導(dǎo)語：中學(xué)物理教育智能虛擬情景研發(fā)探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的高速發(fā)展，將智能虛擬技術(shù)與物理課堂結(jié)合的要求日益增長(zhǎng)。以“流浪地球”為主題，利用智能虛擬技術(shù)模擬地球與木星的相遇。真實(shí)而豐富的視覺效果和交互作用可以使學(xué)生沉浸在情景中，更好地幫助學(xué)生理解曲線運(yùn)動(dòng)中力的作用。面向中學(xué)物理教育，將智能虛擬技術(shù)與物理教學(xué)有機(jī)結(jié)合具有很多優(yōu)勢(shì)，它可以提升物理課堂效率，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。同時(shí)也對(duì)新時(shí)代的物理教師提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞:智能虛擬；物理教學(xué)；曲線運(yùn)動(dòng)

1物理學(xué)科虛擬情景建設(shè)現(xiàn)狀

為學(xué)生創(chuàng)設(shè)鮮活的物理情景，激活學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，喚起好奇心，從而使學(xué)生可以充分發(fā)揮主動(dòng)性，自主構(gòu)建物理學(xué)科知識(shí)，是物理教育竭力倡導(dǎo)的教育目標(biāo)。隨著現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將中學(xué)物理課堂與智能虛擬技術(shù)相結(jié)合成為提升物理課堂質(zhì)量和效率的新手段。智能虛擬技術(shù)以“具體的物理問題”為研究對(duì)象，抽象出“物理模型”，利用計(jì)算機(jī)智能仿真技術(shù)創(chuàng)設(shè)出具有較強(qiáng)的真實(shí)體驗(yàn)的“虛擬情景”［1］，將抽象的、不可視的物理過程具體化、可視化，優(yōu)化了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，可以幫助學(xué)生理解抽象概念，提升物理課堂質(zhì)量.國(guó)內(nèi)外關(guān)于智能虛擬與物理教學(xué)相結(jié)合的研究與實(shí)踐正處在發(fā)展之中。美國(guó)斯坦福大學(xué)的卡爾·威曼教授對(duì)科技教育領(lǐng)域作出了卓越貢獻(xiàn)。卡爾·威曼教授于2001年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并將獎(jiǎng)金用于創(chuàng)設(shè)非營(yíng)利教育項(xiàng)目PhET，為世界各地的學(xué)生提供了更好的科技教育資源，利用線上互動(dòng)模擬工具為7億學(xué)生進(jìn)行了線上模擬訓(xùn)練。目前，我國(guó)應(yīng)用智能虛擬技術(shù)開展物理教學(xué)仍有很大的發(fā)展空間，而國(guó)外的物理虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬情景與國(guó)內(nèi)新課標(biāo)的要求在契合度上也有待提升。因此，開展適合中國(guó)物理教育的智能虛擬情景研發(fā)勢(shì)在必行。本次智能虛擬情景研發(fā)選擇了“流浪地球”主題，模擬地球在流浪過程中與木星相遇的情景。強(qiáng)烈的感官刺激與交互作用充分體現(xiàn)了智能虛擬技術(shù)在物理課堂中表現(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)。

2“流浪地球”虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程

本次研發(fā)以“流浪地球”為主題，模擬地球與木星相遇。該情景與可真實(shí)發(fā)生的物理實(shí)驗(yàn)情景具有差異性。智能模擬技術(shù)既可以呈現(xiàn)出真實(shí)發(fā)生的實(shí)驗(yàn)情景，如分子擴(kuò)散、透鏡成像規(guī)律等；也可以模擬“流浪地球”這類不能實(shí)際操作或演示的情景。后者雖然在現(xiàn)實(shí)生活中不存在或無法操作，但該情景中蘊(yùn)含的物理概念和規(guī)律仍然對(duì)學(xué)生有著很大的啟示作用，對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)科學(xué)思維有著巨大貢獻(xiàn)。由于第一次研發(fā)面對(duì)的是中學(xué)物理課程，所以交互作用中對(duì)地球施加的外力為恒力，且不考慮地球與木星之間的萬有引力，也不考慮洛希極限的影響。（后續(xù)2．0版本面對(duì)大學(xué)課程時(shí)，可以加入更多的限制條件。）模擬1．0版本將該情景簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)與球體相遇，對(duì)地球質(zhì)點(diǎn)施加恒力作用，改變地球的運(yùn)動(dòng)軌跡以避免與木星相撞。該內(nèi)容對(duì)標(biāo)教材中曲線運(yùn)動(dòng)部分的知識(shí)，涉及運(yùn)動(dòng)的合成與分解、勻變速曲線運(yùn)動(dòng)的計(jì)算、力在曲線運(yùn)動(dòng)中的作用等。

