论文部分内容阅读
【摘要】虚拟现实技术又称灵境技术，是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到象真实存在一样，在社会的各个方面应用广泛。本文结合虚拟现实技术的特征，提出了虚拟现实技术在中学物理课堂教学与实验教学中的运用前景，在教学中具有一定的意义。
【关键词】虚拟现实技术 中学物理教学 运用
虚拟现实技术是把客观上存在的或并不存在的东西，通过运用计算机在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到象真实存在的一种技术。虚拟现实技术是在综合计算机图形学、计算机动模拟与仿真、传感技术、显示技术等许多计算机学科的基础上发展起来的一种计算机应用新领域。中学物理学科是一门理论性与实践性很强的学科，又由于中学生认识思维的局限性，在学习一些抽象性知识时感到困难，如光学、声学、电磁学、热学等。若在学习那些抽象性知识时设置一个虚拟情景，使学生进入到知识的虚拟世界，就会有利于激发学习者的学习动机，促进学习者的理解和记忆，有利于教师创设问题情景，指导学生进行探究式学习并实施探究式教学，有利于全面提高物理教学质量。二十一世纪，我们面临人类文明史上的又一次大飞跃，将由工业化社会进入到信息化社会。为此，世界各国对当前教育的发展及信息技术在教育中的应用都给予了前所未有的关注，都试图在未来的信息社会中让教育走在前列，以便在国际竞争中立于不败之地。
一、虚拟现实技术概述
虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景。
虚拟现实技术利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及显示技术，生成三维的虚拟环境，介入者利用键盘、鼠标等输入设备，或者带上头盔、数据手套等传感设备进入虚拟环境，在虚拟环境中进行实时交互，并且能够感知和操作虚拟环境中的各种对象，获得身临其境的感受和体验。
虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和想象力三个基本特征。在具体的教学实验中，学生可以作为主角存在于虚拟环境中，对虚拟环境内的物体进行操作并从环境中得到自然的反馈。而且，当学生沉浸在多维信息空间中时，能够主动地获取知识、寻求解答，形成新的概念。
虚拟现实技术以其诸多的优点决定了它在教育领域中的重要作用：一是避免真实实验或操作所带来的各种危险并降低真实实验的实验用品损耗；二是在虚拟实验中可以获得与真实实验一样的学习效果，还可根据实验教学发展需求“引入”新设备，不断对新设备进行扩展。三是彻底打破空间与时间的限制。总之，虚拟现实技术结合多媒体技术和计算机网络，能提高实验效果与效率，充分发挥教学优势。
二、传统教学模式的问题
物理学具有的实践性、应用性和创新性，为物理教学提供了极其丰富的创新内容。改变传统的教学模式和教育教学观念，树立新的人才观、教育观、质量观，在向学生传授知识，培养基本技能的同时，高度重视和开发学生的创新潜能，培养学生的创新精神和实践能力，是当今社会发展的要求，也是素质教育和新课程的主要目标。
我国目前的教学模式主要是以教师为中心,这种模式的优点是有利于教师主导作用的发挥，便于教师组织、监控整个教学活动进程。存在的主要问题是学生能力发展不平衡，知识面和思维不开阔，一贯演绎的思维训练方式占主导地位。传统教学模式已不能适应学生的需求和发展，学校教育要适应社会的发展和要求，就要培养学生的创新意识和实践能力。在教学活动中，教师应以学生为中心，努力创设一个“师生互动，生生互动”的学习环境，营造一种民主、轻松、愉快、和谐的课堂氛围，促进学生自主学习、探究学习、合作交流，充分利用先进的教学手段和新技术。在教学中，要鼓励学生提问质疑，保护学生的好奇心、求知欲。
三、虚拟现实技术在中学物理教学中的运用
根据虚拟现实技术的特点，在中学物理教学中基本有以下几方面的应用：
1、应用于课堂教学
课堂教学是教学的主要方式，也是虚拟现实运用于教学的主要战场。在物理课堂教学中，虚拟现实技术发挥着不同的作用，主要有以下方面的应用：立体物体的展示，立体空间的展示，展品的介绍，虚拟空间的营造与构建，虚拟场景的构造。如下图所示：
