虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

魏 銳 黃 婷 方 芳 武建宏 齊 婧 韋 薇

虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

魏 銳 黃 婷 方 芳 武建宏 齊 婧 韋 薇

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)通過(guò)綜合應(yīng)用各種技術(shù),營(yíng)造逼真的人工模擬環(huán)境。虛擬環(huán)境通常由計(jì)算機(jī)生成并控制,使用戶身臨其境地感知虛擬環(huán)境中的物體,并通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的三維設(shè)備與物體接觸,有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知行為,從而實(shí)現(xiàn)高級(jí)人機(jī)交互?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn),又稱作虛擬實(shí)驗(yàn),是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境,用軟件模擬虛擬設(shè)備,學(xué)生可以像在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)的使用可以減少辦學(xué)成本,提高學(xué)習(xí)效果,同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

隨著科技的發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)日益成熟,向更加真實(shí)、生動(dòng)、交互性更強(qiáng)的趨勢(shì)發(fā)展。高仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于高校理工科教學(xué),尤其在電工電子、醫(yī)學(xué)、建筑、生化等學(xué)科教學(xué)中發(fā)揮著日漸重要的作用。然而目前在基礎(chǔ)教育中使用的虛擬實(shí)驗(yàn),軟件平臺(tái)相對(duì)簡(jiǎn)單,真實(shí)性和交互性相對(duì)較差,遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新進(jìn)展。借此,本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的變革及新的技術(shù)手段,對(duì)其在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)展開(kāi)討論。

一、基礎(chǔ)教育中虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用日益普遍

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在對(duì)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)新能力和研究能力的培養(yǎng)方面起著非常重要的作用,是理論教學(xué)不能替代的。隨著新課程的推進(jìn)以及學(xué)校軟硬件設(shè)施的發(fā)展,實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來(lái)越受到人們的重視。但其中部分實(shí)驗(yàn)卻因存在安全隱患或受時(shí)空因素、儀器設(shè)備等條件的限制而難以在課堂教學(xué)中實(shí)施,基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段恰好彌補(bǔ)了這些不足。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展以及教師信息技術(shù)水平的提高,虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

（1）利用多媒體技術(shù)進(jìn)行過(guò)程模擬

利用影音、動(dòng)畫(huà)等多媒體文件可以模擬放大肉眼觀察不到的微觀過(guò)程,可以微縮巨大的宏觀過(guò)程,還可以加快或放慢展示變化的過(guò)程,在課堂中展示科學(xué)的奧秘。如化學(xué)教學(xué)中借助多媒體技術(shù)將原子、分子等微粒變小為大,將微觀粒子擴(kuò)大為宏觀示意圖,給學(xué)生以生動(dòng)形象的演示,提高學(xué)生對(duì)枯燥理論的學(xué)習(xí)興趣。

（2）借助通用軟件展開(kāi)虛擬實(shí)驗(yàn)

利用Flash、UltraKey（數(shù)字虛擬演播室）、幾何畫(huà)板等通用軟件,教師可以自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)或者制作課件。這些軟件便于使用,上手快,開(kāi)發(fā)新實(shí)驗(yàn)周期短。例如借助幾何畫(huà)板,通過(guò)構(gòu)造小球、構(gòu)造重力矢量圖、完善課件等幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟就可以動(dòng)態(tài)演示力的分解。

（3）專業(yè)化的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

目前已經(jīng)出現(xiàn)各種各樣的專業(yè)化虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可供教學(xué)使用,例如仿真物理實(shí)驗(yàn)室、Havok、Autodesk Inventor、RTW等物理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室、基于Internet Explorer的VR化學(xué)實(shí)驗(yàn)、Irydium、Chemistry Lab、Chemcollective等化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。進(jìn)入這些平臺(tái),就像進(jìn)入一間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室一樣,通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)以及一些參數(shù)的設(shè)置即可完成實(shí)驗(yàn)。

