虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中小學(xué)教育教學(xué)中的應(yīng)用

魏召杰 李瑞鑫 楊永康 駱原

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在中小學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)中有著重要的作用。本文基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)了虛擬教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)中小學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shí)驗(yàn)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)過(guò)程等功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行展示，可以讓中小學(xué)生有效地學(xué)習(xí)相應(yīng)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的探索能力，加強(qiáng)對(duì)抽象知識(shí)的理解。

關(guān)鍵詞：中小學(xué)教育;虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);Unity3D;C#

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）01-0030-02

0 引言

2015年黨的十八屆五中全會(huì)召開(kāi)，會(huì)議決定：堅(jiān)持計(jì)劃生育的基本國(guó)策，完善人口發(fā)展戰(zhàn)略，全面實(shí)施一對(duì)夫婦可生育兩個(gè)孩子政策（既二孩政策）。“二孩政策”對(duì)中小學(xué)義務(wù)教育帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。根據(jù)教育部發(fā)布《2018年教育事業(yè)發(fā)展》顯示，我國(guó)受義務(wù)教育階段人數(shù)逐年上漲[1]。與此同時(shí)，國(guó)家大力投入基礎(chǔ)教育教學(xué)，推動(dòng)基礎(chǔ)教育創(chuàng)新改革，越來(lái)越多創(chuàng)新的教學(xué)方式方法隨之出現(xiàn)，其中之一就是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)之中。

VR（Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展而誕生于20世紀(jì)50年代，其綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)接口技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域技術(shù)，以計(jì)算機(jī)為模擬仿真系統(tǒng)生成可交互的三維環(huán)境并提供沉浸感覺(jué)的技術(shù)。

在信息高速發(fā)展、知識(shí)經(jīng)濟(jì)席卷全球的今天，教育信息化成為時(shí)代發(fā)展的必然需要。然而實(shí)際上，VR教育技術(shù)的應(yīng)用還遠(yuǎn)滯后于產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，因而讓VR技術(shù)走進(jìn)教育領(lǐng)域具有廣大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教育教學(xué)中，根據(jù)義務(wù)教育階段新課程的要求，把抽象的學(xué)科知識(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的切實(shí)體驗(yàn)，將平面的知識(shí)立體化、模型化、實(shí)際化，以場(chǎng)景模擬的形式訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦解決問(wèn)題的能力，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在課堂教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和氛圍進(jìn)行模擬，構(gòu)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)相似的場(chǎng)景進(jìn)行相關(guān)模擬操作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言、3D建模、傳感器技術(shù)、人機(jī)交互等基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用與結(jié)合，依賴于這些知識(shí)理論，可以構(gòu)造一個(gè)仿真的實(shí)時(shí)情景，突破空間局限，結(jié)合視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)為體驗(yàn)者帶來(lái)身臨其的體驗(yàn)。

1.2 VR技術(shù)可模擬豐富的教具輔助教學(xué)

在實(shí)際課堂教學(xué)過(guò)程中，一些課程是需要準(zhǔn)備相關(guān)實(shí)驗(yàn)教具的，比如義務(wù)教育小學(xué)階段的科學(xué)課，該課程注重學(xué)生的動(dòng)手能力和探索能力，要求通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。又如中學(xué)階段的地理、物理、生物、化學(xué)等課程，都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)增進(jìn)學(xué)生的求知欲，加強(qiáng)學(xué)生觀察能力、探索能力的培養(yǎng)。在這類課程中，實(shí)驗(yàn)教具在課堂中的使用頻率較高，因此如何規(guī)范恰當(dāng)?shù)厥褂脤?shí)驗(yàn)教具決定著課堂教學(xué)的高效性。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠形象的模擬展現(xiàn)各類教學(xué)場(chǎng)景，如地理學(xué)中行星的運(yùn)轉(zhuǎn)軌道、生物科學(xué)中各類微小真菌、物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)器材及化學(xué)課程上的物質(zhì)微觀變化等[2]。在地理課堂中，學(xué)生可以通過(guò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)觀察晝夜交替、四季變化等內(nèi)容，通過(guò)放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，對(duì)虛擬顯示內(nèi)容進(jìn)行各個(gè)角度的觀察、了解。相比較于傳統(tǒng)的地球儀，虛擬教學(xué)系統(tǒng)以身臨其境的方式，可調(diào)節(jié)可變化的形式展現(xiàn)地球的全貌，使整個(gè)教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)化、形象化和連貫化，從而完整的認(rèn)知地球面貌。