2、应用于制作物理课件
物理学是一门以实验为基础的科学，在物理基础教学中亦不可避免地会涉及到大量的实验仪器和设备。此外，物理学又是一门抽象性思维要求比较高的科学，经常涉及三维（甚至是多维）物理模型的构建。在物理辅助教学课件中，一般的处理方法有两种：一是通过图片或视频进行演示和说明。其优点是制作方法简单、效率高；缺点是缺乏交互性且二维图象很难完整体现各种设备的全部细节。二是通过编程（例如用visual basic或Java 3D语言）设计出模型的实验装备。其优点是具有较强的交互性；缺点是制作过程较复杂、工作量大，且要求制作者具有较高的编程能力，因而并不适合于普通教师采用。而虚拟现实技术的介入，将至少在以下三个方面有助于学生对问题的理解：⑴某些设计三维的研究对象（如电磁场的模型、分子或晶格结构等），如果采用二维平面投影（即缺乏纵向深度的平面区域图像）来表达的话，往往会造成学生概念上的误解，采用三维虚拟现实技术可以很好地解决这些问题。⑵对于一些具有潜在的危险而不便于现场演示的实验，或对于一些硬件设备太过高昂的实验，可以通过虚拟现实技术得以实现。⑶对于某些因受时空限制而再真实世界中无法观察和控制的过程和现象（例如沿着太阳系航行考察，在微观尺度上观察原子的运动及相互作用等等），则可以通过虚拟现实技术进行真实的模拟。
3、应用于网络虚拟实验室
可运用虚拟现实技术构造虚拟现实实验室。网络虚拟实验室由以下几个部分组成：虚拟世界、虚拟实验软件、计算机网络、输入设备和输出设备。虚拟世界是可交互的虚拟环境，可以从任意角度连续地观看和考察，它一般是一个包含三维模型或环境定义的数据库，虚拟实验软件提供满足教学大纲要求的可实时的可操作工具，包括鼠标、游戏杆和定位跟踪器等。
⑴非交互式虚拟实验室：所谓非交互式虚拟实验室是指网上学生可以观看该实验的内容，但不能自己动手操作。
⑵交互式式虚拟实验室：所谓交互式虚拟实验室，是指网上学生不仅可以观看实验内容，还可以运用前面介绍的输入设备对实验过程实施进行操作。该实验室较以前有许多优点，如操作性强、参与感佳、随机性好、实施效果优等。但对需要的软件和硬件要求很高。这种实验室的设计主要是运用VRML建模语言，通过它可以建立所需的虚拟实验室空间。
4、应用于物理实验教学
在物理实验教学中，虚拟现实技术可以弥补因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因而造成的教学条件的不足，利用虚拟现实系统，学生一样可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。还可避免真实实验或操作所带来的各种危险。以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验，则可以免除这种顾虑。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。
四、展望虚拟现实技术在中学物理教学中的应用前景
随着计算机技术的发展，虚拟现实正掀开其神秘的面纱，逐渐走进教学，充分解决中学物理课堂教学和实验教学中存在的教学方式单一、资源不足、情景难设置等问题。彻底改变中学物理教学枯燥单一的教学模式，改善教学资源的不足，使学生在虚拟的环境中，通过真实的体验融入其中；让学生通过自我探索学习，进而真正成为学习的主体，提高学生对学习环境的控制，激发对学习的积极性。
虚拟现实系统的硬件设备仍比较昂贵，虚拟现实技术也在中学物理教学中尚未普及。但是，随着社会的进步和技术的不断发展，在不久的将来，虚拟现实技术将作为一种新型的教育媒体，以其自身强大的教学优势，走进中学物理教学课堂，这必将推动中学物理课改的进步。
【参考文献】
1、吕永杰、张荟编著：《虚拟现实技术》，北京希望电子出版社
2、张剑：《Internet与网络教育应用》，科学出版社
3、恽如伟：中学物理虚拟现实教学软件的设计与思考[J]，中国电化教育，2003年04期
4、沈亦红：论物理虚拟实验与真实实验的互补作用[J]，中国电化教育，2004年07期
5、袁红萍：仿真力学实验教学软件的设计与开发[D]，四川师范大学，2009年
6、习海旭：利用虚拟现实技术培养初中生几何空间能力的研究[D]，南京师范大学，2006年
