基于zSpace虚拟现实技术在物理教学中的应用

物理学是以实验为基础的自然科学，中学阶段物理实验活动的开展主要是为了激发学生的学习兴趣，提升其科学素养，通过培养学生的实验技能，掌握科学研究方法，增进学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维和团队协作能力。2019年，教育部发布了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》（教基[2019]16号），明确提出要创新实验教学方式，促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现。
       zSpace是美国加州Infinite Z公司以STEM为教育理念打造的桌面虚拟现实系统，旨在通过虚拟现实技术为学生提供更具沉浸感的学习体验，鼓励学生大胆探索和创造，激发学生好奇心并达到增强其理解能力，提升整体教学效果的作用。本文的研究基于矩道物理VR/3D虚拟仿真实验室软件，该软件由上海矩道网络科技有限公司独立研发，它以3D立体的逼真效果呈现物理实验场景，同时可以把抽象、微观等不可视的场景可视化，让学生在三维空间自由探索，打造沉浸式的学习体验。

       zSpace桌面虚拟现实系统主要组成部分：3D显示屏，VR触控笔，3D立体追踪眼镜。它允许操作者将显示屏内的3D场景或对象进行操作、提取、放大、旋转等操作，结合矩道物理VR/3D实验室软件，能够直观展示逼真的实验场景及器材，实现对实验器材的近距离观察学习，并进行相关实验操作。

1. 建构主义理论

建构主义理论倡导以学生为中心，将学生作为信息加工、意义建构的主体，而非知识被动接受者；同时，要求教师从知识的传授者、灌输者转化为促进者和引导者。建构主义学习环境中设计的情境、活动和社会互动能够持续地挑战学习者头脑中已有的经验，从而促进新知识的形成。由建构主义延伸出的一系列教学策略，例如情境化学习、体验式学习、合作性学习、问题导向学习、探究式学习等，因其都具有一些与虚拟学习环境相一致的特点，可以广泛地应用于zSpace桌面虚拟现实系统的教学与学习中。

2. 视听学习理论

       视听学习理论以美国视听教育家戴尔提出的“经验之塔”为主要依据与指导思想。戴尔将人类的学习经验根据其抽象程度分为三大类，抽象程度由低到高分别是做的经验、观察的经验以及抽象的经验。“经验之塔”最底层的经验最具体，越往上抽象程度越高，越难于理解。戴尔认为，学生要在累积实际经验的基础上，进一步理解现实中的客观事物的抽象表现形式，才能高效地参加更加抽象的学习活动。学生利用zSpace桌面虚拟现实系统进行模拟实验，属于“做的经验”中的“设计的经验”，学生亲自动手感受实验过程，建构物理模型，总结规律，得出结论，便于学生能够更加高效的接收信息，吸收信息，提高学习效率。

1. 提高课堂参与度，营造良好互动氛围

课堂参与是师生互动必不可缺的环节，新课标更是注重师生互动、生生互动的参与度。大量课堂实践表明学生的参与度与课堂教学质量息息相关。教师利用zSpace桌面虚拟现实系统进行分组式教学，大大方便了师生间的互动，老师讲完或示范完，学生立即可以亲自动手实践，每组使用一套设备，可以确保每个学生都有机会体验和操作设备，同时也方便学生之间的合作交流，营造一个自由开放的课堂学习氛围。

例如，在“光的直线传播”一节中，教师在讲解并利用zSpace桌面虚拟现实系统演示完光在水中沿直线传播的现象后，可以让学生利用zSpace桌面虚拟现实系统自由探索小孔成像的实验，学生通过操作蜡烛、小孔及光屏的位置，观察像的位置如何变化，总结出规律。老师进而引导学生思考小孔成像的原理，并让学生通过观察小孔成像的动态光路变化，感受光沿直线传播的特点以及小孔成像中像与蜡烛的位置、大小变化关系。这样，通过互动以及自由探索环节，在老师的引导下，学生在自由开放的学习氛围中完成学习，并且能够直观感受现实中很难实现的动态光路效果。

