关于虚拟现实技术下普通物理实验教材的开发初探.docx

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VirtualRealityVR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