7、陈兴瑞：虚拟现实技术在实验教学中的应用探讨[J]，曲阜师范大学学报（自然科学版），2001年04期
【关键词】虚拟现实技术 中学物理教学 运用
虚拟现实技术是把客观上存在的或并不存在的东西，通过运用计算机在用户眼前生成一个虚拟的环境，使人感到象真实存在的一种技术。虚拟现实技术是在综合计算机图形学、计算机动模拟与仿真、传感技术、显示技术等许多计算机学科的基础上发展起来的一种计算机应用新领域。中学物理学科是一门理论性与实践性很强的学科，又由于中学生认识思维的局限性，在学习一些抽象性知识时感到困难，如光学、声学、电磁学、热学等。若在学习那些抽象性知识时设置一个虚拟情景，使学生进入到知识的虚拟世界，就会有利于激发学习者的学习动机，促进学习者的理解和记忆，有利于教师创设问题情景，指导学生进行探究式学习并实施探究式教学，有利于全面提高物理教学质量。二十一世纪，我们面临人类文明史上的又一次大飞跃，将由工业化社会进入到信息化社会。为此，世界各国对当前教育的发展及信息技术在教育中的应用都给予了前所未有的关注，都试图在未来的信息社会中让教育走在前列，以便在国际竞争中立于不败之地。
一、虚拟现实技术概述
虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景。
虚拟现实技术利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及显示技术，生成三维的虚拟环境，介入者利用键盘、鼠标等输入设备，或者带上头盔、数据手套等传感设备进入虚拟环境，在虚拟环境中进行实时交互，并且能够感知和操作虚拟环境中的各种对象，获得身临其境的感受和体验。
虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和想象力三个基本特征。在具体的教学实验中，学生可以作为主角存在于虚拟环境中，对虚拟环境内的物体进行操作并从环境中得到自然的反馈。而且，当学生沉浸在多维信息空间中时，能够主动地获取知识、寻求解答，形成新的概念。
虚拟现实技术以其诸多的优点决定了它在教育领域中的重要作用：一是避免真实实验或操作所带来的各种危险并降低真实实验的实验用品损耗；二是在虚拟实验中可以获得与真实实验一样的学习效果，还可根据实验教学发展需求“引入”新设备，不断对新设备进行扩展。三是彻底打破空间与时间的限制。总之，虚拟现实技术结合多媒体技术和计算机网络，能提高实验效果与效率，充分发挥教学优势。
二、传统教学模式的问题
物理学具有的实践性、应用性和创新性，为物理教学提供了极其丰富的创新内容。改变传统的教学模式和教育教学观念，树立新的人才观、教育观、质量观，在向学生传授知识，培养基本技能的同时，高度重视和开发学生的创新潜能，培养学生的创新精神和实践能力，是当今社会发展的要求，也是素质教育和新课程的主要目标。
我国目前的教学模式主要是以教师为中心,这种模式的优点是有利于教师主导作用的发挥，便于教师组织、监控整个教学活动进程。存在的主要问题是学生能力发展不平衡，知识面和思维不开阔，一贯演绎的思维训练方式占主导地位。传统教学模式已不能适应学生的需求和发展，学校教育要适应社会的发展和要求，就要培养学生的创新意识和实践能力。在教学活动中，教师应以学生为中心，努力创设一个“师生互动，生生互动”的学习环境，营造一种民主、轻松、愉快、和谐的课堂氛围，促进学生自主学习、探究学习、合作交流，充分利用先进的教学手段和新技术。在教学中，要鼓励学生提问质疑，保护学生的好奇心、求知欲。
三、虚拟现实技术在中学物理教学中的运用
根据虚拟现实技术的特点，在中学物理教学中基本有以下几方面的应用：
1、应用于课堂教学
课堂教学是教学的主要方式，也是虚拟现实运用于教学的主要战场。在物理课堂教学中，虚拟现实技术发挥着不同的作用，主要有以下方面的应用：立体物体的展示，立体空间的展示，展品的介绍，虚拟空间的营造与构建，虚拟场景的构造。如下图所示：
2、应用于制作物理课件
