技术在高中物理建模中的应用研究

[摘 要]虚拟现实（VR）技术在教育领域的应用日益广泛，为传统教学模式带来了深刻变革。为提升物理建模教学的实践性，文章基于VR技术的核心特点，分析了其在物理建模中的优势，并从建模、数据检验以及控制与反馈三个环节提出了VR技术在高中物理建模中的应用策略，旨在提高学生的物理实验能力、跨学科应用能力和创新思维，推动物理教育的现代化发展。

[关键词]VR技术；高中物理建模；物理现象；跨学科协作

[中图分类号] G632            [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2025） 001-0027-03

物理学作为自然科学的基础学科之一，要求学生不仅掌握物理概念和定律，同时需通过实验和建模手段将理论与实践相结合，从而深化对物理现象的理解。然而，传统的物理教学方法常面临实验条件的限制和学生抽象思维能力的瓶颈。而虚拟现实（VR）技术具备高度的沉浸感和互动性，能将复杂的物理现象以直观的方式呈现，进而帮助学生在建模过程中获得更加清晰的理解。通过虚拟环境的交互操作，学生可直观地观察物理现象的动态过程，并通过多维度的数据模拟与反馈机制，实时调整和优化物理模型的参数。基于VR技术的建模和实验验证方式，为物理学科的教学提供了创新路径。文章拟通过三维建模工具、互动仿真系统和跨学科虚拟协作三个环节提出VR技术在高中物理建模中的系统化应用。

一、理论概说

（一）VR技术的核心特点

虚拟现实（VR）技术作为一种融合计算机图形学、传感器技术和实时交互技术的先进工具，具备沉浸感、交互性和可视化三大核心特点。沉浸感是VR技术的关键特性之一。VR通过三维图形渲染与多感官同步反馈，可为用户提供仿真化的环境体验，使用户全身心投入虚拟场景中，形成强烈的现实感知。此种沉浸特性依赖于高分辨率显示设备、空间定位技术以及自然的交互反馈。VR的交互性特点基于动作捕捉、眼动追踪、手柄输入等交互技术，允许用户对虚拟环境进行实时操作，并获得即时反馈。该特性可增强用户与虚拟场景的互动深度，致使信息获取更加动态化、情境化，从而赋予技术更强的实用性和灵活性。VR的可视化特性是通过高度仿真的图形处理与数据模拟，将抽象的物理规律、数学关系或复杂现象直观地呈现出来。此种可视化特性可使用户更清晰地感知和分析对象之间的关系，提高复杂信息的理解效率。此外，VR技术具备高度的可扩展性，通过对虚拟场景的灵活调整，可满足多样化的功能需求。

（二）高中物理建模的理论基础

高中物理建模的核心在于多学科知识的交汇，主要依赖于物理学的基本原理、数学模型构建以及计算机模拟技术。首先，物理建模的核心思想是将复杂的物理现象转化为可量化、可分析的模型，该过程是基于系统理论强调“物理系统的整体性和层次性”。学生在建模过程中，需从整体出发，识别系统的边界、组成部分及其相互作用，为后续建模提供框架支持。其次，在部分物理问题中，模型的构建依赖于数学语言来描述物理现象的变化规律。因此，数学工具的运用是高中物理建模的有效支撑，学生在建模过程中须具备扎实的数学基础，以便从物理理论出发，借助数学模型进行预测和分析。最后，计算机模拟技术通过使用数值方法和计算机程序，学生能实现物理模型的可视化，模拟物理过程，并与实验数据进行对比，验证模型的有效性。数值解法和蒙特卡罗方法等数值方法，可为处理复杂的物理问题提供有效工具，使一些难以通过采用传统解析方法解决的问题得以突破。

（三）VR技术在高中物理建模中的应用价值

《教育信息化2.0行动计划》强调要加强信息技术与学科教学的融合，推动“智慧课堂”的建设，尤其是通过虚拟现实（VR）、人工智能等新兴技术，提升学生的创新思维和实践能力。VR技术可打破传统物理教学中空间和时间的限制，通过虚拟实验的方式为学生提供沉浸式的物理实验体验。在传统教学中，一些物理实验因设备限制或实验环境不稳定，较难完整呈现，而VR技术可通过虚拟仿真模拟各种物理现象，让学生在安全、可控的环境下进行实验操作和思维探索。此方式符合国家对“实践性强”的物理教育要求，可有效激发学生的探索兴趣和实践能力。与此同时，VR技术的互动性使学生可在虚拟环境中自主进行实验操作和数据收集。此种自主学习和自我探究的方式符合《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《新课标》）提出的培养学生“探究性学习”的目标。学生通过不断调整实验参数、观察实验结果并进行分析，从而加深对物理模型和原理的理解，进而提升其科学素养和创新思维能力。除此之外，VR技术的引入可为物理学科提供更加直观和生动的模型展示，尤其是对于一些复杂的三维物理现象，VR技术可通过三维建模和动态模拟，让学生在虚拟环境中实现更高效的学习和更深刻的理解。该优势与《新课标》对物理教学中“提高学生核心素养”“培养创新思维”的要求高度契合。

