浅析VR技术在初中物理情境教学中的应用
潘碧云
摘 要：当前物理教学中常用的信息技术手段普遍存在场景二维化、体验性不足等瓶颈问题，在突破初中物理情境教学的困境时总功亏一馈。随着教育信息化的发展，VR（即虚拟现实）技术给传统教学方式带来变革和创新，应使它有机地服务于物理情境教学。
关键词：信息化；VR技术；情境教学；体验；沉浸性；交互性； 想象性
现代教育改革新理念指出，“情境教学是以心理学为根据，遵循学生学习心理规律，充分发挥出学生的内在潜能。”在物理教学中，情境法已成为一种常用的方法。物理的学科基础是观察和实验，然而，在传统的物理教学中，很多现实的客观局限导致物理实验和观察无法取得理想的教学效果，常使教学陷入困境。随着教育信息化发展，现代信息技术在物理情境教学中得到广泛应用，一定程度上提高了教学质量，但是，一些信息技术手段的局限性逐渐凸显，有待更先进的信息技术加以弥补改善。
1 应用信息技术突破物理教学困境时遭遇瓶颈
1.1 在传统物理课堂中存在的教学困境
（1）物理现象呈现时间不足，稍纵即逝
例如，九年级“内能”的这节教学中使用“空气压缩引火仪”的演示实验中，棉花燃烧的现象稍纵即逝，学生常常还没仔细观察，实验现象就已结束，使实验的教学效果大打折扣。
（2）物理现象微弱平淡，可观性低
课堂上当物理现象微弱平淡时，没有强烈视觉冲击效果，学生探索的兴趣会降低，甚至注意力分散，导致出现教师唱“独角戏”的尴尬局面。
（3）对有时空局限性的物理现象或规律，难以获得直观体验
在物理教学中，师生也常常能体会到时空给教学的限制。那些涉及漫长时间性和广袤空间性的物理现象或规律的教学，课堂上学生难以获得直观体验和经历。
（4）有危险性实验操作不能在课堂上进行
出于安全考虑，有一定危险性的实验操作在课堂教学中一般都被放弃，如八年级物理“大气压强”课中的“托里拆利实验”，因实验物质是水银，有一定的毒性，所以几乎不进行当堂演示。
1.2 当前信息技术应用在物理教学中存在着瓶颈
（1）场景二维化，互动匮乏，学习情境的体验性低
当前物理教学中信息技术的应用方式多样化，如交互式教学白板的广泛使用，以课件辅助教学，视频呈现，动画仿真，还有微课、慕课，它们的应用缓解了上述的物理教学困难。但是，由于这些信息技术的显示方式都是二维化，且互动形式单一，借助它们学生虽能看到物理现象，并未曾真实经历和立体体验其过程，很多学生常容易由知识的探索者沦为情境的旁观者。
（2）主流功能停滞在知识重现层面，不适应信息时代的发展对人才培养的更高要求
建构主义强调，学习者进入学习情境前是有其知识储备的，并不是空着脑袋的[ 1 ]。当代中学生是在信息大爆炸的背景下成长起来的，在各种电子产品普及的今天，他们能方便地利用各种工具获取信息，学习方式因此也呈现出碎片化、便捷化的特征；他们缺乏的不是知识的呈现，而是对知识的体验经历和深度认识。信息时代的发展对人才的培养提出了更高的要求，学生个体对知识整合、转化和创造能力的培养都有待强化。而当前教学中常用的信息技术主流功能还停滞在知识重现的层面上，也使得注重知识传授的传统教学模式日益捉襟见肘。
教育中提倡的因材施教是要适应时代发展背景的，是要求教学模式和信息技术手段要根据当代中学生特点进行改良的。为此，笔者关注到了虚拟现实技术（简称VR）的发展。
2 探索VR在初中物理情境教学中的应用
習近平总书记在2016年G20峰会上重点提及的未来三大核心技术之一就是虚拟现实（简称VR），引起了教育界的高度重视。美国NMC2016年3月发布的2016高等教育版《地平线报告》首次将VR列入，并视为未来2-3年解决深度学习矛盾的关键技术之一。因此，VR在初中物理教学中的应用值得我们去思考、探索。
2.1 VR简介
（1）什么是VR
