初中物理探究性三维虚拟实验的研究

赵慧勤 周世菊 张天云

摘要：研究通过分析中学物理实验传统教学中存在的不足，提出了利用虚拟现实技术设计并实现探究性三维虚拟实验，解决传统实验教学存在的实验设备不全、实验环境受限、实验过程缺乏创造性等问题，同时讨论了探究性三维虚拟实验设计的理论基础、设计原则和过程、实现技术与方法，并通过案例进行了详细阐述。

关键词：探究性；三维虚拟实验

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2016）02-0055-04

探究性三维虚拟实验设计的理论基础

1.认知主义学习理论

认知主义学习理论把学习看作对信息进行主动选择和理解的过程，认为人的认知过程实际上是一个信息加工过程，知识不是由外界刺激直接给予的，而是外界刺激和认知主体内部心理过程相互作用的结果。采用三维虚拟实验进行教学，认知对象从传统的与现实世界打交道，变成与虚拟世界进行交互，从而产生了一种新的认知方式。因此设计三维虚拟实验时，必须从学生的认知心理出发，注重学生的具体经验和对情境的了解，使学习者新旧知识之间的同化能顺利完成，最终促进自己的认知发展。

2.情境学习理论

情境学习理论认为，特定的知识应该在特定的情境中去学习，学习是一个社会性过程，知识在这个过程中由学习者与周围环境相互作用共同构建。情境学习理论强调学习者应经历社会真实情境，通过实际活动使其在真实情境中学习知识、技能和策略，对知识做合理的解释并能灵活运用知识。因此，设计三维虚拟实验时，必须创设实验过程所需要的各种情境，为学生主动探究提供环境支撑。

3.建构主义学习理论

建构主义认为，学习是建构内在心理表征的过程，学习者以已有的经验为基础，通过与外界的相互作用来建构新的理解，学习者知识的获得是个体与外部环境交互的结果。因此，设计三维虚拟实验时，必须提供灵活的交互方式，同时为学习者提供丰富的资源和工具，方便学生进行科学的探究活动，有效建构自己的知识。

中学物理探究性三维虚拟实验设计

1.设计原则

直观性：三维虚拟实验设计要为学习者提供逼真的实验环境，增加学生者亲身体验的经历。由于操作步骤复杂、观测过程漫长、实验仪器昂贵等原因而无法完成的实验要逼真模拟，实验现象抽象和微观的就要突破时空限制转变为直观呈现，实验过程不能及时控制的要设计关键现象模拟情境，使学习者在虚拟环境下，便于观察物理现象，更好地理解和掌握实验原理。

交互性：三维虚拟实验设计要为学习者提供更多交互的环节和实时的反馈，方便学习者选择实验设备、操作实验仪器、设置实验条件、改变实验参数。使学习者在虚拟环境下，按照自己的学习特征、学习进度和学习方式进行主动探究。

开放性：三维虚拟实验设计要为学习者提供可以自主设计实验的学习资源和工具，使学习者能够按照自己的兴趣自由地设计实验方案、演示实验效果，并提供及时的反馈。

趣味性：三维虚拟实验设计要为学习者提供能够激发好奇心和求知欲的实验过程和现象，能够吸引学生的注意力，给学习者悦趣的体验，激发其学习物理的兴趣。

2.设计过程

（1）实验类型和主题的设计

按照实验内容分为：声音类、光学类、电路类、电磁类、理学类、能量类。本研究从众多实验中选择了部分实验进行开发仿真，具体包括真实实验中不易观察的实验、真实实验中不易控制的实验两类。

（2）虚拟实验模块设计

探究性三维虚拟实验共包括实验介绍、实验操作、实验提示、实验评价四个模块。其中，实验介绍包括仪器介绍和内容介绍。仪器介绍阐述虚拟实验中用到的关键仪器的功能、使用方法等。内容介绍阐述实验目的、实验原理等；实验操作是虚拟实验的核心部分，通过分析该阶段学生的认知结构，设计交互式的用户界面和探究性实验环节，学生根据实验原理和步骤，在三维虚拟实验场景中对相关实验仪器进行操作，完成实验；实验提示是指对实验中容易出错的地方为学生提供必要的帮助；实验评价是根据具体的实验要求，对学生的实验操作结果进行评价。