2. 增加课堂趣味性，激发学生学习兴趣

托尔斯泰说过：“成功的教学所需要的不是强制而是激发学生的兴趣”。新课标要求在课程实施上要注重学生学习的自主性。兴趣是最好的老师，激发学生学习兴趣能够提升学生的自主性。教师在教学中应该激发学生的好奇心，寓教于乐，吸引学生注意力。zSpace桌面虚拟现实系统的使用，为教学增添了一种新模式。让学生在学习的同时体验科技带来的新鲜感，使学生沉浸在其中，同时在内容上允许自由操作，让学生充分体验探究带来的学习乐趣。

例如，在“光的色散”一节中，讲解光的色散时，学生不仅可以探究白光在三棱镜下的色散，还可以利用方形、半圆形玻璃砖等器件以及设置不同频率的单色光源进行色散实验的自由探索，让学生深刻理解色散的成因。当讲到色光的混合时，由于环境光的干扰以及单色光源难实现的因素，实际的实验效果并不理想，这时zSpace虚拟现实技术就体现出了优势，不仅可以实现理想的环境和单色光源效果，学生还可以自由操作，进行色光的两两混合，调节三种色光的光强等，激发出学生的探究兴趣。处于这种状态的学生，其主体意识和主动参与意识都会显著增强，让教学效果事半功倍。因此，在物理教学中引入zSpace桌面虚拟现实系统，可以有效地吸引学生的注意力，激发学生的兴趣，寓学于乐，从而极大地提高教学效果，对学生探究能力和创新能力有较好地促进作用。

3. 打造可视化教学，降低学生理解难度

zSpace虚拟现实技术在物理教学中的应用，不仅给师生提供了一个极具真实、高沉浸感的环境体验，同时可以把危险性高、受限于环境或设备等因素而无法进行的实验搬到虚拟场景中进行操作。不仅如此，它还能将诸如微观、抽象等现实中不可见的现象以及现象背后的原理等内容直观可视化，让学生直观感受，降低学生理解难度。

例如，在研究各种电场或磁场时，可以直观展示3D形式的电场线或磁感线；在研究电荷等静电学问题时，可以模拟出电荷在物体上的分布情况以及电荷的转移过程；在研究分子热运动和扩散现象时，可以模拟出微观层面分子的运动状态；在研究电磁感应和电动机工作原理时，可以直观展示出实时动态的电流和受力情况；在研究带电粒子在电磁场中的运动时，比如示波管的原理，不仅能直观看到示波管的内部结构，还能模拟出电子在电场中的偏转轨迹；在研究热机的工作原理时，可以展示热机的结构，并可进行拆分、组建，还可以动态展示热机的四个冲程等等。总之，将抽象的、不可视的内容可视化，既便于老师的讲解，又有助于学生的理解，提升学生信息接受度，让老师的教学和学生的学习更加高效。

本文节选自人教版高中物理必修第三册第十三章第一节的《磁场 磁感线》中的教学片段为例，分析zSpace桌面虚拟现实系统在物理教学中的应用。

本节内容包括磁场和磁感线两部分。磁感线、几种常见磁场的磁感线分布是基本的重要指示，有助于学生了解物理模型在人类探索自然规律中的作用。由于磁感线的分布是空间、而非平面的，这就需要学生强大的空间想象力。因此，在实际教学中，首先通过教师的演示实验进行教学，再指导学生进行分组实验，进行探究性学习。演示实验中，教师通过在磁体周围撒铁屑或小磁针的方式让学生感受磁场的磁感线分布，让学生认识到磁场尽管触不可及，但确是客观存在的。在学生分组实验中，利用zSpace桌面虚拟现实系统，让学生自由探索几种常见磁场的磁感线立体分布情况，加深学生对磁场立体空间的认识，建立磁感线的空间立体图景。

教学片段

       教育技术是为教育教学提供更好服务的。相较于传统教学模式，应用zSpace桌面虚拟现实系统以及矩道物理VR/3D虚拟仿真实验室软件的课堂，使学生的学习兴趣及课堂参与度明显提升，加深学生对抽象知识点的掌握。可见zSpace虚拟现实技术对课堂教学能够起到良好的推动作用，不过，虚拟仿真实验并非代替真实实验，教学中应该将虚拟仿真实验和真实实验有机融合，更好地发挥二者各自的优势，共同服务于实验教学。