徐超凡 王林

摘 要：第三次教育革命后，规模化教育逐渐转变为个性化教育。未来，虚拟化的交互式学习模式将会成为學生学习的新途径。VR（虚拟现实）充分利用计算机可视化技术呈现学习内容，在情境中交互地学习物理知识，模拟物理实验。利用VR技术所具有的沉浸性、交互性和构想性的特点激发学生的主动性和兴趣，培养学生的创造性思维。虚实结合再造物理课程，提高学习效率。

关键词：VR教育；中学物理；交互；沉浸；实验教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）10-0069-3

1 VR教育现状

从目前的行业上看来，VR领域主要存在于VR游戏、VR社交和VR教育当中。VR教育仍然还停留在将传统教育的形式和内容直接放入VR中，像VR搭积木、VR看人体构造、VR看静态3D场景及文字等。但是，这样做只是简单改变了交互的方式，将电脑显示器“套”在了学生头上。就像看纸质书和电子书，本质上没有区别。

在CNKI数据库中以“VR学习”“VR教育”为关键词进行搜索，筛查无用文献后共检索到247篇相关文献。利用 CiteSpace进行知识图谱可视化分析后得到图1。通过图谱可以看出，在之前我国对于VR教育的研究中，VR在学习过程中所提供的沉浸感和学习体验已经被研究者们所重视，并且在职业教育中配合增强现实技术后得到了广泛运用。

国外将VR应用到教育的例子包括Jang、Susan等的3D解剖课程，借助虚拟操作平台、触觉输入设备及动物模型，配合交互性的解剖结构参照系，构建可直接操作的3D解剖课程；还有Alho Barata的电力变压器操作课程；Rupasinhe Thashikad的关于飞机维修技术的培训课程；Kim、Pyoung Won的操作电动机课程；Trautrims、Alexander的物流全球虚拟团队教学工具；Butavicius、MarcusA的腹腔镜模拟操作和心理测试等。

从之前的大量研究案例中可以看出，在原理理论性教学中，不认为VR有超过传统教学方式的优势，更多的还是对于理论联系实践的直观表现。但是在体验性操作教育上，VR优于提供场景，适当的场景能引发真正的学习需求，能够有效替代现有教育中的部分体验性操作内容。VR所具有的七大教育功能：体验、探究、训练、矫正、交流、创作与游戏在集中学生关注度和提升学生学习兴趣上效果显著。

2 VR的教育应用在物理课堂的理论分析

VR技术对教育改革最明显的优势就是加入了虚拟现实学习环境。通过VR技术引入教学内容，绝不是课程内容和工具的简单相加。VR的教育价值已经不是一顶头盔和一副眼镜能够涵盖的，VR可以是一种学习或思考方式。通过VR可以把课堂上教师没有办法用语言描述的、抽象的图像，通过具体的、全方位的、全沉浸的场景给学生展示出来，让学生全身心地进入这个场景。这样不仅可以让学生身临其境，还可以很大程度上解决学生对课堂内容专注度不足的问题，让学生更好地理解原理。例如，用VR操作挖掘机、用VR进行飞行模拟等都是已经实现的将教育应用到职业教育中的典型例子。在实践性、感性、三维的教学内容中，VR相对传统、理性、二维的实验教学有巨大的优势。

VR作为一种传播媒体，其核心在于扩展学习者的经验，使得学习者能够与环境交互，从而掌握新观念。二十世纪80年代以来，情境化认识理论已经成为重要的学习理论之一。它通过建立情境来使学习可以从一种情境迁移至另一种情境。学生在学习过程中是否能产生共鸣，都取决于教学情境的生动性与逼真性，情境越生动、越逼真就越能引发个体的身体体验。教育活动具有很强的情境性，识别情景可以帮助学生更好地理解新的概念。学生通过VR跟虚拟世界产生联系，进入真实的场景中，理解本来抽象难懂的教学内容。让学生自己动手、自己探讨，在操作中记住知识，而不是大规模地抄写、背诵。

知识不是完全客观的，知识的展现需要通过具体的事物和场景。通过亲身实践获得知识，对学生来说不仅更加容易理解而且不易遗忘。传统课堂过多地强调了知识的接受，而教育应该是调动人的全部生理与心理特性的。这也是如今翻转课堂、慕课（Mooc）、微课等新型学习模式不断涌现的原因。当学生沉浸在一个问题情境中，在情境中获得知识和技能及其应用规则来解决问题时，有效的学习才能发生，可以做到不刻意地去学去记，而是更加轻松地在脑海中构建知识体系。