中学物理探究性三维虚拟实验的实现

1.主要开发工具的选择

探究性三维虚拟实验的实现主要包括虚拟实验场景、各种实验仪器设备的三维建模，以及提供探究活动的虚拟现实交互体验的开发，用到的开发工具主要包括三维建模工具3ds Max和虚拟现实开发工具Unity 3D。

（1）3ds Max

3ds Max是Autodesk公司开发的基于PC的三维动画制作、编辑、播放与三维建模和渲染软件。它具有易于使用、功能强大、性价比高等优点，是许多个人和公司用户首选的三维建模与动画软件。3ds Max被广泛应用于广告、影视、游戏开发、计算机艺术、角色动画、工业设计和辅助教学等诸多领域。

（2）Unity 3D

Unity 3D是由Unity Technologies公司推出的一款强大的3D跨平台游戏引擎，包括图形、光照、音频、渲染、物理和网络等多方面的引擎支持，目前已不仅仅局限于游戏开发，而成为强大的综合性虚拟现实开发工具，在虚拟漫游与实时设计、虚拟现实交互体验、人体数字化展示等领域都得到有效应用。

2.开发流程

三维虚拟实验的开发步骤为：①三维虚拟实验场景、实验仪器的建模；②分析学生的心理和认知结构，设计探究环节；③设计交互界面，实现实验的交互操作；④测试虚拟实验，进行调试和优化；⑤发布虚拟实验。

3.探究性三维虚拟实验的开发

（1）实例1：布朗运动

①实验设计思路：布朗运动是由微观分子间做无规则运动而形成的。在现实生活中，难于操作，不易观察，只有借助显微镜才能观察，使得学生缺乏创造力和空间想象力。而在三维虚拟实验中可以克服这些不足，利用Unity 3D提供的物理引擎，可以很好地模拟微观分子的无规则运动。本实验通过设计交互式的界面接口，使学生可以通过控制温度变化或调整微观分子大小，模拟微观分子的运动变化情况，从而使实验者更好地理解布朗运动。

②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建，主要包括实验桌、实验仪器，实验主界面如下页图1所示。

③虚拟仿真实验的实现。本实验提供了两个观察角度，即宏观和微观，宏观角度用来展示实验前的状况；微观角度用来展示微观粒子的运动状况，通过使用摄像机效果，使得观察者能够清晰地看到微观世界中分子的无规则运动情况，实验操作界面如下页图2所示。

下面详细介绍微观角度下实验的实现过程。首先，学生点击微观按钮后，摄像机被激活显示，同时向液体分子拉近，这时出现图2所示的界面，屏幕下方出现对应的滑动条用于控制条件，一种是温度变化，一种是分子大小变化。这里用到了NGUI插件里的Tween Position动画。其次，液体分子的无规则运动模拟是用Unity自带的碰撞检测函数来实现的。当分子之间相互碰撞时，会触发自身的碰撞检测，从而受到一个反向作用力被反弹回去。当多个分子发生碰撞时，它们的运动就会变得毫无规律，从而形成了无规则运动。

（2）实例2：光的反射与折射

①实验设计思路：光的反射与折射定律探究的是光从一种介质照射到另一种介质时发生传播方向改变的光学现象。在现实生活中，为了确保实验的准确性和灵活性，特别要保证三线共面，需要实验操作细致，入射角、反射角、折射角的测量也很费时，且不易控制。而在三维虚拟仿真实验中可以克服这些不足，利用Unity 3D可以很好地模拟光线的反射、折射现象，以及入射角、反射角、折射角之间的关系。

②虚拟实验场景和实验器材的三维建模。本实验采用3ds Max对三维仿真实验中用到的模型进行构建，主要实验仪器如图3所示。

③虚拟仿真实验的实现。本实验用来展示入射角变化时，反射角、折射角的变化情况，通过圆盘上的刻度标定，能够随时读出确切的值，实验者能够清晰地看到入射角、反射角、折射角的关系，实验操作界面如图4所示。

结束语

新技术、新媒体的发展对传统教育教学改革具有推动作用，利用虚拟现实技术设计并实现初中物理探究性三维虚拟实验，能够有效改进传统中学物理实验教学的不足，为学生进一步理解基本概念、掌握实验规律和实验原理，提供了主动探究的环境，对学生创新思维的培养具有重要价值，对探索信息技术环境下中学实验教学新方法具有重要意义。

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