2.基礎(chǔ)教育中虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的局限性

目前使用的虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)雖然已經(jīng)成為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充,但由于其過(guò)于平面化、簡(jiǎn)單化,依舊存在著很多不足：（1）學(xué)生通常只是作為觀察者,而非親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程。（2）交互性欠缺。所謂交互性（Interaction）,是指用戶對(duì)虛擬環(huán)境中的物體的可操作程度和從環(huán)境得到反饋的自然程度（包含實(shí)時(shí)性）。當(dāng)前的虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)尚無(wú)法很好地模擬人對(duì)外部環(huán)境的感知（例如觸覺(jué)）,如在進(jìn)行生物解剖虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí),操作者無(wú)法感受到力的作用。目前虛擬實(shí)驗(yàn)的交互設(shè)計(jì)水平較低,不能充分滿足學(xué)習(xí)者的需求。（3）虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)于理想化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相當(dāng)“精確”和“確定”,沒(méi)有誤差和錯(cuò)誤,學(xué)生缺少對(duì)剔除無(wú)效數(shù)據(jù)、尋求主要矛盾等真實(shí)科學(xué)過(guò)程的體驗(yàn)。（4）較為缺乏對(duì)情感交互和認(rèn)知交互作用規(guī)律的充分考慮,大大降低了學(xué)生參與學(xué)習(xí)的興趣和熱情,制約虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)作用的有效發(fā)揮。

因此,“使用戶身臨其境地感知虛擬環(huán)境中的物體、通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的三維設(shè)備與物體接觸,從而真正地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互”等目標(biāo)在當(dāng)前的虛擬實(shí)驗(yàn)中尚未真正實(shí)現(xiàn)。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展及虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的變革

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展與日益成熟,虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心技術(shù)、呈現(xiàn)形式也將發(fā)生變革,尤其將在以下3個(gè)方面出現(xiàn)較大的突破。

1.通過(guò)三維仿真技術(shù)提高虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真性

三維仿真技術(shù)利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)逼真的,具有視、聽(tīng)、觸等多種感知的虛擬環(huán)境,用戶可以通過(guò)各種傳感設(shè)備同虛擬環(huán)境中的物體相互作用。通過(guò)特效控制系統(tǒng)與影片中的情節(jié)進(jìn)行配合,觀眾帶上特制的偏振立體眼鏡,可欣賞到呼之欲出的立體影像。例如在旅游業(yè)中,三維可視化可實(shí)現(xiàn)對(duì)旅游目的地環(huán)境和景觀的形象化展示,使人們對(duì)旅游目的地形成直觀認(rèn)識(shí)的同時(shí),還可達(dá)到良好的宣傳效果。三維仿真技術(shù)在旅游專業(yè)教學(xué)、電影事業(yè)等方面已有較為廣泛的應(yīng)用,但該技術(shù)在基礎(chǔ)教育科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用非常有限?；谌S仿真技術(shù)的虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)將不再是簡(jiǎn)單的平面模擬,它所呈現(xiàn)的物體將具有更強(qiáng)的立體感,讓學(xué)生有身臨其境的感覺(jué),輔助教師更好地完成教學(xué)過(guò)程,使學(xué)習(xí)更有樂(lè)趣。

2.不斷增強(qiáng)虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互性

虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)交互性的增強(qiáng)可以使實(shí)驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)感更強(qiáng),也使虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不但可以用于實(shí)驗(yàn)演示,還能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,甚至是通過(guò)虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)儀器設(shè)備的控制。例如,若將虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與數(shù)據(jù)手套連接,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者的手部動(dòng)作的輸入,從而可以用手直接控制計(jì)算機(jī)中的虛擬儀器。目前國(guó)內(nèi)許多高校都根據(jù)自身教學(xué)需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室,如中國(guó)科技大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)軟件等。也有許多高校將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域,比較典型的是清華大學(xué)的“電力系統(tǒng)及大型發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所建立的虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等。

3.虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)與力反饋系統(tǒng)的結(jié)合

所謂力反饋（Force Feedback）,最初是用在軍事上的一種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),它利用機(jī)械表現(xiàn)出的反作用力,將數(shù)據(jù)通過(guò)力反饋設(shè)備表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)前,一些虛擬外科手術(shù)已具有力反饋功能。外科醫(yī)生在做一次比較復(fù)雜的手術(shù)之前,先對(duì)虛擬人進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練,然后進(jìn)行真實(shí)手術(shù),可以有效提高手術(shù)的成功率。帶有力反饋功能的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以使實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師和學(xué)生的感覺(jué)更趨于真實(shí)化。例如生物教學(xué)中學(xué)生可以不限次數(shù)地對(duì)“虛擬青蛙”進(jìn)行解剖和學(xué)習(xí),借助力反饋系統(tǒng),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可以有觸覺(jué)感受,就像拿著一把手術(shù)刀進(jìn)行實(shí)際操作一樣。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段與不同學(xué)科的整合