二、VR技术在高中物理建模中的应用策略

（一）三维建模工具，展现物理现象的数学模型

在高中物理建模过程中，教师可利用动态建模，更加生动、直观地呈现物理现象，并结合数学模型引导学生深度学习，为物理核心素养的培养提供全新的教学路径。在力学教学中，教师可利用三维建模工具（如 Blender、MATLAB 3D 或 GeoGebra 3D 等）模拟物体在不同力作用下的运动轨迹，帮助学生理解经典力学中的数学模型。

以人教版高一物理第二章第4课“自由落体运动”教学为例，教师使用了GeoGebra 3D 创建一个虚拟的三维空间，展示物体在重力作用下自由下落的过程。在模型中，物体的初速度设为零，教师可通过调节模型的重力加速度，动态地展示物体的位置——时间关系。通过三维建模工具，教师能清晰地呈现物体在三维空间中随时间变化的下落路径，并通过模型实时调节重力加速度的值，帮助学生观察不同物理量对运动轨迹的影响，从而加深对力学公式和物理过程的理解。

在电磁学中，教师可使用 MATLAB 3D 或 COMSOL Multiphysics 模拟电荷产生的电场，并通过高斯定律的数学模型对电场进行描述。利用三维建模工具，教师可展示不同电量和位置的点电荷如何影响电场的分布，直观展示电场的强度和方向，并通过模拟带电粒子在电场中的运动，帮助学生理解电场力对粒子的作用。

同时，三维模型可动态呈现磁场线和洛伦兹力公式，增强学生对电磁学基本定律的感性认识，并帮助其建立起麦克斯韦方程组的空间想象。在光学教学中，教师可利用三维建模工具（如 Blender 或 MATLAB）展示光的折射、反射等现象，模拟光线在不同介质中的传播过程。例如，教师可创建一个透明介质（如玻璃或水）模型，使用 MATLAB 中的光线追踪功能，演示光的折射现象，并通过 斯涅尔定律和光的反射定律进行分析。利用三维模型的交互式展示，学生能动态调整入射角，观察折射角的变化，理解光线在介质中的传播规律。

在经典力学和电磁学的交叉应用中，教师还可以通过三维建模工具展示复杂的物理系统，帮助学生更好地理解系统中各物理量之间的相互关系。例如，教师可以利用 Blender 制作一个动能、势能与机械能守恒关系的三维展示模型，动态地模拟物体在斜面上滑动的过程。通过三维模型，学生不仅能直观感受物体的运动，同时可通过数学模型计算该系统的机械能变化，进而验证机械能守恒定律。通过该模型，学生能清晰地看到动能和势能随物体运动的变化，从而加深对能量转换的理解。

（二）互动仿真系统，验证物理建模中的实验数据

互动仿真系统可以帮助教师在虚拟环境中展示和验证理论模型的准确性，进一步加强学生对物理现象本质的理解。首先，教师在将实际问题转化为数学公式后，利用仿真系统对理论模型进行动态模拟。此过程要求教师为物理模型设定实验参数，并在仿真系统中输入该参数，创建可反映真实物理现象的虚拟环境。此时，教师需确保所建立的数学模型与实际物理现象相匹配，为后续的数据验证奠定基础。其次，教师需引导学生利用仿真系统进行数据采集与实验模拟。仿真系统能提供精确的计算与即时反馈，因此，教师应引导学生观察并记录实验过程中产生的物理量（如位移、速度、加速度等），并将此类数据与理论预期值进行对比。数据采集不仅限于静态量的测量，还包括时间变化过程中的动态数据，确保实验过程尽可能地全面与细致。再次，教师需通过分析实验数据与理论模型预测值之间的差异，帮助学生识别潜在的误差来源。在数据对比过程中，教师需指导学生进行误差分析，计算理论值与实验值的差异，并讨论可能的误差源（如理想假设与实验条件的差异、测量精度的局限等）。此时，教师还可以引导学生提出假设，验证模型的适用范围，并探索如何通过调整实验设计或改进建模假设来减少误差，提高实验精度。在验证过程中，教师还应促使学生理解和掌握多次实验数据的验证方法。为确保数据的可靠性和结果的准确性，教师应鼓励学生重复仿真实验，调整不同参数，并观察仿真结果的变化。这样可帮助学生掌握在变化条件下如何优化物理模型，并增强其对物理规律普遍性和特殊性之间关系的理解。

