2018年4月DOI：10.16681/j.cnki.wcqe.201807069信息素养虚拟现实技术在“伽利略实验”教学中的应用侯丹（天津师范大学，天津，300387）摘要：为了让学生体会伽利略理想实验的真谛和探究过程，理解牛顿第一定律的本质。文章对现行人教版高中物理教材中对“伽利略实验”的教学目标和呈现方式进行研究，分析学生知识理解及素养发展方面的教学难点，得出教学中存在思想实验讲解困难、学生形象思维和逻辑思维转化困难的结论。通过介绍虚拟现实技术在“伽利略实验”教学中的呈现，说明了在高中物理教学中采用虚拟现实技术的可行性和有效性。关键词：虚拟现实技术；伽利略实验；教学设计中图分类号：G434文献标志码：A文章编号：2095-01(2018)07-0124-02“伽利略实验”是“牛顿第一定律”建立的基础，是人教版高中物理必修一的教学内容，是物理学中重要的研究思想，是物理学正式成为科学的标志。在牛顿第一定律的教学中，伽利略思想实验的讲解是学生学习的重要科学思想。2017版新课程标准对伽利略的实验研究也给予了高度重视，要求了解伽利略的实验研究工作，认识伽利略有关实验的科学思想和方法[1]。现有教材按照伽利略研究的历史过程设置教学内容，教师在讲解过程中多采用“真实实验+引导推理”相结合的方式进行教学，难以有效完成实验的展示。随着虚拟现实技术的广泛应用，教师在教学中应用虚拟现实技术可以模拟逼真的教学情境，完成不可能完成的实验项目，为学生提供一个良好的学习环境。一、学生的认知发展特点高一阶段的学生已经在初中阶段对牛顿第一定律建立了初步认识，接触了关于伽利略实验的思想，但初中对于实验的展示是通过小车来完成的，而高中阶段对于伽利略思想实验的理解深度、探究层次也有所提高，重点学习伽利略实验的科学方法，体会牛顿第一定律的历史发展过程，发展科学思维，提升科学探究素养。高一阶段的学生在逻辑思维方面已经得到了完善的发展，基本达到了成年人的水平，在抽象逻辑思维推理方面属于理论分析型，能够通过假设、预计和内省完成抽象符号的推导，能够用理论指导分析和解决问题。但此阶段的学生还存在着很多顽固的旧概念，如“力是维持物体运动状态的原因”，这些概念是学生在生产生活中产生的经验，缺乏正确的逻辑思维推导[2]。因此，在建立力与运动关系的过程中还是会重复出现前人的错误。基于以上认知发展特点，要达到有效的转变学生前概念及深入理解思想实验本质的教学目标，就要设置恰当的教学情境，完善伽利略思想实验的演示。由此，借助先进的技术进行教学是完成这一教学目标的有效手段。二、虚拟现实技术的特点虚拟现实技术是现代计算机技术、图像处理技术和声音技术等多种现代化技术融合发展的新产物。从使用者的视觉、触觉和听觉等多感官角度出发，创设一个虚拟的三维动态视景。它具有沉浸性、交互性、想象性三大特点[3]。沉浸性：虚拟现实技术可以通过计算机模拟出逼真的三维动态虚拟世界，通过多感官的同时刺激，使体验者能够从视觉、听觉、触觉等方面同时获得感受，获得身临其境的感觉，具有很强的沉浸效果。交互性：通过虚拟现实技术所呈现的世界是动态、开放的环境。体验者可以通过计算机与虚拟环境进行自然交互，再通过多感官的体验，使体验者和虚拟环境构成一个三维立体式的交互。想象性：虚拟现实技术建立的虚拟环境是通过对体验者需求的了解结合想象力创造出来的。因此，这种虚拟环境突破了单纯地对真实世界的重现。三、虚拟现实技术在“伽利略实验”教学中的呈现传统教学中，教师从物理学史的角度带领学生对伽利略思想实验进行探究。但由于生活经验所限，关于没有摩擦和空气阻力实验场景的想象是较为困难的，使很多学生不能通过逻辑思维推导和空间想象能力来建构相关场景，促进知识理解。因此，设置没有摩擦力和空气阻力的情境，是促进学生对实验研究及知识理解的有效途径。针对传统“伽利略实验”存在的不足，将虚拟现实技术应用到课堂教学中，可采用“真实实验+模拟实验”相结合的方式，首先通过真实的实验探究过程，让学生感受伽利略研究的心路历程，形成问题意识，产生猜想，提出假设，其次通过虚拟现实技术模拟的没有摩擦和空气阻力的理想实验环境为学生验证假设，让学生在交互式、逼真的实验环境中，完成对伽利略实验的深入理解。具体教学设计如下。通过自制教具（如图1所示），按照三个步骤完成学生对伽利略所提出观点的认识与猜想。伽利略斜面实验自制教具由两个弧形弯道组成，左右两侧高度可以进行调节。第一步通过对比粗糙程度不同的相同两个小球的下落距离，得出摩擦力对小球下落后滑行距离的影响；第二步通过减小摩擦力小的斜面下落后滑行端的斜面的角度，让学生体会小球运动水平距离的变化情况；第三步通过将一侧斜面放平的方式，让小球下落，提出如果另一侧的斜面放平，小球将如何运动下去，引导学生提出假设，在没有摩擦力的情况下，小球有可能会无休止的运动下去。这时，学生就需要通过逻辑思维推理能力完成对假设的验证。为了让学生对这一实验现象有更加直观和感性的认识，辅助学生进行逻辑推理，通过电脑设置虚拟现实环境，以zSpace3D虚拟现实系统为实践平台（如图2所示），将小（下转第126页）作者简介：侯丹（1984—），女，汉族，内蒙古通辽人，实验师。研究方向：物理课程与教学论。注：本文系天津师范大学实验室改革研究基金“金属丝杨氏模量测定实验的改进研究”资助（编号：TJNUSYS-2017-24）。