虚拟现实，即Virtural Reality，简称VR，也叫人工环境。它是通过计算机模拟产生的三维空间，是一个虚拟的世界。它给使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟体验，使用者能即时、不受限制地对三维空间内的事物进行观察，如同身临其境一般[ 2 ]。
（2）VR的基本特征
基本特征： 三个I （ immersion-interaction-imagination），即沉浸—交互—想象，突出了人在虚拟系统中的主导作用[ 2 ]。
2.2 将VR应用于初中物理情境教学中的意义
（1）理论意义
情境教学注重对学习者的感觉的训练、直觉的培养和创造性的发展，其中渗透着形象、情感和想象的过程，给学习者带来无限的快乐与活力[ 3 ]。这个观点和VR体现的沉浸、交互和想象的特征恰是环环相扣。VR沉浸性的体现在于其构造的虚拟学习环境具有着真实世界一样的感受力；交互性是促进知识内化、激发学习情感的枢纽；虚拟现实中丰富的想象资源能成功打开学习的广阔想象空间，拓展认知范围。建构主义学习理论认为学习是在预定的情境中实现的意义建构过程，构成学习环境的四大要素分别是“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”[ 1 ]。VR就是通过创设沉浸式情境体验学习，通过人机自然交互对话，通过协作活动实现意义的建构，促进知识的生成，其特性体现了建构主义学习理论思想。由此可见，VR的基本特征与现代教育理论完全契合，顺应了教育信息化的发展要求。
（2）实际意义
①改变传统教学模式，变革学习方式和认知方式
VR技术应用于教学，带来学生学习方式和认知方式的变革，传统教学中的口授耳听的模式被打破，代替它的是一种沉浸式体验学习。VR的硬件是头盔显示器和其他设备，学生带上头盔显示器之后，和现实环境有了一定的隔离感。结合VR软件和物理实际教学需要，引领学生进入已预设好的三维学习情境中，从视、听、触等全方位感官模拟体验，向学生提供一种身临其境、引人入胜的沉浸感，让物理学习变得更加生动有趣且高效。
②引领交互模式的变革，破除了物理课堂时空局限
VR课件创建的三维空间效果改进了二维化呈现的不足，同时，也引领交互模式的变革。多样的传感器设备将学生和系统化为一个整体，实现自主控制人机交互；VR技术的应用也彻底破除了物理课堂的时间和空间的局限，物理教学中需要长时间进行的实验过程、科学的发展历程等，在虚拟现实中，可浓缩在短时间内让学生经历；虚拟环境中的视觉空间设置可以大到宇宙天体，小到分子、原子内部结构，打破了空间局限。VR还弥补了实验设备的不足，那些具有危险性、想象性的物理实验或场景，学生只要在教室里，便可获得真实体验，丰富感性认识。
③打开想象空间，促进创造力的培养
创造性是以丰富的想象力为基础的，VR本身就是信息科技时代的一种创造性技术，它具备了丰富的想象力资源。它通过模拟情境，设计与物理原型（物理现象或过程）相似的虚拟模型，并利用该虚拟模型间接研究物理原型的规律特点。在物理教学中，如牛顿第一定律中的物体不受力的情境、失重的世界等，这些在传统课堂上只能推理、想象的物理情境，都可以通过VR技术让学生得以体验经历，它不仅极大程度上激发学生的学习兴趣，而且打开了学生的想象空间，拓宽了认知范围，延伸了学习深度，促进创造力的培养。
2.3 如何将VR技术应用于初中物理情境教学
近期，笔者做了教学探索，在九年级“分子热运动”这节课中，运用VR课件进行的实际课堂教学，得到很多宝贵的经验，该课的教学视频荣获了我国“部级”优质课称号。在此实践基础上，笔者针对VR技术在初中物理情境教学的应用进行了分析和总结。
（1）精选合适的VR课程，精心设计课程
VR技术和物理教学有机结合的前提是精选合适的课程。随着教育信息化发展，初中物理课程在内容的设置上，更加关注学生的原型经验和兴趣发展，强调“物理知识来自生活”，强化了物理知识与社会和科技发展的联系。根据初中物理课程特点，使用VR技术教学，宜选择显性认知类课程，或作为辅助手段应用于其他类型课程的情境创设，促进“缄默知识”的获得[ 4 ]。如九年级物理的“分子热运动”，该课适合使用VR技术引导学生认识物质的微观结构；又如“核能”，该课可以用VR模拟核反应堆的相关实验场景，让学生沉浸体验；还有物理教学中涉及的很多有现实因素制约的情境体验都可以结合VR进行教学。