2．1期望掌握的主要知識(shí)點(diǎn)

首先，我們對(duì)“流浪地球”這個(gè)假想的情景進(jìn)行建模，將木星簡(jiǎn)化為一個(gè)球體，半徑為R0，木星周圍的洛希極限范圍為R（1．0版本不考慮洛希極限）。將地球看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，正以某初速度v0靠近木星，地球質(zhì)點(diǎn)與木星球心間距離為r。

2．2實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

建立好研究情景的物理模型之后，將該模型進(jìn)行編程，利用智能技術(shù)模擬地球的運(yùn)動(dòng)過程。學(xué)生在使用程序時(shí)具體呈現(xiàn)過程如圖2所示。設(shè)計(jì)三個(gè)控制開關(guān)分別用來選擇力的大小、方向、作用時(shí)間，參數(shù)的設(shè)置應(yīng)盡可能使地球擦著木星的洛希極限范圍的邊緣離開木星。選擇結(jié)束后開始模擬地球的運(yùn)動(dòng)軌跡，操作者可以以第一視角看到自身相對(duì)于木星的運(yùn)動(dòng)情況。若力的大小設(shè)置過小或力的作用時(shí)間設(shè)置過短，則地球與木星相撞，顯示墜毀場(chǎng)景；若力的大小設(shè)置過大或力的作用時(shí)間設(shè)置過長(zhǎng)，則地球很快脫離木星，此時(shí)雖然可以脫險(xiǎn)，但不能觀察到木星周圍的景象；若力的大小、方向及作用時(shí)間各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置合理，則地球既可以脫離危險(xiǎn)，“宇航員”也可以以第一視角觀測(cè)到木星周圍景象。本模擬設(shè)置了一定的容錯(cuò)環(huán)節(jié)和提示內(nèi)容，在是否碰到木星的臨界條件進(jìn)行了近似處理，力的大小和作用時(shí)間限定在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。圖3手柄按鈕模擬示意圖2．3智能虛擬效果使用VR頭盔和手柄，使情景模擬具有很強(qiáng)的沉浸性和交互性。轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以使“宇航員”視角進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，手柄按鈕可以設(shè)置模擬過程中對(duì)地球施加的外力參數(shù)。模擬開始時(shí)，如圖3所示，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可選擇是否改變地球的運(yùn)動(dòng)軌跡，即是否設(shè)置外力參數(shù)。若選擇了“是”，則出現(xiàn)圖4的設(shè)置界面。通過手柄可以設(shè)置力的大小、方向及作用時(shí)間。設(shè)置結(jié)束后，軟件開始模擬地球的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖5為地球成功躲避木星的情景。以上圖片均來自VR效果的錄制視頻，佩戴VR頭盔的視覺效果會(huì)具有更強(qiáng)的沉浸感和沖擊性。

3智能虛擬物理情景的優(yōu)勢(shì)

3．1提升課堂效率，增強(qiáng)物理學(xué)習(xí)有效性

利用智能虛擬技術(shù)模擬物理情景的目的是為了幫助學(xué)生更好地將物理知識(shí)和規(guī)律運(yùn)用到物理情景中。分析和掌握復(fù)雜的物理過程是學(xué)生在解決問題時(shí)需要克服的重難點(diǎn)，而模擬情景恰好可以將復(fù)雜的、抽象的過程變得具體化、形象化。利用智能虛擬情景的課堂可以更少地依賴教師的講解，通過直觀形象的視頻、動(dòng)畫揭示物理規(guī)律，提升了課堂的效率，增強(qiáng)了物理學(xué)習(xí)的有效性。在“流浪地球”情景中，本質(zhì)上是利用了“斜拋”規(guī)律解決物理問題，通過改變力的大小、方向、作用時(shí)間，使“地球”獲得不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。智能模擬出地球不同的運(yùn)動(dòng)軌跡可以更直觀地幫助學(xué)生理解力在曲線運(yùn)動(dòng)中的作用。