同样以“自由落体运动”教学为例，基于前文的模型，首先教师引导学生进入互动仿真平台（PhET模拟器），设置实验参数（物体的初始高度和重力加速度）。学生通过仿真系统开始模拟自由落体实验，在仿真过程中，学生实时记录物体在不同时间点的位移数据。通过数据，学生可直观观察到“随着时间的推移，物体的下落速度逐渐加快，位移随时间的增加而增大。”接下来，教师引导学生根据自由落体的数学公式，学生算出理论位移如下：在0.5秒时，理论位移为1.225米，1秒时为4.9米，1.5秒时为11.025米，2秒时为19.6米。学生发现仿真数据与理论计算结果非常接近，误差在合理范围内。此时，教师引导学生讨论可能的误差来源，如仿真精度、测量方法的不同，以及实验假设条件（如忽略空气阻力）。学生理解到，在理想条件下，仿真结果与理论值高度一致；但在现实中，物体的运动受到空气阻力等因素的影响，可能会存在微小差异。

（三）跨学科虚拟协作，创新物理建模中的控制与反馈

教师可通过跨学科虚拟的协作方式，创新物理建模中的控制与反馈机制。该方式可加强物理学与其他学科的联系，且有效提升学生在实验和建模过程中进行动态调整与优化的能力。在物理建模中，控制与反馈机制主要包括如何通过调整某些输入参数来优化或修正物理系统的输出。教师可结合控制理论中的闭环控制系统与物理模型，设计一个跨学科虚拟实验。例如，在研究物体运动的过程中，学生可利用虚拟仿真工具设计一个自动调节重力加速度或阻力的反馈系统。当学生设定了初始条件（如初速度、角度、物体质量等），系统根据实验结果自动调整相关参数，并实时反馈给学生。此种反馈机制使学生能在实验过程中及时发现偏差，并通过调整输入数据来达到预期结果。同时，教师可以引导学生运用数学建模与计算机模拟等工具，设计并实现控制算法。例如，通过运用微分方程的数值解法，学生可计算出在不同时间点的速度和位移，并与实际实验数据进行对比，分析实验误差并通过调整控制参数进行优化。计算机模拟工具（如MATLAB、Simulink等）在此过程中学生可以实现对物理系统的建模，进行参数调节，实时查看反馈结果，达到优化控制的目的。此外，教师在建模过程中可以设计反馈回路，让学生掌握如何根据实验数据进行自我调节。例如，在弹簧振动模型中，学生可以通过虚拟仿真平台实时调整弹簧的劲度系数、初始位移或物体的质量，并观察此类调整如何影响振动周期。通过实时反馈，学生能理解振动周期与参数之间的关系，从而学会如何在物理建模中进行精准的控制与优化。为加强学生对控制与反馈机制的理解，教师可以将实验与实时数据反馈进行结合。如，在多次实验的过程中，教师可以要求学生记录每次调整后的控制数据（如物体下落时间、速度、位移等），并将这些数据输入仿真系统中，进行进一步分析。

综上所述，VR技术可以有效支持物理现象的可视化展示，为学生提供直观的建模体验，进而深化对抽象物理概念的理解。同时，互动仿真系统在物理建模中扮演着关键角色，不仅可以验证实验数据，并通过实时反馈促进学生模型的优化与调整。未来，期待在VR技术的不断进步下，其在物理建模中的潜力得到进一步挖掘，为物理教学的改革与创新提供更多可能性。

参考文献：

[1]季金杰.“双新”背景下运用虚拟实验提升教学质量的案例研究——以高中物理“磁场与电磁感应”一课为例[J].现代教学，2022（23）：78-79.

[2]汪育通.高中物理教学中学生建模思维的培养策略[J].试题与研究，2024（23）：28-30.

[3]严嘉毅.偏微分方程的蒙特卡罗解法[D].南充：西华师范大学，2020.

（责任编辑：吕研）

*基金项目：江苏省教育学会“十四五”教育科研规划课题“关于VR技术在高中物理建模中的应用研究”。