物理作为一门以实验为基础的学科，通过演示实验进行教学是必不可少的。在课堂中，往往受到教学设备和教室环境的限制，实验效果得不到最大程度的体现。但是，使用VR技术就可以非常好地解决这个问题，所有的学生都处于一个虚拟的环境，体验的都是同样的内容，产生的却是各自与VR交互的体验。将每一个学生都“沉浸”在环境之中，让学生在类似虚拟游戏的体验中实现现实不可能做的事情。这里说的VR实验不是为了让学生看见一个3D的爱迪生如何实验几百种灯丝材料，而是让学生自己“成为爱迪生”，用别人的眼睛去看，用别人的耳朵去听，用别人的心去感受，多角度地去体验实验过程，在过程中反思，然后得出自己的感悟。

在物理课堂，VR的主要作用是唤起学生的学习兴趣。在家中，VR能够让孩子定下心来学习。从而实现教学内容可视化、教学环境虚拟化和个别化、教学过程个性化和交互化、教学评价客观标准化。

3 VR在物理课堂中的应用实例

以电学为例，36 V以下的电压被称为安全电压，但我国家庭电压为220 V，接触220 V的电压又会怎样？若这时使用VR就能在保证学生人身安全的情况下让学生亲身体验触电的感觉，让学生对原先虚无缥缈的电的概念有了新的认识。

在学习热机一章时，一般课堂都是通过汽油机或柴油机的演示模型演示由化学能转化为机械能的做功冲程，通过VR可以打开热机的外壳，详细地观察吸气、压缩、做功、排气四个冲程的工作原理，对于图片难以表达的工程元件曲轴、连杆等也可以有一个更加直观的认识。

在《光的干涉和衍射》这一节，物理老师通常在课堂上讲了半天，学生却目光呆滞，面无表情，甚至不知道自己为什么要学习这个知识点，一开始就听得云里雾里，失去了学习和记忆的兴趣。因为这种微观粒子的运动，用语言是很难表达的，加上实验难度较高，难以演示，学生很难想象粒子究竟是如何穿过狭缝的，而通过幻灯片的展示又差了那么点意思。这时就可以通过VR来展现。

在讲述宇宙中天体之间的关系或卫星发射这些问题的时候，只通过图片是很难让学生真正理解具体的实际情况。但通过VR，学生可以亲自驾驶火箭或飞船，起飞时体验飞船摆脱地球引力的速度，而不是单单记住一串数字，飞行时可以看到星球在他们身边旋转，甚至可以登陆到一个具体的星球上去感受一下。降落时感受重力加速度带来的冲击力。这种经过“真实”体验，亲手触摸比较后，学生的好奇心和探索欲将会被有效地 调动起来，对于知识的专注度也会得到显著提升。图2是通过VR让学生感受过山车。

VR不仅在模拟真实环境时有用，还可以模拟真实环境中看不到的场景。例如，在研究声音传播时，可以通过VR模拟真实环境中看不到的波形效果，让学生感受到声波具体是怎样传播的，还有光学中的望远镜和显微镜等，都可以通过VR将抽象的实验现象具体化，将原本密闭的实验系统透明化。

4 VR教育目前的缺陷

VR教育的学习环境必定也会有其独特的支持与约束因素。VR具备重塑教育的潜力，但VR大范圍变革教育的路还很长。国外学者分析了VR学习环境中学习者受到的支持与约束因素，通过对参与者进行定性分析和评估，揭示了技术和后勤支持是学习的限制性因素。具体到中学课堂中，VR在课堂中能否被教师所掌握，对于教室的设备要求以及成本投入问题都还有待改进。

Michael Bodekaer在TED大会上关于VR科学实验室的演讲中提到：“如果能将常青藤百万美元级别的实验室提供给每一个富有创造力的年轻人，为他们提供世界上最先进、最优秀的实验仪器，那将会激励整整一代的科学家们来创新和改造我们的世界。”曾经我们将投影仪引入课堂，随后电脑、PPT、Flash、智能手机、iPad、电子白板也被引入。21世纪是信息化的时代，网络的发展颠覆了许多传统行业。只有不断改变媒介，提升品质，推陈出新，才能在这个充满竞争与压力的环境中求得生存和发展。

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