随着目前教育事业改革的不断深入研究, 我们国家对此逐渐重视并不断增进这方面的人力、资力等, 这使得我们国内许多实验教学软硬件设备得到了很大的提高。然而, 现在传统物理实验仪器及操作流程仍存在不足, 约束了学生学习的主观能动性和积极性, 缺少主观的实验操作, 使得学生无法深入了解并熟练运用知识点进行实验操作等要求。所以, 以此为背景, 开发设计一套以物理实验为基础的实验教具便具有十分重要的现实意义。
虚实融合技术又称为虚实现实技术, 是指以计算科学为核心的虚拟现实技术是多学科、多方向交叉的新技术, 能够生成近似真实环境视、听、嗅、触等感知信息的虚拟环境。基于虚实融合的开放式实验教学模式倡导以学生为主体, 以充分发展学生能力为目的, 为培养学生创新性和个性化提供了良好的教育示范。
物理作为一门重要的实验课程, 它所涵盖的知识信息广泛而深远, 并且它是以实验为根基, 要求学生能够结合课本知识或教师传授内容, 熟练运用现有实验器材快速并准确的完成实验并理解其原理, 这对于拓展学生空间想象力和思维创造性, 培养学生独立思考的能力以及能够运用所掌握的知识点独立完成物理实验具有举足轻重的作用, 但目前的实验并不乐观。
(1) 中学生缺少自主思考、独立动手的能力, 加之束缚在目前被动式的学习中, 一时间无法适应以老师教授为辅, 学生自主学习的节奏。
(2) 教学模式故步自封, 教学内容创新性少, 学生思维能力不足, 不懂得灵活变通, 使学生丧失对自主实验的乐趣和兴趣, 这种教学模式阻断学生的自主思考能力, 缺乏创新性。
(3) 学习时间固定且不足, 实验教具稀少, 学生亲自上手进行实验操作的机会和时间少, 只能在现有的45分钟, 甚至更短时间内完成教师所要求实验内容, 这种情况不利于增强学生学习的自主能动性。
电磁学教学中的教具的设计需满足以下要求。
(1) 教具制作原理符合电磁感应理论, 不可偏移现定理论要求;实验仪器符合教学要求, 在不随意删减或改变原有仪器的重要特征的基础上简化设备, 尝试增强实验现象或提高仪器灵敏度。
(2) 将原来分离的实验仪器收纳整合设计, 将所有仪器放置于一起, 但又不失美观, 并能很好的体现实验原理, 且方便操作与携带、实验教具的制作原件廉价易得;所设计的实验器具在整合原有仪器的基础上, 保留仪器的主要功能, 并强调学生自己动手操作, 注重培养的学生空间思维能力和创新性。
(3) 所设计的实验器具结合配套的虚拟交互界面, 帮助学生快速进入学习状态, 在趣味中理解并掌握实验原理。所设计的虚拟交互界面吸取现有市场上类似产品的优点再设计, 再创新, 操作流程简单易上手。
(4) 虚拟交互界面真实还原三维实验, 并利用其独特的功能及其技巧使用来设计各种形式的教学活动, 提高学生学习兴趣。
针对现阶段物理实验教具的应用与发展情况, 在此背景下, 研究并开发设计了一套“电磁感应演示仪”, 将实验操作变得形象化且具有可控性。以下是基于虚实融合电磁感应实验教具项开发设计与研究的整个过程。
电磁感应实验是人教版初三物理教材某一章节中一个十分重要的实验, 需要学生重点掌握, 并且所引申出来的发电机、电动机等实验都具有十分重要的意义。传统教学中, 一般采用图1所示装置进行电磁感应实验:将线圈放入磁场中 (断开开关) , 无电流产生;闭合开关, 通过将线圈做不同方向的移动来说明通电线圈是否切割磁感线, 再结合灵敏电流表指针偏转与否以及偏转幅度的大小, 进而得出电磁感应结论。
