面向中学物理教育的智能虚拟情景研发介绍——以“流浪地球”为例

摘 要

随着现代教育技术的高速发展，将智能虚拟技术与物理课堂结合的要求日益增长。以“流浪地球”为主题，利用智能虚拟技术模拟地球与木星的相遇。真实而丰富的视觉效果和交互作用可以使学生沉浸在情景中，更好地帮助学生理解曲线运动中力的作用。面向中学物理教育，将智能虚拟技术与物理教学有机结合具有很多优势，它可以提升物理课堂效率，提升学生学习兴趣，有利于培养学生的物理学科核心素养。同时也对新时代的物理教师提出了更高的要求。

关键词 智能虚拟；物理教学；曲线运动

Abstract With the rapid development of modern educational technology, the requirement of combining intelligent simulation with middle school physics curriculum is increasing in recent days. Taking  “The Wandering Earth” as an example, this paper introduced the intelligent simulation to simulate the earth's motion path when it moves near Jupiter. Real and powerful visual effects and interactions can immerse students in the virtual scene and help them understand the role of forces in curved motion. For middle school physics education, the combination of intelligent simulation and physics education has many advantages. It can improve the efficiency of physics class, enhance students' interest in physics, and help to cultivate students' core quality of physics. At the same time, it also puts forward higher requirements to modern physics teachers.

1 物理学科虚拟情景建设现状

为学生创设鲜活的物理情景，激活学生的学习兴趣，唤起好奇心，从而使学生可以充分发挥主动性，自主构建物理学科知识，是物理教育竭力倡导的教育目标。随着现代教学技术的发展，将中学物理课堂与智能虚拟技术相结合成为提升物理课堂质量和效率的新手段。智能虚拟技术以“具体的物理问题”为研究对象，抽象出“物理模型”，利用计算机智能仿真技术创设出具有较强的真实体验的“虚拟情景” ^[1]，将抽象的、不可视的物理过程具体化、可视化，优化了学生的学习体验，可以帮助学生理解抽象概念，提升物理课堂质量。

国内外关于智能虚拟与物理教学相结合的研究与实践正处在发展之中。美国斯坦福大学的卡尔·威曼教授对科技教育领域作出了卓越贡献。卡尔·威曼教授于2001年获得诺贝尔物理学奖，并将奖金用于创设非营利教育项目 PhET，为世界各地的学生提供了更好的科技教育资源，利用线上互动模拟工具为7亿学生进行了线上模拟训练。目前，我国应用智能虚拟技术开展物理教学仍有很大的发展空间，而国外的物理虚拟实验和虚拟情景与国内新课标的要求在契合度上也有待提升。因此，开展适合中国物理教育的智能虚拟情景研发势在必行。

本次智能虚拟情景研发选择了“流浪地球”主题，模拟地球在流浪过程中与木星相遇的情景。强烈的感官刺激与交互作用充分体现了智能虚拟技术在物理课堂中表现出来的优势。

2 “流浪地球”虚拟实验设计过程

本次研发以“流浪地球”为主题，模拟地球与木星相遇。该情景与可真实发生的物理实验情景具有差异性。智能模拟技术既可以呈现出真实发生的实验情景，如分子扩散、透镜成像规律等；也可以模拟“流浪地球”这类不能实际操作或演示的情景。后者虽然在现实生活中不存在或无法操作，但该情景中蕴含的物理概念和规律仍然对学生有着很大的启示作用，对激发学生的学习兴趣、增强科学思维有着巨大贡献。

由于第一次研发面对的是中学物理课程，所以交互作用中对地球施加的外力为恒力，且不考虑地球与木星之间的万有引力，也不考虑洛希极限的影响。（后续2.0版本面对大学课程时，可以加入更多的限制条件。）模拟1.0版本将该情景简化为质点与球体相遇，对地球质点施加恒力作用，改变地球的运动轨迹以避免与木星相撞。该内容对标教材中曲线运动部分的知识，涉及运动的合成与分解、匀变速曲线运动的计算、力在曲线运动中的作用等。

2.1 期望掌握的主要知识点

首先，我们对“流浪地球”这个假想的情景进行建模，将木星简化为一个球体，半径为 R₀，木星周围的洛希极限范围为 R（1.0版本不考虑洛希极限）。将地球看作一个质点，正以某初速度 v₀ 靠近木星，地球质点与木星球心间距离为 r 。根据高中生已有的物理知识，创设以下三种需要学生掌握的情景：