在日常教學(xué)中,由于安全隱患或時(shí)空因素、實(shí)驗(yàn)條件等限制而無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),可以通過(guò)虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行展示或由學(xué)生自主探究,下面從虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段與不同學(xué)科整合的角度分別舉例說(shuō)明。

1.虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段與物理教學(xué)整合

（1）常規(guī)實(shí)驗(yàn)的虛擬化,增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的便捷性。中學(xué)物理在光學(xué)、力學(xué)、運(yùn)動(dòng)、電學(xué)、磁學(xué)等方面均有一些實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、所耗時(shí)間長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,不僅受學(xué)生動(dòng)手能力的限制無(wú)法作為學(xué)生實(shí)驗(yàn),甚至不適宜作為課堂演示實(shí)驗(yàn)。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以使實(shí)驗(yàn)過(guò)程化繁為簡(jiǎn),增加學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)過(guò)程、學(xué)習(xí)科學(xué)原理的機(jī)會(huì)。例如,DIS（Digital Information System,數(shù)字化信息系統(tǒng)）在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的使用日益普遍,但由于資金和實(shí)驗(yàn)條件的限制,很多學(xué)校DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重不足,三維虛擬DIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以很好地解決這一問(wèn)題。教師演示實(shí)物DIS的操作,學(xué)生可以在虛擬DIS上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),也可以課后自主探究學(xué)習(xí),使DIS變得唾手可得。再如,學(xué)生在學(xué)習(xí)了透鏡的工作原理之后,可以借助虛擬物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組裝一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡或顯微鏡,不僅遷移應(yīng)用了所學(xué)的光學(xué)原理,還增強(qiáng)了學(xué)習(xí)活動(dòng)的趣味性,使學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)物理知識(shí)在生活中的應(yīng)用。

（2）真實(shí)生活問(wèn)題的分析與模型建構(gòu)。當(dāng)前的科學(xué)教育倡導(dǎo)“從生活中來(lái),到生活中去”的理念,而虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也為此提供支持。例如將蹦極（自由落體運(yùn)動(dòng)）或者投籃球（斜上拋運(yùn)動(dòng)）的錄像轉(zhuǎn)入虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的視頻分析模塊,逐幀跟蹤人或物體的位置,就可以描繪人或物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后再進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,從而能夠分析位移、速度與時(shí)間的關(guān)系,通過(guò)函數(shù)擬合可以得出位移方程、速率方程以及求解重力加速度。這樣的探究來(lái)源于鮮活的真實(shí)案例,而不是抽象、簡(jiǎn)化了的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。

（3）宏觀或宇觀（即宇宙尺度）世界的模擬及自主探究。對(duì)于電梯、輪船、火車(chē)、太陽(yáng)系等宏觀或宇觀世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,由于它們尺度太大,實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法容納,可以讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行自主探究。例如學(xué)生通過(guò)設(shè)定恒星的質(zhì)量,行星的數(shù)量、質(zhì)量、速度等參數(shù),探索各種參數(shù)改變時(shí)行星的運(yùn)動(dòng)有哪些變化,從而總結(jié)行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段與化學(xué)教學(xué)整合

（1）用于安全性差或污染嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)。中學(xué)化學(xué)有些實(shí)驗(yàn)（尤其是有機(jī)實(shí)驗(yàn)）受到安全和環(huán)保的限制,在通常教學(xué)中教師并不做演示實(shí)驗(yàn),學(xué)生實(shí)驗(yàn)也就更不可能開(kāi)展了。這樣學(xué)生就失去了體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的機(jī)會(huì),只能通過(guò)背、記反應(yīng)及現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。借助虛擬實(shí)驗(yàn)手段,可以為此類(lèi)內(nèi)容的教學(xué)提供支持。