然而对于初中生而言, 缺乏一定的空间想象力和足够的理解力, 而且磁铁周围所存在的磁场是不可见的, 对于导电线圈如何运动才能切割磁感线、如何产生电流等问题时常存有困惑。而且用如图1所示实验装置演示导电线圈切割磁感线所产生的现象通过电流表指针偏移来观察, 现象并不明显, 而且存在不可控因素导致误差。
教具制作包括实体实验操作、虚拟界面辅助等, 是整个系统的核心部分。学生以所设计实体实验器具为基础, 并以为三维实体实验器具学习所设计的虚拟学习系统为辅助学习工具, 使学生能在自主实验的过程中, 及时接收虚拟交互界面反馈信息, 并顺利完成实验, 同时虚拟界面能够将三维实验中无法展现的磁感线等体现在交互界面上, 真正做到虚实融合。
针对实验中存在的问题以及学生在实验中发现的困难, 本小组将传统的教具教具优化整合, 将原有的实验仪器优化, 并将其收纳整合为一整套实验设备, 方便携带与实验操作, 很好的解决了原有实验仪器杂乱、不易携带等问题, 并且该教具将实验现象和仪器灵敏度都大大增加, 使学生能够更清楚直接的看到实验现象。
这一实验设备的突出特点就是摒弃了原有教学模式中学生被动接受的现象, 变成实验的具体操作由学生掌握, 这样大大提高了学生的自主能动性和创新性, 同时让学生在实验的过程中自行思考“磁感线的方向”、“导体棒如何运动才能切割磁感线产生电流?”等问题, 意在锻炼并提高学生的自主思考能力, 充分调动学生的积极性, 这是该教具的设计的一个亮点。
在此实验中, 磁感线和磁场真实存在, 但利用所设计的教具进行实验无法直观的看出磁场方向和导体棒如何切割磁感线, 因此在讲授新知的过程中, 运用虚拟界面展示实验并清晰展示实验结果成了强有力的辅助。
通过虚拟的交互界面很好的复刻了实验流程及实验现象, 使真实现象在实验的基础上更形象逼真, 直观性更强, 能变静态为动态、拆分再组合, 增大可见度, 教师可利用界面再现实验过程并放大, 并以此引导学生进行讨论分析, 最终得出结论。而且考虑到师生之间的互动和学生的动手能力等, 虚拟交互界面和虚拟实验可以将教科书中出现的一些微小型实验、高危实验等呈现到屏幕上, 将不可能转变为可能, 为学生营造一种真实的学习环境, 使学生能够切身的体会实验中的奥秘。这种基于虚实融合的实验虚拟交互界面的设计可以改善空间、时间等客观条件, 既具有创新性, 又具有实用性, 大大促进了物理教学的发展。
这套实验设备的设计推广, 还需要从诸多的方面进行不断的完善, 此外, 该教具将三维的实验器材与虚拟交互界面相结合进行教学, 并通过同频传送的方式将实验流程等共享给学生, 帮助学生更好的理解记忆。而且此教具在大基数上看, 在立体空间所产生部分小误差不会影响试验效果和试验结果, 可忽略不计。
对于实验的这套基于虚实结合的教具制作, 打破了大众对传统教学的刻板认知, 为实验课程定义了新的教育信息技术, 注入了新灵魂。这种新型教学模式在实验教学中不仅为教师的实验教学和指导带来了便利, 更重要的是, 改变了学生被动学习的状态, 提高了学生学习主动积极性;并且这也有利于信息化技术与物理学科一体化研究的发展, 在我国物理实验研究方面迈进了一大步。
摘要：从用户需求出发, 针对现有物理实验中所存在的缺陷和问题提出虚实融合的实验教具开发设计的思路和方法, 并以此为基础, 探讨虚实融合的电磁感应实验教具的主要操作方式及主要功能模块, 并探索其推广模式, 这对将虚拟现实技术与物理实验教学融合在一起有着重要的现实意义。
关键词：虚实融合,电磁感应,实验虚拟,交互界面
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