选定课程的基础上，精心设计课程是非常关键的。VR课程教学设计要结合教学目标、内容、教法、学情等各方因素，紧扣课程标准，设计上要体现出物理知识与生活实际的联系，关注学生学习兴趣和能力的发展，培养学生正确的情感态度价值观；要让VR技术与其他信息媒体有机结合，集采各家之长，协同互补；课程设计时要关注物理知识的内在深刻性与启发性，而不是利用VR技术表面做“秀”。
（2）精准制作VR课件，发挥VR教学辅助的功能
在教师完善的课程设计基础上，依照课程设计要求进行VR课件制作。VR教学课件必须是符合客观规律，依照实际教学需要进行精准开发制作的。由于具有技术难度，当前的VR课件还需要依靠专业工作人员进行开发制作。在物理教学中，某些户外实验或危险性实验等，可以通过全景相机拍摄产生真实的代入感，生成VR课件，但是，总体上都有较高的资金门槛；针对教学专门设计的互动型VR课件，还有较高的技术门槛，这也是当前VR技术在教育领域全面普及应用还需完善的方向。精准开发VR的课件，在教学中不能喧宾夺主，它仅作为辅助手段服务于情境教学。课堂的主体是学生，主导者是教师，VR课件的使用是辅助学生实现对情境的体验，但缺乏的是真实的情感交流，毕竟是虚拟现实，不可完全替代现实中的物理实验，也不能代替师生的情感交流，所以，它起到的是辅助教学的功能。
（3）实现知识的精彩生成，提高教学质量
VR课程精心设计和课件精准制作，目的是为了优化课堂结构，实现知识的精彩生成，提高教学质量。教育家苏霍姆林斯基说：“在人的心里深处有一种根深蒂固的需要，这就是希望自己是一个发现者、研究者、探索者。”初中生普遍热情且充满活力，他们的内心具有这种强烈精神的需要。将VR技术应用于教学中，让学生在教师精心设置的情境中通过虚拟环境扮演一个生动的角色，从而促进他们全身心地投入学习，成为知识的发现者、探索者、研究者，体验知识的形成与发展。这样的课堂能让学生充分发挥出学习的积极性、主动性和创造性，实现知识的精彩生成，提高教学质量。使用VR进行教学，要求教师具备对新信息资源进行收集、处理、整合的基本能力，教师课后还要做到自觉反思，积累使用经验，提高VR技术的使用效益，增强自身运用新信息技术的能力，促进教学水平的提高。
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》明确指出：“提高教师应用信息技术水平，更新教学观念，改进教学方法，提高教学效果，鼓励学生利用信息手段主动学习、自主学习，增强运用信息技术分析解决问题的能力，加快全民信息技术普及和应用。”21世纪是全球信息数字化、学习网络化的时代，以互联网为核心的现代信息技术发展日新月异，教育信息化特征也日益凸显。教育信息化未来的发展方向将从学习环境的改善或学习工具的改进，转变到了更高层次的学习体验的提升，以VR为代表的“沉浸式教育”正逐渐成为新标杆[ 5 ]。作为新时代的物理教师，必须不断加强教育理论的学习，形成与时俱进的教育观念，增强专业教学能力，提高信息技术素养，形成多元化的教学智慧，为我国素质教育的发展贡献一份力量。
参考文献：
[1]高文，徐斌艳，吴刚等.建构主义教育研究[M]. 北京：教育科学出版社，2008.
[2]汪超顺.虚拟现实的特点与应用[J].科学大观园，2009（2）.
[3]李吉林，田本娜，張定璋等.情境教学—情境教育[M].济南：山东教育出版社，2000.
[4]卢宁，卢辉炬.虚拟现实与缄默知识的获得[J]. 广西师范大学学报，2012，38（4）.
[5]安维华.虚拟现实在教育技术中应用的思考[M].北京：清华大学出版社，2014.