物理学是一门以实验为基础的科学，在物理基础教学中亦不可避免地会涉及到大量的实验仪器和设备。此外，物理学又是一门抽象性思维要求比较高的科学，经常涉及三维（甚至是多维）物理模型的构建。在物理辅助教学课件中，一般的处理方法有两种：一是通过图片或视频进行演示和说明。其优点是制作方法简单、效率高；缺点是缺乏交互性且二维图象很难完整体现各种设备的全部细节。二是通过编程（例如用visual basic或Java 3D语言）设计出模型的实验装备。其优点是具有较强的交互性；缺点是制作过程较复杂、工作量大，且要求制作者具有较高的编程能力，因而并不适合于普通教师采用。而虚拟现实技术的介入，将至少在以下三个方面有助于学生对问题的理解：⑴某些设计三维的研究对象（如电磁场的模型、分子或晶格结构等），如果采用二维平面投影（即缺乏纵向深度的平面区域图像）来表达的话，往往会造成学生概念上的误解，采用三维虚拟现实技术可以很好地解决这些问题。⑵对于一些具有潜在的危险而不便于现场演示的实验，或对于一些硬件设备太过高昂的实验，可以通过虚拟现实技术得以实现。⑶对于某些因受时空限制而再真实世界中无法观察和控制的过程和现象（例如沿着太阳系航行考察，在微观尺度上观察原子的运动及相互作用等等），则可以通过虚拟现实技术进行真实的模拟。
3、应用于网络虚拟实验室
可运用虚拟现实技术构造虚拟现实实验室。网络虚拟实验室由以下几个部分组成：虚拟世界、虚拟实验软件、计算机网络、输入设备和输出设备。虚拟世界是可交互的虚拟环境，可以从任意角度连续地观看和考察，它一般是一个包含三维模型或环境定义的数据库，虚拟实验软件提供满足教学大纲要求的可实时的可操作工具，包括鼠标、游戏杆和定位跟踪器等。
⑴非交互式虚拟实验室：所谓非交互式虚拟实验室是指网上学生可以观看该实验的内容，但不能自己动手操作。
⑵交互式式虚拟实验室：所谓交互式虚拟实验室，是指网上学生不仅可以观看实验内容，还可以运用前面介绍的输入设备对实验过程实施进行操作。该实验室较以前有许多优点，如操作性强、参与感佳、随机性好、实施效果优等。但对需要的软件和硬件要求很高。这种实验室的设计主要是运用VRML建模语言，通过它可以建立所需的虚拟实验室空间。
4、应用于物理实验教学
在物理实验教学中，虚拟现实技术可以弥补因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因而造成的教学条件的不足，利用虚拟现实系统，学生一样可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。还可避免真实实验或操作所带来的各种危险。以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用电视录像的方式来取代实验，学生无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术进行虚拟实验，则可以免除这种顾虑。学生在虚拟实验环境中，可以放心地去做各种危险的或危害人体的实验。
四、展望虚拟现实技术在中学物理教学中的应用前景
随着计算机技术的发展，虚拟现实正掀开其神秘的面纱，逐渐走进教学，充分解决中学物理课堂教学和实验教学中存在的教学方式单一、资源不足、情景难设置等问题。彻底改变中学物理教学枯燥单一的教学模式，改善教学资源的不足，使学生在虚拟的环境中，通过真实的体验融入其中；让学生通过自我探索学习，进而真正成为学习的主体，提高学生对学习环境的控制，激发对学习的积极性。
虚拟现实系统的硬件设备仍比较昂贵，虚拟现实技术也在中学物理教学中尚未普及。但是，随着社会的进步和技术的不断发展，在不久的将来，虚拟现实技术将作为一种新型的教育媒体，以其自身强大的教学优势，走进中学物理教学课堂，这必将推动中学物理课改的进步。
【参考文献】
1、吕永杰、张荟编著：《虚拟现实技术》，北京希望电子出版社
2、张剑：《Internet与网络教育应用》，科学出版社
3、恽如伟：中学物理虚拟现实教学软件的设计与思考[J]，中国电化教育，2003年04期
4、沈亦红：论物理虚拟实验与真实实验的互补作用[J]，中国电化教育，2004年07期
5、袁红萍：仿真力学实验教学软件的设计与开发[D]，四川师范大学，2009年
6、习海旭：利用虚拟现实技术培养初中生几何空间能力的研究[D]，南京师范大学，2006年
7、陈兴瑞：虚拟现实技术在实验教学中的应用探讨[J]，曲阜师范大学学报（自然科学版），2001年04期