（2）調(diào)控反應(yīng)速度、展示微觀過(guò)程。很多化學(xué)變化速度較快,學(xué)生較難捕捉反應(yīng)過(guò)程中的各種信息；也有一些化學(xué)變化速度很慢,不適宜在課堂教學(xué)中展示。而且,通過(guò)肉眼觀察很難體會(huì)化學(xué)變化的微觀過(guò)程。上述困難可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)手段來(lái)解決。例如,在模擬“反應(yīng)物—過(guò)渡態(tài)—生成物”的變化過(guò)程時(shí),學(xué)生可以通過(guò)設(shè)定參數(shù)、減慢反應(yīng)速率,觀察反應(yīng)過(guò)程中化學(xué)鍵和能量的變化,從而加深對(duì)化學(xué)原理的理解。

（3）模擬化工生產(chǎn)的過(guò)程。教師在講授與工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的問(wèn)題時(shí),往往只是看看圖片,講講原理,活生生的工業(yè)生產(chǎn)變成了幾條知識(shí)強(qiáng)加給學(xué)生,缺少對(duì)真實(shí)過(guò)程的體驗(yàn)。盡管新課程鼓勵(lì)有條件的學(xué)校可以組織學(xué)生到工廠參觀,進(jìn)行實(shí)地考察。然而,絕大多數(shù)的學(xué)生沒(méi)有此類(lèi)機(jī)會(huì)；即使有機(jī)會(huì)到工廠參觀,看到的也只不過(guò)是縱橫交錯(cuò)的管道和各種形狀的反應(yīng)器,無(wú)法“進(jìn)入”反應(yīng)器的內(nèi)部去觀察。如果借助虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立虛擬化工廠,學(xué)生則可以“進(jìn)入”各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的內(nèi)部參觀學(xué)習(xí),并根據(jù)自己的需求,像工程師一樣“調(diào)控”生產(chǎn)過(guò)程,提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

3.虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段與生物教學(xué)整合

（1）解決活體實(shí)驗(yàn)的倫理問(wèn)題。生物課程中涉及解剖動(dòng)物或者用動(dòng)物活體進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在倫理學(xué)的角度越來(lái)越受到爭(zhēng)議,若取消學(xué)生實(shí)驗(yàn)又會(huì)大大削弱教學(xué)效果,“虛擬動(dòng)物”則可以代替真實(shí)動(dòng)物完成教學(xué)任務(wù)。常規(guī)實(shí)驗(yàn)使用的動(dòng)物品種是非常有限的,不過(guò)是小白鼠、青蛙、金魚(yú)等有限的幾種,而采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可以擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)對(duì)象的種類(lèi),使學(xué)生認(rèn)識(shí)豐富多彩的生物世界。

（2）突破生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制。很多生物實(shí)驗(yàn)由于所需場(chǎng)地較大或者是耗時(shí)較長(zhǎng)而無(wú)法實(shí)現(xiàn),能使學(xué)習(xí)變成簡(jiǎn)單的文本學(xué)習(xí),虛擬實(shí)驗(yàn)可彌補(bǔ)這一不足。例如在學(xué)習(xí)遺傳規(guī)律時(shí),學(xué)生可以像孟德?tīng)柲菢釉凇疤摂M試驗(yàn)田”上選擇種植不同品種的豌豆,然后進(jìn)行雜交,探索不同性狀的遺傳規(guī)律,從而說(shuō)明哪些是顯性基因、哪些是隱性基因?！疤摂M試驗(yàn)田”可以通過(guò)改變參數(shù),調(diào)整植物生長(zhǎng)的速度,將耗時(shí)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)“濃縮”在較短的時(shí)間內(nèi)完成,使學(xué)生通過(guò)有趣的探究活動(dòng)加深對(duì)相關(guān)原理的理解。