摘 要：当前物理教学中常用的信息技术手段普遍存在场景二维化、体验性不足等瓶颈问题，在突破初中物理情境教学的困境时总功亏一馈。随着教育信息化的发展，VR（即虚拟现实）技术给传统教学方式带来变革和创新，应使它有机地服务于物理情境教学。
关键词：信息化；VR技术；情境教学；体验；沉浸性；交互性； 想象性
现代教育改革新理念指出，“情境教学是以心理学为根据，遵循学生学习心理规律，充分发挥出学生的内在潜能。”在物理教学中，情境法已成为一种常用的方法。物理的学科基础是观察和实验，然而，在传统的物理教学中，很多现实的客观局限导致物理实验和观察无法取得理想的教学效果，常使教学陷入困境。随着教育信息化发展，现代信息技术在物理情境教学中得到广泛应用，一定程度上提高了教学质量，但是，一些信息技术手段的局限性逐渐凸显，有待更先进的信息技术加以弥补改善。
1 应用信息技术突破物理教学困境时遭遇瓶颈
1.1 在传统物理课堂中存在的教学困境
（1）物理现象呈现时间不足，稍纵即逝
例如，九年级“内能”的这节教学中使用“空气压缩引火仪”的演示实验中，棉花燃烧的现象稍纵即逝，学生常常还没仔细观察，实验现象就已结束，使实验的教学效果大打折扣。
（2）物理现象微弱平淡，可观性低
课堂上当物理现象微弱平淡时，没有强烈视觉冲击效果，学生探索的兴趣会降低，甚至注意力分散，导致出现教师唱“独角戏”的尴尬局面。
（3）对有时空局限性的物理现象或规律，难以获得直观体验
在物理教学中，师生也常常能体会到时空给教学的限制。那些涉及漫长时间性和广袤空间性的物理现象或规律的教学，课堂上学生难以获得直观体验和经历。
（4）有危险性实验操作不能在课堂上进行
出于安全考虑，有一定危险性的实验操作在课堂教学中一般都被放弃，如八年级物理“大气压强”课中的“托里拆利实验”，因实验物质是水银，有一定的毒性，所以几乎不进行当堂演示。
1.2 当前信息技术应用在物理教学中存在着瓶颈
（1）场景二维化，互动匮乏，学习情境的体验性低
当前物理教学中信息技术的应用方式多样化，如交互式教学白板的广泛使用，以课件辅助教学，视频呈现，动画仿真，还有微课、慕课，它们的应用缓解了上述的物理教学困难。但是，由于这些信息技术的显示方式都是二维化，且互动形式单一，借助它们学生虽能看到物理现象，并未曾真实经历和立体体验其过程，很多学生常容易由知识的探索者沦为情境的旁观者。
（2）主流功能停滞在知识重现层面，不适应信息时代的发展对人才培养的更高要求
建构主义强调，学习者进入学习情境前是有其知识储备的，并不是空着脑袋的[ 1 ]。当代中学生是在信息大爆炸的背景下成长起来的，在各种电子产品普及的今天，他们能方便地利用各种工具获取信息，学习方式因此也呈现出碎片化、便捷化的特征；他们缺乏的不是知识的呈现，而是对知识的体验经历和深度认识。信息时代的发展对人才的培养提出了更高的要求，学生个体对知识整合、转化和创造能力的培养都有待强化。而当前教学中常用的信息技术主流功能还停滞在知识重现的层面上，也使得注重知识传授的传统教学模式日益捉襟见肘。
教育中提倡的因材施教是要适应时代发展背景的，是要求教学模式和信息技术手段要根据当代中学生特点进行改良的。为此，笔者关注到了虚拟现实技术（简称VR）的发展。
2 探索VR在初中物理情境教学中的应用
習近平总书记在2016年G20峰会上重点提及的未来三大核心技术之一就是虚拟现实（简称VR），引起了教育界的高度重视。美国NMC2016年3月发布的2016高等教育版《地平线报告》首次将VR列入，并视为未来2-3年解决深度学习矛盾的关键技术之一。因此，VR在初中物理教学中的应用值得我们去思考、探索。
2.1 VR简介
（1）什么是VR
虚拟现实，即Virtural Reality，简称VR，也叫人工环境。它是通过计算机模拟产生的三维空间，是一个虚拟的世界。它给使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟体验，使用者能即时、不受限制地对三维空间内的事物进行观察，如同身临其境一般[ 2 ]。
