浅析虚拟现实技术在中学物理教学中的运用前景

论文核心提示:

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。  

[本论文关键字]:

推荐链接