3．2提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)體驗(yàn)感和沖擊性

“流浪地球”是一個(gè)虛擬情景，具有極高的科幻色彩，無法實(shí)際操作，但仿真效果震撼，非常有利于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。通過模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生以“宇航員”視角，利用已有的物理知識(shí)，“駕駛”地球脫離木星避免相撞，學(xué)生自己調(diào)節(jié)交互按鈕，改變力的大小、方向、作用時(shí)間等來改變地球的運(yùn)動(dòng)軌跡，極大增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度。不能實(shí)際操作的物理實(shí)驗(yàn)僅僅通過文字的描述比較蒼白，學(xué)生的體驗(yàn)感不強(qiáng)。在智能虛擬情景中，從形、色、聲、動(dòng)畫等多方面刺激學(xué)生的感官，極大程度地增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗(yàn)感，更富有沖擊力。

3．3培養(yǎng)物理建模能力，提升物理學(xué)科核心素養(yǎng)

“流浪地球”物理情景的創(chuàng)建離不開物理建模過程。物理建模是一種物理的思考方法，是運(yùn)用物理的方法和語言，對(duì)實(shí)際問題抽象、簡(jiǎn)化之后，建立能近似“刻畫”并“解決”這一問題的強(qiáng)有力的物理手段。利用物理建模解決實(shí)際問題有利于提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)非常重要。首先，智能虛擬情景將抽象的物理觀念具象化，更有利于學(xué)生建立正確的物理觀念。其次，在幫助學(xué)生理解“流浪地球”模擬情景的建立過程中，可以促使學(xué)生更主動(dòng)地將生活中的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為物理模型，并利用物理知識(shí)進(jìn)行定性和定量的分析，最終解決問題，掌握綜合問題的分析方法。這個(gè)過程既對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用，也可以激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣和能力。最后，建模過程還可以幫助學(xué)生樹立起物理與生活、科技緊密相關(guān)的意識(shí)，并愿意積極主動(dòng)地汲取物理知識(shí)為貢獻(xiàn)社會(huì)做準(zhǔn)備，一定程度上增強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

4結(jié)詰

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，物理課堂也應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，物理教師的角色也應(yīng)當(dāng)及時(shí)地從“權(quán)威者”“講授者”向“引導(dǎo)者”“陪伴者”轉(zhuǎn)變。新時(shí)代的物理教師，不僅僅要重視知識(shí)與技能的教授，也應(yīng)當(dāng)成為終身學(xué)習(xí)者，積極吸收最新的科技成果，把最新的教技教法有機(jī)地融入自己的課堂，增加課堂的質(zhì)量與效率。智能技術(shù)與教育的結(jié)合是大勢(shì)所趨，智能技術(shù)的發(fā)展為教育注入了新的活力，同時(shí)也對(duì)教師提出了更高的要求。首先，教師在教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)當(dāng)以“立德樹人”為己任。未來智能教育高速發(fā)展，機(jī)械性的知識(shí)傳授可以由大量的人工智能代替，而教師更應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮“做人”與“育人”的價(jià)值［2］。其次，教師應(yīng)當(dāng)積極地、熟練地使用智能技術(shù)，通過智能技術(shù)減輕工作負(fù)擔(dān)，創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)高效的課堂。對(duì)于那些始終停滯在原有教育教學(xué)技術(shù)水平的“具有‘教書匠’、‘知識(shí)壟斷者’和‘故步自封者’等角色特質(zhì)的教師”來講，免不了被人工智能取代的命運(yùn)［3］。最后，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教育理念，建立新型平等伙伴的師生關(guān)系也至關(guān)重要。智能技術(shù)和信息化的高速發(fā)展，可以使學(xué)生十分便捷地獲得豐富的教育資源。師生之間不再是你教我學(xué)、你說我聽的主從關(guān)系，而是一種共同發(fā)現(xiàn)問題、探討問題、研究問題的學(xué)習(xí)伙伴關(guān)系［4］。綜上，新時(shí)代的物理教師應(yīng)當(dāng)抓住智能時(shí)代帶來的機(jī)遇，積極學(xué)習(xí)運(yùn)用新技術(shù)，創(chuàng)設(shè)高效、高質(zhì)、具有技術(shù)人文精神的新時(shí)代物理課堂。

作者：許鈺彬 朱廣天 單位：華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院