中學物理教育智能虛擬情景研發探討

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摘要:隨著現代教育技術的高速發展，將智能虛擬技術與物理課堂結合的要求日益增長。以“流浪地球”為主題，利用智能虛擬技術模擬地球與木星的相遇。真實而豐富的視覺效果和交互作用可以使學生沉浸在情景中，更好地幫助學生理解曲線運動中力的作用。面向中學物理教育，將智能虛擬技術與物理教學有機結合具有很多優勢，它可以提升物理課堂效率，提升學生學習興趣，有利于培養學生的物理學科核心素養。同時也對新時代的物理教師提出了更高的要求。

關鍵詞:智能虛擬；物理教學；曲線運動

1物理學科虛擬情景建設現狀

為學生創設鮮活的物理情景，激活學生的學習興趣，喚起好奇心，從而使學生可以充分發揮主動性，自主構建物理學科知識，是物理教育竭力倡導的教育目標。隨著現代教學技術的發展，將中學物理課堂與智能虛擬技術相結合成為提升物理課堂質量和效率的新手段。智能虛擬技術以“具體的物理問題”為研究對象，抽象出“物理模型”，利用計算機智能仿真技術創設出具有較強的真實體驗的“虛擬情景”［1］，將抽象的、不可視的物理過程具體化、可視化，優化了學生的學習體驗，可以幫助學生理解抽象概念，提升物理課堂質量.國內外關于智能虛擬與物理教學相結合的研究與實踐正處在發展之中。美國斯坦福大學的卡爾·威曼教授對科技教育領域作出了卓越貢獻。卡爾·威曼教授于2001年獲得諾貝爾物理學獎，并將獎金用于創設非營利教育項目PhET，為世界各地的學生提供了更好的科技教育資源，利用線上互動模擬工具為7億學生進行了線上模擬訓練。目前，我國應用智能虛擬技術開展物理教學仍有很大的發展空間，而國外的物理虛擬實驗和虛擬情景與國內新課標的要求在契合度上也有待提升。因此，開展適合中國物理教育的智能虛擬情景研發勢在必行。本次智能虛擬情景研發選擇了“流浪地球”主題，模擬地球在流浪過程中與木星相遇的情景。強烈的感官刺激與交互作用充分體現了智能虛擬技術在物理課堂中表現出來的優勢。

2“流浪地球”虛擬實驗設計過程

本次研發以“流浪地球”為主題，模擬地球與木星相遇。該情景與可真實發生的物理實驗情景具有差異性。智能模擬技術既可以呈現出真實發生的實驗情景，如分子擴散、透鏡成像規律等；也可以模擬“流浪地球”這類不能實際操作或演示的情景。后者雖然在現實生活中不存在或無法操作，但該情景中蘊含的物理概念和規律仍然對學生有著很大的啟示作用，對激發學生的學習興趣、增強科學思維有著巨大貢獻。由于第一次研發面對的是中學物理課程，所以交互作用中對地球施加的外力為恒力，且不考慮地球與木星之間的萬有引力，也不考慮洛希極限的影響。（后續2．0版本面對大學課程時，可以加入更多的限制條件。）模擬1．0版本將該情景簡化為質點與球體相遇，對地球質點施加恒力作用，改變地球的運動軌跡以避免與木星相撞。該內容對標教材中曲線運動部分的知識，涉及運動的合成與分解、勻變速曲線運動的計算、力在曲線運動中的作用等。

2．1期望掌握的主要知識點

首先，我們對“流浪地球”這個假想的情景進行建模，將木星簡化為一個球體，半徑為R0，木星周圍的洛希極限范圍為R（1．0版本不考慮洛希極限）。將地球看作一個質點，正以某初速度v0靠近木星，地球質點與木星球心間距離為r。

2．2實驗流程設計

建立好研究情景的物理模型之后，將該模型進行編程，利用智能技術模擬地球的運動過程。學生在使用程序時具體呈現過程如圖2所示。設計三個控制開關分別用來選擇力的大小、方向、作用時間，參數的設置應盡可能使地球擦著木星的洛希極限范圍的邊緣離開木星。選擇結束后開始模擬地球的運動軌跡，操作者可以以第一視角看到自身相對于木星的運動情況。若力的大小設置過小或力的作用時間設置過短，則地球與木星相撞，顯示墜毀場景；若力的大小設置過大或力的作用時間設置過長，則地球很快脫離木星，此時雖然可以脫險，但不能觀察到木星周圍的景象；若力的大小、方向及作用時間各項參數設置合理，則地球既可以脫離危險，“宇航員”也可以以第一視角觀測到木星周圍景象。本模擬設置了一定的容錯環節和提示內容，在是否碰到木星的臨界條件進行了近似處理，力的大小和作用時間限定在一定的范圍內進行選擇。圖3手柄按鈕模擬示意圖2．3智能虛擬效果使用VR頭盔和手柄，使情景模擬具有很強的沉浸性和交互性。轉動手柄可以使“宇航員”視角進行360度旋轉，手柄按鈕可以設置模擬過程中對地球施加的外力參數。模擬開始時，如圖3所示，轉動手柄可選擇是否改變地球的運動軌跡，即是否設置外力參數。若選擇了“是”，則出現圖4的設置界面。通過手柄可以設置力的大小、方向及作用時間。設置結束后，軟件開始模擬地球的運動軌跡，圖5為地球成功躲避木星的情景。以上圖片均來自VR效果的錄制視頻，佩戴VR頭盔的視覺效果會具有更強的沉浸感和沖擊性。

