关于虚拟现实技术下普通物理实验教材的开发初探

"

［论文摘要］文章从普通物理实验教学的基本目的和要求出发，探讨在虚拟现实（VR）技术条件下开发普通物理实验教材的有关内容。

［论文关键词］虚拟现实 普通物理实验 教材开发

邓小平在1983年10月为北京景山学校题词“教育要面向现代化，面向未来，面向世界”，指出：“现代经济和技术的迅猛发展，要求教育质量和教育效率的迅速提高……教育工作者要研究和改变旧的课程体系，根据社会主义现代化的需要来设置课程、学科、专业，使学生具有合理的知识结构和深厚的基础知识；要不断更新教学内容，及时把最先进的思想、事物、最新的科学技术成果和知识引进教学内容。”

随着现代科学技术日益飞速地发展，涌现出许多优秀的高新技术成果，在我们的生活、军事、医疗、教育等领域发挥出越来越重要的作用。虚拟现实（Virtual Reality,VR）技术即为其中之一，钱学森院士又将其翻译为“灵境”技术，它实际上是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。该虚拟系统由计算机生成，可以是现实世界的再现，也可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。

利用VR技术辅助教学正逐渐成为物理理论和实验教学中最具有吸引力的现代化教学手段，而开发出高质量的VR实验教材是充分发挥其教学优势的基础和核心。基于VR技术的普通物理实验教材的开发，将会改变普通物理实验教学的传统模式，通过VR技术模拟逼真的物理实验场景，对实验教学质量的提高将发挥不可替代的作用。本文将从普通物理实验课程教学的基本目的和要求出发，探讨在开发基于VR技术的普通物理实验教材的过程中应遵循的原则以及VR实验教材的优势等内容。

一、普通物理学实验课程的教学目的和教学要求

物理学是一门以实验为基础的科学，概念的建立、定律的发现以及物理现象的研究都离不开科学严谨的实验。可以说，离开了实验，就没有物理学的发展。

在大学阶段为学生开设普通物理实验课程的目的在于通过实验使学生对相关概念有一个清晰的认识，有助于概念的掌握，提高相应理论课的教学质量，使学生掌握物理实验的基本方法和技能，掌握物理实验的选题、构思设计、具体实施方法以及结果的分析和研究等，使学生学会通过实验对物理现象进行观察思考、测量分析和研究，从而完成对物质运动规律的认识和把握。

通过普通物理实验课程的实践应达到以下几点基本要求：第一，使学生获得物理实验的基本知识、基本方法和基本技能。通过实验可以直观地把物理现象和物理规律展现在学生面前，加深印象，增强说服力。对于一些在日常生活中难以见到的抽象概念因学生头脑中没有感性材料，若只通过书本的文字介绍，学生很难理解，而通过实验学生则很容易获得切身的直观体会；同时通过实验实践过程，能够使学生了解到现代物理实验新技术与新知识发展的前沿概况。第二，培养学生的科学实验能力。一是阅读理解能力，训练学生自行阅读实验教材和参考资料，正确理解实验要求和内容，做好实验前的准备；二是动手操作能力，能够借助仪器说明书及相关资料正确使用常用的基本仪器，实施实验方案；三是分析判断能力，运用所学的物理基本概念和知识，对实验现象和结果进行初步的分析和判断并作出结论；四是书写表达能力，要求学生撰写规范的实验报告。第三，培养与提高学生的科学实验素养。培养学生的创新意识和科学的思维方式，使学生具备理论联系实际和实事求是的科学作风以及严肃认真的工作态度。

在物理实验课程的教学中要实现上述目标和基本要求，离不开高质量的物理实验课程教材。因此，编制现代化的高质量的普通物理实验教材，对提高普通物理实验课程的教学质量，培养具有创新精神和创新能力的高素质人才，具有重要意义。

二、普通物理实验教材建设应遵循的原则

普通物理实验课程的主要任务是培养学生科学的思维分析能力、严谨熟练的动手操作能力以及对物理现象正确的语言表述能力。从教材设计的基本原理角度考虑，普通物理实验课程教材的编制应遵循以下几个基本原则：

1.适应性原则。要求实验教材的设计应与社会发展相适应，与学生的发展相适应，与知识逻辑关系、心理逻辑关系和教学逻辑关系相适应，与教学目标、教育制度相适应。如普通物理实验教材的编制应很好地体现全国大学实验课程指导委员会制定的“大学物理实验课程教学的基本要求”的科学性、思想性和实践性要求。

2.整体性和系统性原则。要给学生构造普通物理学实验体系的总框架，勾勒物理实验科学统一的图景，反映物质世界的真实面貌，使学生树立正确的世界观和科学的物理思维方法，获得探知物理世界科学的方法论。

3.综合效应原则。当今世界已进入信息时代，社会要求加强学生综合素质的培养。学生的综合素质主要由思想品德素养、文化素养、创新素质、身体素质及心理素质等方面构成。从普通物理实验课程的教学特点来看，它是一门实践性很强的课程，其教学过程和科学研究过程有极大的相似性，对学生的创新素质的培养具有重要作用，物理实验课程教材的编制应注重科研创新素质的培养。另外，笔者曾研究过理科学生的传统文化素养与其创新素质的相关性，结果显示两者具有显著相关性，因而在教材中也要考虑对学生思想品德素养和文化素养的培养。