（2）VR的基本特征
基本特征： 三个I （ immersion-interaction-imagination），即沉浸—交互—想象，突出了人在虚拟系统中的主导作用[ 2 ]。
2.2 将VR应用于初中物理情境教学中的意义
（1）理论意义
情境教学注重对学习者的感觉的训练、直觉的培养和创造性的发展，其中渗透着形象、情感和想象的过程，给学习者带来无限的快乐与活力[ 3 ]。这个观点和VR体现的沉浸、交互和想象的特征恰是环环相扣。VR沉浸性的体现在于其构造的虚拟学习环境具有着真实世界一样的感受力；交互性是促进知识内化、激发学习情感的枢纽；虚拟现实中丰富的想象资源能成功打开学习的广阔想象空间，拓展认知范围。建构主义学习理论认为学习是在预定的情境中实现的意义建构过程，构成学习环境的四大要素分别是“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”[ 1 ]。VR就是通过创设沉浸式情境体验学习，通过人机自然交互对话，通过协作活动实现意义的建构，促进知识的生成，其特性体现了建构主义学习理论思想。由此可见，VR的基本特征与现代教育理论完全契合，顺应了教育信息化的发展要求。
（2）实际意义
①改变传统教学模式，变革学习方式和认知方式
VR技术应用于教学，带来学生学习方式和认知方式的变革，传统教学中的口授耳听的模式被打破，代替它的是一种沉浸式体验学习。VR的硬件是头盔显示器和其他设备，学生带上头盔显示器之后，和现实环境有了一定的隔离感。结合VR软件和物理实际教学需要，引领学生进入已预设好的三维学习情境中，从视、听、触等全方位感官模拟体验，向学生提供一种身临其境、引人入胜的沉浸感，让物理学习变得更加生动有趣且高效。
②引领交互模式的变革，破除了物理课堂时空局限
VR课件创建的三维空间效果改进了二维化呈现的不足，同时，也引领交互模式的变革。多样的传感器设备将学生和系统化为一个整体，实现自主控制人机交互；VR技术的应用也彻底破除了物理课堂的时间和空间的局限，物理教学中需要长时间进行的实验过程、科学的发展历程等，在虚拟现实中，可浓缩在短时间内让学生经历；虚拟环境中的视觉空间设置可以大到宇宙天体，小到分子、原子内部结构，打破了空间局限。VR还弥补了实验设备的不足，那些具有危险性、想象性的物理实验或场景，学生只要在教室里，便可获得真实体验，丰富感性认识。
③打开想象空间，促进创造力的培养
创造性是以丰富的想象力为基础的，VR本身就是信息科技时代的一种创造性技术，它具备了丰富的想象力资源。它通过模拟情境，设计与物理原型（物理现象或过程）相似的虚拟模型，并利用该虚拟模型间接研究物理原型的规律特点。在物理教学中，如牛顿第一定律中的物体不受力的情境、失重的世界等，这些在传统课堂上只能推理、想象的物理情境，都可以通过VR技术让学生得以体验经历，它不仅极大程度上激发学生的学习兴趣，而且打开了学生的想象空间，拓宽了认知范围，延伸了学习深度，促进创造力的培养。
2.3 如何将VR技术应用于初中物理情境教学
近期，笔者做了教学探索，在九年级“分子热运动”这节课中，运用VR课件进行的实际课堂教学，得到很多宝贵的经验，该课的教学视频荣获了我国“部级”优质课称号。在此实践基础上，笔者针对VR技术在初中物理情境教学的应用进行了分析和总结。
（1）精选合适的VR课程，精心设计课程
VR技术和物理教学有机结合的前提是精选合适的课程。随着教育信息化发展，初中物理课程在内容的设置上，更加关注学生的原型经验和兴趣发展，强调“物理知识来自生活”，强化了物理知识与社会和科技发展的联系。根据初中物理课程特点，使用VR技术教学，宜选择显性认知类课程，或作为辅助手段应用于其他类型课程的情境创设，促进“缄默知识”的获得[ 4 ]。如九年级物理的“分子热运动”，该课适合使用VR技术引导学生认识物质的微观结构；又如“核能”，该课可以用VR模拟核反应堆的相关实验场景，让学生沉浸体验；还有物理教学中涉及的很多有现实因素制约的情境体验都可以结合VR进行教学。