3智能虛擬物理情景的優勢

3．1提升課堂效率，增強物理學習有效性

利用智能虛擬技術模擬物理情景的目的是為了幫助學生更好地將物理知識和規律運用到物理情景中。分析和掌握復雜的物理過程是學生在解決問題時需要克服的重難點，而模擬情景恰好可以將復雜的、抽象的過程變得具體化、形象化。利用智能虛擬情景的課堂可以更少地依賴教師的講解，通過直觀形象的視頻、動畫揭示物理規律，提升了課堂的效率，增強了物理學習的有效性。在“流浪地球”情景中，本質上是利用了“斜拋”規律解決物理問題，通過改變力的大小、方向、作用時間，使“地球”獲得不同的運動軌跡。智能模擬出地球不同的運動軌跡可以更直觀地幫助學生理解力在曲線運動中的作用。

3．2提升學生學習興趣，增加學習體驗感和沖擊性

“流浪地球”是一個虛擬情景，具有極高的科幻色彩，無法實際操作，但仿真效果震撼，非常有利于提升學生的學習興趣和內在學習動機。通過模擬實驗，讓學生以“宇航員”視角，利用已有的物理知識，“駕駛”地球脫離木星避免相撞，學生自己調節交互按鈕，改變力的大小、方向、作用時間等來改變地球的運動軌跡，極大增強了學生學習的參與度。不能實際操作的物理實驗僅僅通過文字的描述比較蒼白，學生的體驗感不強。在智能虛擬情景中，從形、色、聲、動畫等多方面刺激學生的感官，極大程度地增強學生學習的體驗感，更富有沖擊力。

3．3培養物理建模能力，提升物理學科核心素養

“流浪地球”物理情景的創建離不開物理建模過程。物理建模是一種物理的思考方法，是運用物理的方法和語言，對實際問題抽象、簡化之后，建立能近似“刻畫”并“解決”這一問題的強有力的物理手段。利用物理建模解決實際問題有利于提升學生的物理學科核心素養，對學生綜合素質的培養非常重要。首先，智能虛擬情景將抽象的物理觀念具象化，更有利于學生建立正確的物理觀念。其次，在幫助學生理解“流浪地球”模擬情景的建立過程中，可以促使學生更主動地將生活中的運動轉化為物理模型，并利用物理知識進行定性和定量的分析，最終解決問題，掌握綜合問題的分析方法。這個過程既對學生科學思維的發展有著重要的促進作用，也可以激發學生科學探究的興趣和能力。最后，建模過程還可以幫助學生樹立起物理與生活、科技緊密相關的意識，并愿意積極主動地汲取物理知識為貢獻社會做準備，一定程度上增強了學生的科學態度與責任。

4結詰

隨著現代科技的發展，物理課堂也應該與時俱進，物理教師的角色也應當及時地從“權威者”“講授者”向“引導者”“陪伴者”轉變。新時代的物理教師，不僅僅要重視知識與技能的教授，也應當成為終身學習者，積極吸收最新的科技成果，把最新的教技教法有機地融入自己的課堂，增加課堂的質量與效率。智能技術與教育的結合是大勢所趨，智能技術的發展為教育注入了新的活力，同時也對教師提出了更高的要求。首先，教師在教學活動中，應當以“立德樹人”為己任。未來智能教育高速發展，機械性的知識傳授可以由大量的人工智能代替，而教師更應當充分發揮“做人”與“育人”的價值［2］。其次，教師應當積極地、熟練地使用智能技術，通過智能技術減輕工作負擔，創造優質高效的課堂。對于那些始終停滯在原有教育教學技術水平的“具有‘教書匠’、‘知識壟斷者’和‘故步自封者’等角色特質的教師”來講，免不了被人工智能取代的命運［3］。最后，轉變傳統的教育理念，建立新型平等伙伴的師生關系也至關重要。智能技術和信息化的高速發展，可以使學生十分便捷地獲得豐富的教育資源。師生之間不再是你教我學、你說我聽的主從關系，而是一種共同發現問題、探討問題、研究問題的學習伙伴關系［4］。綜上，新時代的物理教師應當抓住智能時代帶來的機遇，積極學習運用新技術，創設高效、高質、具有技術人文精神的新時代物理課堂。

作者：許鈺彬 朱廣天 單位：華東師范大學教師教育學院