（3）探索微觀的生命過(guò)程。在實(shí)際教學(xué)中,學(xué)生使用顯微鏡觀察生命體靜態(tài)的微觀形貌或者持續(xù)觀察一個(gè)生命過(guò)程的機(jī)會(huì)都非常少,虛擬實(shí)驗(yàn)可以支持這種類(lèi)型的教學(xué)活動(dòng)。例如細(xì)胞的有絲分裂或無(wú)絲分裂過(guò)程的教學(xué),可以在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上先播放真實(shí)的細(xì)胞分裂過(guò)程（微觀過(guò)程視頻）；然后由學(xué)生對(duì)其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化,在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上用簡(jiǎn)單線條描摹細(xì)胞的輪廓,繪制出示意圖。這樣,對(duì)若干關(guān)鍵環(huán)節(jié)跟蹤之后,繪制的多張示意圖連續(xù)起來(lái)就形成細(xì)胞分裂過(guò)程的動(dòng)畫(huà)模擬了。類(lèi)似的,學(xué)生對(duì)不同細(xì)胞的分裂過(guò)程跟蹤和模擬之后,便能夠總結(jié)出細(xì)胞分裂的類(lèi)型和基本規(guī)律。

4.虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段與地理教學(xué)整合

（1）微縮宇觀世界,認(rèn)識(shí)人與宇宙的關(guān)系。神秘的宇宙世界令許多學(xué)生好奇和向往,然而地理課程中若僅僅通過(guò)語(yǔ)言描述或通過(guò)圖片展示關(guān)于宇宙的自然現(xiàn)象又令學(xué)生感到空洞乏味。借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生可以在“虛擬日地月系統(tǒng)”中,探究日食和月食產(chǎn)生的原因,認(rèn)識(shí)日地月的運(yùn)動(dòng)引起的各種自然現(xiàn)象以及對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活的影響。

（2）探索自然地理各種現(xiàn)象的形成原因。例如在學(xué)習(xí)造成地表形態(tài)變化的內(nèi)、外力因素這部分內(nèi)容時(shí),褶皺是一個(gè)難點(diǎn),學(xué)生較難清晰地認(rèn)識(shí)褶皺產(chǎn)生的原因以及如何判定背斜、向斜等。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,學(xué)生可以通過(guò)設(shè)定不同巖層的材質(zhì)及厚度、模擬力量的來(lái)源及大小,直觀地觀察褶皺的形成過(guò)程和形狀,從而使學(xué)習(xí)變得輕松有趣。此外,還可以觀察褶皺在漫長(zhǎng)的外力作用下所發(fā)生的變化,以及形成的地表形態(tài)。

（3）體驗(yàn)人類(lèi)活動(dòng)與城鄉(xiāng)發(fā)展的相互作用。人類(lèi)活動(dòng)與城鄉(xiāng)規(guī)劃是地理課程中的重要內(nèi)容,若采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建“虛擬城市”,則可以讓學(xué)生在“虛擬城市”中根據(jù)自己的構(gòu)想設(shè)計(jì)城市的功能分區(qū)、人口分布或交通線路等,并模擬城市發(fā)展、環(huán)境變化和人類(lèi)活動(dòng)之間的相互關(guān)系,幫助學(xué)生更好地理解和解釋城市功能分區(qū)形成的原因和城市化對(duì)地理環(huán)境的影響。

（4）虛擬實(shí)驗(yàn)與地理信息技術(shù)的整合。高中地理新課程更加體現(xiàn)地理科學(xué)發(fā)展的時(shí)代特色,將3S技術(shù)引入高中課程。3S技術(shù)是遙感技術(shù)（Remote Sensing,簡(jiǎn)稱RS）、地理信息系統(tǒng)(Geography Information Systems,簡(jiǎn)稱GIS)和全球定位系統(tǒng)(Global Positioning Systems,簡(jiǎn)稱GPS)的統(tǒng)稱,將空間技術(shù)、傳感技術(shù)、衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)相結(jié)合,多學(xué)科高度集成地對(duì)空間信息進(jìn)行采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播和應(yīng)用。將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)與3S技術(shù)整合,可以模擬3S技術(shù)的工作原理。例如在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上模擬地震、火災(zāi),觀察遙感技術(shù)給出的反饋信息,引導(dǎo)學(xué)生分析災(zāi)區(qū)的災(zāi)情,設(shè)計(jì)抗震救災(zāi)的工作方案。

四、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段的應(yīng)用形式

無(wú)論對(duì)教師教學(xué)還是學(xué)生學(xué)習(xí)而言,虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)都會(huì)起到相當(dāng)大的作用,它將通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的虛擬化輔助教師高效完成教學(xué)計(jì)劃,同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室、技能訓(xùn)練幫助學(xué)生更好地完成探究、自主和協(xié)作學(xué)習(xí)。