选定课程的基础上，精心设计课程是非常关键的。VR课程教学设计要结合教学目标、内容、教法、学情等各方因素，紧扣课程标准，设计上要体现出物理知识与生活实际的联系，关注学生学习兴趣和能力的发展，培养学生正确的情感态度价值观；要让VR技术与其他信息媒体有机结合，集采各家之长，协同互补；课程设计时要关注物理知识的内在深刻性与启发性，而不是利用VR技术表面做“秀”。
（2）精准制作VR课件，发挥VR教学辅助的功能
在教师完善的课程设计基础上，依照课程设计要求进行VR课件制作。VR教学课件必须是符合客观规律，依照实际教学需要进行精准开发制作的。由于具有技术难度，当前的VR课件还需要依靠专业工作人员进行开发制作。在物理教学中，某些户外实验或危险性实验等，可以通过全景相机拍摄产生真实的代入感，生成VR课件，但是，总体上都有较高的资金门槛；针对教学专门设计的互动型VR课件，还有较高的技术门槛，这也是当前VR技术在教育领域全面普及应用还需完善的方向。精准开发VR的课件，在教学中不能喧宾夺主，它仅作为辅助手段服务于情境教学。课堂的主体是学生，主导者是教师，VR课件的使用是辅助学生实现对情境的体验，但缺乏的是真实的情感交流，毕竟是虚拟现实，不可完全替代现实中的物理实验，也不能代替师生的情感交流，所以，它起到的是辅助教学的功能。
（3）实现知识的精彩生成，提高教学质量
VR课程精心设计和课件精准制作，目的是为了优化课堂结构，实现知识的精彩生成，提高教学质量。教育家苏霍姆林斯基说：“在人的心里深处有一种根深蒂固的需要，这就是希望自己是一个发现者、研究者、探索者。”初中生普遍热情且充满活力，他们的内心具有这种强烈精神的需要。将VR技术应用于教学中，让学生在教师精心设置的情境中通过虚拟环境扮演一个生动的角色，从而促进他们全身心地投入学习，成为知识的发现者、探索者、研究者，体验知识的形成与发展。这样的课堂能让学生充分发挥出学习的积极性、主动性和创造性，实现知识的精彩生成，提高教学质量。使用VR进行教学，要求教师具备对新信息资源进行收集、处理、整合的基本能力，教师课后还要做到自觉反思，积累使用经验，提高VR技术的使用效益，增强自身运用新信息技术的能力，促进教学水平的提高。
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》明确指出：“提高教师应用信息技术水平，更新教学观念，改进教学方法，提高教学效果，鼓励学生利用信息手段主动学习、自主学习，增强运用信息技术分析解决问题的能力，加快全民信息技术普及和应用。”21世纪是全球信息数字化、学习网络化的时代，以互联网为核心的现代信息技术发展日新月异，教育信息化特征也日益凸显。教育信息化未来的发展方向将从学习环境的改善或学习工具的改进，转变到了更高层次的学习体验的提升，以VR为代表的“沉浸式教育”正逐渐成为新标杆[ 5 ]。作为新时代的物理教师，必须不断加强教育理论的学习，形成与时俱进的教育观念，增强专业教学能力，提高信息技术素养，形成多元化的教学智慧，为我国素质教育的发展贡献一份力量。
参考文献：
[1]高文，徐斌艳，吴刚等.建构主义教育研究[M]. 北京：教育科学出版社，2008.
[2]汪超顺.虚拟现实的特点与应用[J].科学大观园，2009（2）.
[3]李吉林，田本娜，張定璋等.情境教学—情境教育[M].济南：山东教育出版社，2000.
[4]卢宁，卢辉炬.虚拟现实与缄默知识的获得[J]. 广西师范大学学报，2012，38（4）.
[5]安维华.虚拟现实在教育技术中应用的思考[M].北京：清华大学出版社，2014.