4.效能原则。教材的表现形式、知识体系构成以及制作材料等，要求既有利于师生的教与学，又体现使用方便、美观朴素的特点，同时对阅读者的身心健康不会产生负面的影响。

5.现代化原则。随着科学技术的发展，教材也应现代化。教育要面向现代化、面向世界、面向未来。衡量教材改革的成败，不仅要看新教材在教学实践中的效果，还要看培养的学生是否适应现代化建设的需要。这就要求教材的内容与时俱进，体现新世纪科学技术的发展，教材现代化是教材建设的方向，表现形式应展现高科技的应用价值。 "

三、VR技术应用于教材的适用范围

从理论上说，任何课程都可以采用VR技术进行教学，但并不是所有的课程都有必要采取这种教学形式，这取决于教学过程的实际需要。如果滥用其教学形式，并不能收到良好的教学效果，在引入VR技术时应考虑以下几个方面：

1.模拟展示。课程中抽象概念较多，学生不易理解，用传统的教学方式不能达到理想的教学效果，若采用VR技术模拟展示，教学效果应该是显而易见的。另外，一些需要大量演示实验的课程，使用虚拟现实技术既能减轻教师的工作负担又能提高教学效率。

2.动态演示。课程中若涉及动态的演化过程，对于传统的纸质教材而言，无论它的印刷技术多么先进，语言描述多么生动形象，都很难在学生头脑中形成统一的事物演变的过程，而VR教材却可以轻而易举地实现这一需求。

3.虚拟实验课程。对于实验课程而言，由于各个学校拥有的实验设备、实验条件不尽相同，一些价格昂贵的先进的大型仪器设备，许多学生没有机会看到，如果利用虚拟仿真技术则可以很少投入就解决教学中的这一难题，使学生对先进的科学仪器设备有一定的了解，从而拓宽他们的视野。建立虚拟实验室，提供各种大型仪器设备的虚拟仿真实验，学生通过VR系统实验内容，并且可以改变条件多次重复，在加强理论理解、掌握实验技能的同时，了解学科发展的前沿状况。

<>

四、VR技术应用在实验教材中的优点

VR技术是系统仿真的新兴技术之一，它利用计算机技术制作被仿真世界的动态、三维的视觉环境，使操作者产生身临其境的感觉，融合了计算机技术、计算机图形学、视觉生理学、仿真技术、信息技术及网络技术等多种高新技术手段，其逼真性、实时交互性及沉浸性使人能沉浸其中，出入自然，形成具有交互效能多维化的信息环境。因此，VR技术目前正逐渐应用于医疗、军事、教育等诸多领域，并正潜移默化地改变着人们生活的方方面面。

1.教学内容视觉化。传统的教学模式中，因教学手段落后，对学生的感官刺激单一，往往很难将理论与实践有机统一起来。运用VR技术可以实现虚拟实验，如力学实验、电磁学实验、光学实验及近代物理实验等可以用VR技术模拟实验全过程，学生可以随时在VR系统中反复操练和感知实验过程。这样不但可以节约实验经费，而且不受时间、空间的限制。教师在利用VR教材进行教学时，可以边讲解理论知识边演示实验步骤，指导学生或让学生自己动手操作，学生利用VR教材自主学习时，既能学到必要的理论知识，又能掌握技能操作，做到省时、高效。

2.学习中的交互性好。为适应素质教育的现实需要应强调学生的主体性教育，这也是当前教育改革的必然趋势。在VR技术条件下，学生可以实时操作虚拟实验环境中的物体，并从中得到自然的反馈。如学生可以用手直接抓取虚拟环境中虚拟的物体，这时人会产生握住东西的感觉，并可以感觉物体的重量，视野中被抓物体也能实时随着手的移动而移动。在这种交互式学习环境中，学生可以根据自己的学习基础、学习兴趣选择适合自己水平的学习模式，有利于激发学生的学习兴趣，使学生产生强烈的学习欲望，从而形成良好的学习动机，主动参与教学活动，改变传统的以教师为中心、以课堂为中心的教育教学模式。

3.沉浸感及真实感强。学生可以在犹如身临其境的反复操作过程中领悟物理实验的思想精髓，充分发挥创造潜能，提高综合实践素质，使不同基础水平的学生都能获得知识与能力的提高，培养学生的操作技能，增强学生的综合素质。

总而言之，VR技术作为一种新兴的教学辅助手段，必将逐渐渗透到各专业课程的教学环节中，起到良好的作用，将此手段与物理实验课程有机结合起来，发挥其虚拟功能强大、交互能力强、形象逼真的优势，对普通物理实验课程的教学一定能起到良好的促进作用。

五、结语

随着数字技术、计算机仿真技术、人机接口技术等多媒体高新技术的迅猛发展，虚拟现实技术辅助教学日渐成为最有吸引力的现代化教学手段。因而，开发高质量的基于VR技术的普通物理实验教材，对提高教育质量和教学效率具有重要的作用。在现阶段，如何将VR技术与实验教学内容、目标等更加有效地结合起来，已成为当代教育工作者研究的热点。