物理教学中的新手段
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作者: 李芳龙
摘要:虚拟现实要能启发人的创造性的思维活动,不仅要能使沉浸于此环境中的学生获取新的知识,提高感性和理性认识,而且要能使学生产生新的构思。
关键词:虚拟现实;提高;身临其境
中图分类号:G633文献标识码:A文章编号:1003-2851(2010)03-0144-01
一、虚拟现实的基本特征
(一)沉浸性:指所创造的虚拟环境能使学生“身临其境”的感觉,使其相信在虚拟环境中人也是确实存在的,在操作过程中他可以自始至终地发挥作用,就像真正的客观世界一样。
(二)交互性:指在虚拟环境中,学生如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的人物、事物发生交互关系,学生是交互的主体,虚拟对象是交互的客体,主体和客体之间的交互是全方位的。
(三)构想性:指虚拟现实要能启发人的创造性的思维活动,不仅要能使沉浸于此环境中的学生获取新的知识,提高感性和理性认识,而且要能使学生产生新的构思。
(四)支作性:指学生能以客观存在的实际动作或以人类熟悉的方式来操作虚拟系统,让学生感觉到他面对的是一个真实的环境。
(五)自主性:指虚拟世界中物体可按各自的模型和规则自主运动。
二、虚拟现实在中学物理教学的作用
(一)虚拟游览。就是依据建构主义的理论,应用虚拟的方法生产一个教学场景,让学生根据自己的意愿选择游览路线、速度及视点,在这个虚拟的场景中游览,产生新的构思,从而完成对知识的意义建构。在物理教学活动中有些情境由于受到地理位置、季节替换和经费限制等多种因素的影响,很难及时地为学生创造合适的教学情境,这时可以用这种教学方法为学生创造一种虚拟的教学情境来进行教学。如在初中物理中讲到“功”的时候,我们通过虚拟现实的方法,提供很多的名山让学生游览,学生可以自由地选择几座名山进行快速游览,游览中学生就会发现所有的上山的道路都是绕着山上去而不是直接从山底上到山顶,进一步可以让学生参观汽车是沿着盘山公路上山的。那为什么要绕着上去呢?就可以增加一些参数来研究这个问题,在老师的指导下通过收集数据、分析计算,最后来解决这个问题。
(二)虚拟实物。是指用虚拟现实的方法来展示物理教学中用到的场景或实物。建构主人认为特定的情境对情感、语言、思维活动有着重要的作用,因此在日常的教学活动中,老师千方百计地营造教学中的情境,来调动学生的兴趣,增强学生对教学内容的理解。但在物理教学活动中,有些情境教师就很难营造,这时就可以通过虚拟实物的方法来创造生动的教学场景,激发学生的学习兴趣,帮助学生形成学习动机。如在高中物理中进到《机械波》这一章时,老师一味地讲有关波的理论就很难引起学生的注意,但如果用虚拟实物的方法展现运动会中利用运动员下蹲和站起形成的人浪,平静的湖面上扔下一块石头激起的涟漪等生活中的波的例子,就能调动学生的兴趣,把学生引入波的世界中,进一步还可以通过虚拟音叉振动后周围空气振动产生的声波和电磁振荡产生的电磁波,把学生引入到声波的相关知识。
(三)虚拟过程。是用虚拟现实的方法展示现实生活中一些无法看到的事物的变化过程或事物变化太快、太慢的过程。建构主义提倡在老师指导下的、以学习者为中心的学习。也就是说,学生是信息加工的主体、是意义的主动建构者,而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象,并要求学生采用探索法、发现法去建构知识的意义。对无法看到的事物的变化过程,如在讲物体的浮沉条件时,经常会引用潜水艇的例子,但是潜水艇究竟是怎样工作的,一般学生是无法看到的,这时就可以用虚拟的方法建立一艘超级潜艇,当要潜水艇上浮时,按控台上相应的按键,就会看见潜水艇开始中排水,到一定时候潜水艇就会上浮,并显示出上浮的速度;当要潜水艇下沉时,按相应的控制键,潜水艇就开始进水,到一定时候潜水艇就下沉,并显示出下沉的速度。这样,学生在虚拟的环境下通过对潜水艇上浮和下沉过程的观察,就能顺利地完成潜水艇工作原理的意义建构。对变化过程太快或太慢的过程,如高中物理在讲液体的表面张力时,如果用虚拟过程的方法,设计针刺破一侧的服皂膜后棉线的运动过程,让学生在虚拟的环境下,自己用一个热针刺破线一侧的肥皂膜,来观察棉线的运动情况,并同时显示棉线的受力弯化情况,学生就很容易知道为什么在热针刺破棉线一侧的肥皂膜后,棉线在表面张力作用下向另一侧变成弧形。
(四)虚拟实验。虚拟实验是指用虚拟现实的方法来完成人们在现有条件下无法进行的实验研究。一些想象中的问题无法在现有条件下进行实验,反而会使学生越模糊,无法完成意义的建构。这时可用虚拟实验的方法按照科学的理论设计一个虚拟的实验,来观察实验的过程和了解实验的结果,帮助学生完成所讨论知识的意义建构。如在研究物体的相对运动时,笔者曾和老师们设计过一个陀螺在地球北极正上方某一点观察时陀螺和地球怎么运动?结果发现能回答第一个问题的只有极少数的几个,没人能回答出第二个问题。笔者再让学生在虚拟的实验中研究这个问题,有12%学生甚至提出在地球北极的正上方某点按地球的角速度转动观察时陀螺和地球怎么运动的问题,并能通过虚拟实验的研究,自己回答这个问题。
三、虚拟现实在物理教学应用的注意问题
虽然虚拟现实在教学中有许多优点,但也存在着明显的不足之处:虚拟现实对客观世界物质属性的描述是非常局限的,无法刻画客观世界的未知领域:虚拟现实对现实的描述不够真实自然,有些虽接近真实但仍有距离,容易给使用者带来不适感受;虚拟现实容易给人造成满足感,从而对抽象知识的学习失去兴趣;虚拟现实与其他教学手段的关系问题:虚拟环境中的一些知识和技能在现实环境中的应用问题等等。
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