1） 若不对地球施加力的作用，地球将以 v₀ 的速度匀速运动，直至与木星相撞；

2） 若对地球施加与速度方向相反的恒力 F（向速度方向喷火），则地球做减速运动，可能以某一小于 v₀ 的速度撞上木星，也可能反向运动避免与木星相撞；

3） 若对地球施加与速度方向成某一夹角的恒力 F，则地球做类斜抛运动，可以避开木星的洛希极限范围，成功脱险（如图1所示）。

设给地球施加的恒力 F 与初速度 v₀ 之间的夹角为 θ，则可将 F 分解为沿速度方向的 F_x 和垂直于速度方向的Fy。设地球质量为 m ,则两分力提供的加速度分别为

若力的作用时间为 t ,则地球在两方向上移动过的位移分别为

两个方向上的末速度分别为

t 时间过后，地球将以 v_t  做匀速直线运动

且此时末速度与初始时地球质点与木星球心间连线的夹角为 α

近似处理，若  ,则地球一定可以脱险。

2.2 实验流程设计

建立好研究情景的物理模型之后，将该模型进行编程，利用智能技术模拟地球的运动过程。学生在使用程序时具体呈现过程如图2所示。

设计三个控制开关分别用来选择力的大小、方向、作用时间，参数的设置应尽可能使地球擦着木星的洛希极限范围的边缘离开木星。选择结束后开始模拟地球的运动轨迹，操作者可以以第一视角看到自身相对于木星的运动情况。若力的大小设置过小或力的作用时间设置过短，则地球与木星相撞，显示坠毁场景；若力的大小设置过大或力的作用时间设置过长，则地球很快脱离木星，此时虽然可以脱险，但不能观察到木星周围的景象；若力的大小、方向及作用时间各项参数设置合理，则地球既可以脱离危险，“宇航员”也可以以第一视角观测到木星周围景象。

本模拟设置了一定的容错环节和提示内容，在是否碰到木星的临界条件进行了近似处理，力的大小和作用时间限定在一定的范围内进行选择。

2.3 智能虚拟效果

使用 VR 头盔和手柄，使情景模拟具有很强的沉浸性和交互性。转动手柄可以使“宇航员”视角进行360度旋转，手柄按钮可以设置模拟过程中对地球施加的外力参数。模拟开始时，如图3所示，转动手柄可选择是否改变地球的运动轨迹，即

是否设置外力参数。若选择了“是”，则出现图4的设置界面。通过手柄可以设置力的大小、方向及作用时间。设置结束后，软件开始模拟地球的运动轨迹，图5为地球成功躲避木星的情景。

以上图片均来自 VR 效果的录制视频，佩戴 VR 头盔的视觉效果会具有更强的沉浸感和冲击性。

3 智能虚拟物理情景的优势

3.1 提升课堂效率，增强物理学习有效性

利用智能虚拟技术模拟物理情景的目的是为了帮助学生更好地将物理知识和规律运用到物理情景中。分析和掌握复杂的物理过程是学生在解决问题时需要克服的重难点，而模拟情景恰好可以将复杂的、抽象的过程变得具体化、形象化。利用智能虚拟情景的课堂可以更少地依赖教师的讲解，通过直观形象的视频、动画揭示物理规律，提升了课堂的效率，增强了物理学习的有效性。

在“流浪地球”情景中，本质上是利用了“斜抛”规律解决物理问题，通过改变力的大小、方向、作用时间，使“地球”获得不同的运动轨迹。智能模拟出地球不同的运动轨迹可以更直观地帮助学生理解力在曲线运动中的作用。

3.2 提升学生学习兴趣，增加学习体验感和冲击性

“流浪地球”是一个虚拟情景，具有极高的科幻色彩，无法实际操作，但仿真效果震撼，非常有利于提升学生的学习兴趣和内在学习动机。通过模拟实验，让学生以“宇航员”视角，利用已有的物理知识，“驾驶”地球脱离木星避免相撞，学生自己调节交互按钮，改变力的大小、方向、作用时间等来改变地球的运动轨迹，极大增强了学生学习的参与度。

不能实际操作的物理实验仅仅通过文字的描述比较苍白，学生的体验感不强。在智能虚拟情景中，从形、色、声、动画等多方面刺激学生的感官，极大程度地增强学生学习的体验感，更富有冲击力。

3.3 培养物理建模能力，提升物理学科核心素养

“流浪地球”物理情景的创建离不开物理建模过程。物理建模是一种物理的思考方法,是运用物理的方法和语言,对实际问题抽象、简化之后,建立能近似“刻画”并“解决”这一问题的强有力的物理手段。利用物理建模解决实际问题有利于提升学生的物理学科核心素养，对学生综合素质的培养非常重要。

