早就開始關注虛擬現實技術在物理學科中的應用，主要表現為物理虛擬實驗。美國科羅拉多大學的一個研究團隊，基于Java和VR技術研發了一套物理學科的“PhET系列互動仿真軟件”，該軟件通過虛擬實驗來幫助學生理解抽象的概念和隱含的關系[3]。該軟件以寓教于樂的方式，激發了學生學習的興趣。美國路易斯安那州立大學的學者，將VR和AR技術在物理教學（主要為力學、電磁學等）中的應用模式進行了對比[4]。研究結果表明，這兩類技術均能促進教學，提高學生學習的質量。此外，還有美國俄勒岡大學設計的物理實驗網站“VLab”，以及卡羅萊納州立大學開發的基于WEB的“探究型虛擬物理實驗室”等眾多應用[5]。2.國內VR技術在物理學科中的應用與國外相比，國內的虛擬現實教育應用起步較晚，但近年來越來越受到重視。同樣，也主要集中于多媒體輔助物理實驗教學。中國科技大學人工智能與計算機應用研究室開發出了一個“幾何光學實驗設計平臺”，該系統基本涵蓋了中學物理的光學實驗，學生可以通過該虛擬系統提供的實驗儀器，完成或練部分的光學實驗。西安科技大學開發了一套“通信原理仿真實驗系統”。該系統主要基于Matlab技術，不僅有較強的交互性，而且操作簡單，十分人性化[5]。

運用VR技術開展高中萬有引力定律教學的實證研究

筆者開發了一款“三體運動”VR教學軟件，模擬出“萬有引力定律”章節中的實驗，對“三體運動”進行直觀的表現，創設一個沉浸式的、交互性的虛擬教學環境。1.“三體運動”VR教學教具“三體運動”VR教學軟件基于C#語言、Unity3D平臺設計開發，并以“智能手機+Cardboard”作為終端。通過Unity3D創建三個球體代表三體，為每一個球體添加了運動軌跡，并將三個球體的物理屬性設為剛性球體碰撞。以“萬有引力定律”和“牛頓第二定律”為基礎來模擬三個球體的相互運動。2.用戶操作使用該軟件進行實驗時，學生只需戴上CardBoard，向左便能看到導航界面，可以自主選擇想要觀察的場景。進入實驗場景后，學生在觀察時可以通過改變頭部位置凝視交互的方式，來改變每個球體的位置、質量、速度等，觀察由此發生的運動改變，實現其與實驗內容交互。3.實驗結果本研究選擇北京市八一中學高二年級的一個班進行實驗，共計40位學生和1位物理教師。在師生體驗了軟件后，發放問卷，并隨機抽取5名學生（3男2女）和1名教師進行訪談，收集他們對該應用的感受及建議。通過對問卷和訪談數據的分析，主要包括學生對VR教學的已有經驗、態度、滿意度及效果評價，得出以下結論。（1）高中生對VR的已有經驗研究發現，大部分學生對VR技術有一定了解，但是了解不多；大多數學生都曾經體驗過VR產品，但是體驗不多。絕大多數學生沒有體驗過VR在教學中的應用。（2）高中生對VR教學的態度學生整體上對VR教學持非常積極的態度。使用VR教學軟件前后的數據對比顯示，“三體運動”VR軟件顯著提升了學生對VR教學的興趣。有95%的學生表示愿意或非常愿意在未來教學中能應用VR，特別是在“物理、化學、生物、地理”等學科。他們期待通過VR教學提升他們對內容的興趣和學習積極性。（3）師生對VR教學教具的滿意度體驗過VR教學軟件后，100%的學生都對該軟件的界面設計、交互設計、教學內容設計、架構設計表示滿意，其中75%以上的學生表示非常滿意。同時，學生們也對軟件的交互設計提出了更高的期望。（4）師生對VR教學教具效果的評價問卷和訪談數據都表明，教師和學生們都非常認可VR教學軟件的教學效果，包括：能夠創設生動形象的學習情境、有助于萬有引力定律的理解、有助于對空間三體運動的理解、有助于擴展物理知識、有助于提升物理學習興趣。物理教師表示，“這款軟件對于幫助學生理解天體運動和相關知識很有幫助，它很適合作為物理教學的輔助軟件”。幾乎所有學生都對這款VR教具表現出了濃厚的興趣，均認為該軟件創設了生動形象的學習情境，能夠加深他們對知識點的理解，因為它將“看不見”的東西變得直觀了。他們說，“這款軟件能夠把那些看不見、摸不著、離我們非常遙遠的東西呈現在我們眼前，使它們具體化了，幫助我們更深刻地理解”。

“三體運動”VR教學軟件體現了VR在物理學科教學中的潛力。通過本研究發現，VR在教學中的應用非常必要且充滿潛力，高中生有濃厚興趣；VR教學軟件在創設情境、提升學習興趣、促進知識理解方面存在積極有效的作用。它以其構建學習情境、形象化抽象內容、實現自然交互的優勢，既可以用于內容展示，又可以實現探究式學習[3][5]，其提升學習動機、優化學習效果的作用展現得淋漓盡致。物理學科需要進行大量的實驗，這意味著VR技術在物理教學中有巨大的發展空間[6]，也有更多的探索之處。哪些內容適合VR技術？如何將其融入學習活動中？如何使VR工具更便捷、更具可獲得性？這需要更多設計人員和實踐者的參與，進一步優化其效果，并解決成本過高的問題，早日實現VR技術進課堂。

作者:昊霖 鄭鋒士 蔡蘇 單位:1.北京市八一中學 2.北京師范大學教育學部教育技術學院 3.北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室