2018年4月无缝对接，根据教学的具体要求为学生安排相应的教学资源，统一并简化检索系统。此外，高校还要建立资源审核机制。由于网络中的资源庞杂，适应大学英语教学的资源需要与教材紧密联系，尤其词汇量方面要符合大学英语各阶段的教学情况，这就需要依照标准的资源审核筛选。高校还需要为英语教学资源平台制定相应的奖励机制，对于贡献优质教学资源的企业、个人等均给予一定的奖励，以此来促进教学资源的更新发展。（三）加强高校内部的资源整合高校要充分发挥信息资源的优势，通过多角度的资源呈现形式来增强高校内部的资源整合，将大学英语课堂与教学资源结合、课后学生的拓展和训练资源整合，这两种资源都围绕大学英语课程，但是侧重点不同。前者主要是全面的大学英语教学知识点的资源呈现，与课程联系更紧密，其目的在于促进学生对课程知识的学习。因此，高校需要对教材进行深入全面的分析，保证每一个知识点的重复和强化。后者是针对高校中学生个人学习的多样性来设置的教学资源。大学时期的学习不同于以往各阶段教学，学生根据具体的目标对英语学习有不同的要求，针对这一情况，高校应对课程资源进行拓展，针对其学习特点进行资源整合。（四）提升教师的信息化水平教师是大学英语教学资源主要的制作者、整合者，实现教学资源的丰富化需要提升教师的信息化水平，即运用信息技术归纳教学资源的能力及运用信息化资源的能力。提升教师信息化能力需要深化教师对信息化教育重要性的认识，熟悉信息化的概念，并积极利用信息化资源进行教学设计，开发更多教学资源。教师也可组成信息化的教学团队，通过彼此合作和交流丰富大学英语教学资源。同时，高校也要做好基础设施建设工作，为教师信息化学习及资源整合创造条件，有效提升教学质量。三、结语信息化环境下，大学英语教学需要深化改革。和高校要推进信息化技术与大学英语课程相融合，深入挖掘丰富的教学资源，构建一个收集、生产、整合、检索、使用、发布、共享教学资源的全功能智能化平台助力大学英语教学信息化发展。参考文献：[1]王清杰.信息化环境下大学英语教学资源整合与共享研究[J].吉林省教育学院学报,2016,32(1):117-120.2015(22):46.
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[4]冯霞.信息化背景下大学英语教学资源优化应用策略研究[J].辽宁教育行政学院学报,2013,30(6):57-60.
（上接第124页）去的。但是这时候学生又会产生疑问，小球是在不停地向前运动，但是如何验证它的速度没有变化？如何验证它运动到水平面上后，水平方向上没有力的作用？教师继续通过虚拟现实系统，为学生显示小球的运动轨迹、受力情况及速度大小、位移变化等信息。学生可以清晰地观察到，小球由斜面向下运动过程中，小球受力方向的变化、小球速度的变化，而竖直方向所受的重力方向是不变的。当小球运动到水平面上后，小球水平方向上的受力消失了，竖直方向上的重力还存在，小球运动的速度数值不发生任何变化，从而全面地解答了学生的疑问，完成了推理假设的验证，彻底转变了学图1伽利略理想斜面实验自制教具
生的前概念，完成牛顿第一定律及惯性知识的建构。四、结语本文以高中物理“牛顿第一定律”中“伽利略实验”的教学设计为例，说明了在高中物理教学中采用虚拟现实技术的可行性和有效性。从教学的实际过程中可以看出，通过虚拟现实技术可以为学生营造出具有互动性、逼真性和沉浸性的教学情境，能够有效地促进学生形象思维向逻辑思维的转变。参考文献：[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018:11.
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[3]陆星琳,邢红军,张婷玉.高中“牛顿第一定律”的高端备课[J].物理教
图2没有空气阻力和摩擦阻力的理想实验环境
球运动的斜面和平面的摩擦系数设置为0，选择没有空气阻力的空间实验背景，在实验平台的一端设置一个斜面，让学生调整斜面的倾角，选择小球，让小球从斜面开始下落，下落后，学生会清晰直观地观察到小球是永无止境的运动下