1.作為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充,用于課堂教學(xué)

在如今的常規(guī)教學(xué)中,多媒體技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用,能夠起到形象化展示科學(xué)原理、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的作用,從而提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。不過(guò)當(dāng)前課堂應(yīng)用的多媒體技術(shù),多以演示性為主,仿真度低、交互性差。以三維可視化、良好的人機(jī)交互性為突出優(yōu)勢(shì)的虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段,可以將多媒體教學(xué)提升到一個(gè)新的水平。

2.用于學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)

盡管新課程強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué),但囿于學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件、學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)安全性、教師觀念等因素,學(xué)生依舊很少有機(jī)會(huì)參與實(shí)驗(yàn)探究。而虛擬實(shí)驗(yàn)手段可以為學(xué)生搭建一個(gè)完全自主的學(xué)習(xí)平臺(tái),既可以應(yīng)用于課堂上的探究活動(dòng),也可以讓學(xué)生在課后進(jìn)行自主探究。學(xué)生可以隨時(shí)隨地在平臺(tái)上進(jìn)行探究式學(xué)習(xí),并根據(jù)自己的興趣愛(ài)好進(jìn)行不同學(xué)科、不同內(nèi)容、不同深度地學(xué)習(xí),使對(duì)科學(xué)感興趣的學(xué)生有充分的發(fā)展空間。

3.用于學(xué)生課后進(jìn)行復(fù)現(xiàn)式學(xué)習(xí)

借助虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段,可以使學(xué)生更方便地進(jìn)行課后復(fù)現(xiàn)式學(xué)習(xí)。如果學(xué)生在課堂上沒(méi)有很好地掌握老師所講的內(nèi)容,或者想重做一次課堂實(shí)驗(yàn),那么學(xué)生可以到虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行再次實(shí)驗(yàn)。以及時(shí)彌補(bǔ)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的漏洞,使課后復(fù)習(xí)不再局限于平面的教材閱讀或枯燥的作業(yè)訓(xùn)練。

4.與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)整合,實(shí)現(xiàn)跨時(shí)空的合作學(xué)習(xí)

許多學(xué)生沉迷于網(wǎng)絡(luò)游戲,讓老師與家長(zhǎng)痛心疾首。反觀科學(xué)教育,為什么就不能創(chuàng)建出吸引學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境呢？也許基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也可以令部分學(xué)生“沉迷”。學(xué)生不僅可以在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行自主探究,還可以借助網(wǎng)絡(luò)尋求志同道合的伙伴,不論國(guó)籍、不分年齡,共同搭建學(xué)習(xí)小組,一起研究他們感興趣的課題。這將為學(xué)生的合作學(xué)習(xí)提供契機(jī)和平臺(tái),學(xué)生可以把自己各種想法付諸于實(shí)踐,而不必?fù)?dān)心資金、材料、時(shí)空、環(huán)保、倫理等因素的限制。同時(shí),還可以增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的人際交往能力。

五、結(jié)束語(yǔ)

盡管在當(dāng)前教育領(lǐng)域中應(yīng)用的虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段仍處于非常簡(jiǎn)單的起步階段,但是隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境會(huì)逐步接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,對(duì)科學(xué)教育將發(fā)揮越來(lái)越大的推動(dòng)作用。除了在基礎(chǔ)教育之外,該技術(shù)手段在職業(yè)教育以及高等教育的教學(xué)中也都具有廣闊的應(yīng)用前景。

在虛擬實(shí)驗(yàn)給我們的教學(xué)帶來(lái)極大便利的同時(shí),我們還應(yīng)該注意虛擬實(shí)驗(yàn)畢竟不是現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn), 我們不能用虛擬實(shí)驗(yàn)完全取代實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。在學(xué)生充分參與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再將虛擬實(shí)驗(yàn)作為有益的補(bǔ)充形式,這樣才能更好地理解虛擬實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容,最終實(shí)現(xiàn)更快速、更有效、更準(zhǔn)確地掌握學(xué)科本質(zhì)和規(guī)律的目標(biāo)。

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稿件編號(hào)：P1105046

魏銳,教育學(xué)博士,講師,碩士生導(dǎo)師。

北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院。