首先，智能虚拟情景将抽象的物理观念具象化，更有利于学生建立正确的物理观念。其次，在帮助学生理解“流浪地球”模拟情景的建立过程中，可以促使学生更主动地将生活中的运动转化为物理模型，并利用物理知识进行定性和定量的分析，最终解决问题，掌握综合问题的分析方法。这个过程既对学生科学思维的发展有着重要的促进作用，也可以激发学生科学探究的兴趣和能力。最后，建模过程还可以帮助学生树立起物理与生活、科技紧密相关的意识，并愿意积极主动地汲取物理知识为贡献社会做准备，一定程度上增强了学生的科学态度与责任。

4 结语

随着现代科技的发展，物理课堂也应该与时俱进，物理教师的角色也应当及时地从“权威者”“讲授者”向“引导者”“陪伴者”转变。新时代的物理教师，不仅仅要重视知识与技能的教授，也应当成为终身学习者，积极吸收最新的科技成果，把最新的教技教法有机地融入自己的课堂，增加课堂的质量与效率。

智能技术与教育的结合是大势所趋，智能技术的发展为教育注入了新的活力，同时也对教师提出了更高的要求。首先，教师在教学活动中，应当以“立德树人”为己任。未来智能教育高速发展，机械性的知识传授可以由大量的人工智能代替，而教师更应当充分发挥“做人”与“育人”的价值^[2]。其次，教师应当积极地、熟练地使用智能技术，通过智能技术减轻工作负担，创造优质高效的课堂。对于那些始终停滞在原有教育教学技术水平的“具有‘教书匠’、‘知识垄断者’和‘故步自封者’等角色特质的教师”来讲，免不了被人工智能取代的命运^[3]。最后，转变传统的教育理念，建立新型平等伙伴的师生关系也至关重要。智能技术和信息化的高速发展，可以使学生十分便捷地获得丰富的教育资源。师生之间不再是你教我学、你说我听的主从关系，而是一种共同发现问题、探讨问题、研究问题的学习伙伴关系^[4]。

综上，新时代的物理教师应当抓住智能时代带来的机遇，积极学习运用新技术，创设高效、高质、具有技术人文精神的新时代物理课堂。

参考文献

[1]舒信隆,陈刚,戴放文.创设虚拟探究学习环境 培养学生自主研究问题能力——浅谈现代教学技术与物理教学的整合[J].物理教学探讨,2004(5):44-47.

SHU X L， CHEN G, DAI F W. Creating virtual inquiry learning environment and cultivating students' ability to study problems independently—Discussing the integration of modern teaching technology and physics teaching[J]. Journal of Physics Teaching, 2004(5): 44-47. (in Chinese)

[2]蔡乐才,张学敏.智能教育的挑战与教师的应对策略[J].课程.教材.教法,2020,40(12):131-136.

CAI L C, ZHANG X M. Challenges of intelligence education and teachers'coping strategies[J]. Curriculum， Teaching Material and Method, 2020, 40(12): 131-136. (in Chinese)

[3]林德全.智慧教育背景下教师角色的重构[J].中国教育学刊，2020(2):78-82.

LIN D Q. Reconstruction of teachers' roles in the wisdom education[J]. Journal of the Chinese Society of Education， 2020(2): 78-82. (in Chinese)

[4]刘进，钟小琴,李学坪.教育人工智能：前沿进展与机遇挑战[J].高等工程教育研究,2020(2):113-123.

LIU J, ZHONG X Q, LI X P, et al. Artificial intelligence in education: Frontier progress and opportunities and challenges[J]. Research in Higher Education of Engineering, 2020(2): 113-123. (in Chinese)

基金项目:  华东师范大学课程思政研究中心立项(2021KCSZ10)。

作者简介:  朱广天，男，华东师范大学副教授，物理教育研究，[e-mail]。

引文格式:  许钰彬，朱广天. 面向中学物理教育的智能虚拟情景研发介绍——以“流浪地球”为例[J]. 物理与工程，2021，31（6）：133-136.

Cite this article: XU Y B， ZHU G T. Introduction of intelligent simulation for middle school physics education—Take “The Wandering Earth” as an example[J]. Physics and Engineering, 2021， 31（6）：133-136. (in Chinese)

END

更多精彩文章请点击下面“蓝字”标题查看：

《物理与工程》期刊是专注于物理教育教学研究的学术期刊，是中国科技核心期刊，1981年创刊，欢迎踊跃投稿，期刊投审稿采编平台：

http://gkwl.cbpt.cnki.net

欢迎关注

《物理与工程》微信公众号