1.3 VR技術(shù)可提供多種可能性，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索

在物理及化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生正確地使用實(shí)驗(yàn)器材，并保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全是教師密切關(guān)注的內(nèi)容，教師要時(shí)刻叮囑學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中各類物品的使用及操作步驟。物理及化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，操作不當(dāng)就有可能燒壞電流表、實(shí)驗(yàn)試管炸裂等，教師想讓學(xué)生注意這些知識(shí)點(diǎn)又不能真的燒毀電流表、炸試管給學(xué)生看。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就充當(dāng)了重要的作用，可以將實(shí)驗(yàn)器材在虛擬教學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行形象的模擬，通過(guò)操作虛擬的實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生自己動(dòng)手發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，對(duì)知識(shí)點(diǎn)有一個(gè)真實(shí)的感受。學(xué)生自己去進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)更多實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)的可能性，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題能力及探索能力。

在化學(xué)高錳酸鉀制取氧氣的實(shí)驗(yàn)中，其注意事項(xiàng)就比較多，放置藥品的試管口是否存放棉花球、試管是否預(yù)熱、實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)是否先移導(dǎo)管后移酒精燈等都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)，在不同的情況下會(huì)有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)，如不塞棉花球會(huì)導(dǎo)致高錳酸鉀粉末隨氣體進(jìn)入導(dǎo)管，使水槽中的水變成紫紅色;試管不預(yù)熱會(huì)導(dǎo)致試管炸裂;實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)先熄滅酒精燈后移導(dǎo)管，伸入水槽一端的導(dǎo)管水倒吸，會(huì)炸裂試管等等。讓學(xué)生通過(guò)虛擬教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行操作觀察，課后交流討論，對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)有一個(gè)深刻的印象后，再進(jìn)行實(shí)際操作，這時(shí)候?qū)W生就會(huì)自主規(guī)范操作，避免這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)避免了學(xué)校實(shí)驗(yàn)器材的損壞及實(shí)驗(yàn)器材開(kāi)支，也保證了學(xué)生的安全。

1.4 VR技術(shù)可知識(shí)內(nèi)容簡(jiǎn)單化可視化，便于理解

在物理教學(xué)中，磁感線、力的方向等內(nèi)容是不可見(jiàn)的，教師在給學(xué)生講述的時(shí)候很難直觀的去講述它們是怎樣的表示形態(tài)，通過(guò)繪圖工具進(jìn)行繪圖會(huì)占據(jù)課堂的部分時(shí)間。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以三維立體直觀地展示輔助線及微觀粒子，讓學(xué)生形象的看到磁感線的方向、力的方向、分子的運(yùn)動(dòng)路徑及方向等等，讓抽象知識(shí)內(nèi)容可視化、簡(jiǎn)單化，讓學(xué)生輕松的明白實(shí)驗(yàn)的原理，教師無(wú)需過(guò)多的去進(jìn)行知識(shí)的描述與講解。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將物理教學(xué)中的光線、磁感線、力的方向等等表現(xiàn)出來(lái)[3]。如在凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)中，對(duì)光線進(jìn)行模擬，讓學(xué)生清晰的知道光線是如何通過(guò)凸透鏡并成像的;在測(cè)量滑動(dòng)摩擦力實(shí)驗(yàn)中，對(duì)力的方向進(jìn)行標(biāo)注，便于學(xué)生理解摩擦力;在研究磁場(chǎng)的方向?qū)嶒?yàn)中，模擬磁感線方向，讓學(xué)生清晰的知道磁鐵的磁場(chǎng)分布情況。知識(shí)清晰直觀的呈現(xiàn)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)更輕松，教師教學(xué)更便捷。

2 VR教學(xué)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

VR教學(xué)輔助系統(tǒng)主要是利用VR技術(shù)創(chuàng)建出具有真實(shí)感和沉浸感的虛擬課堂展示環(huán)境。系統(tǒng)采用Unity3D為開(kāi)發(fā)引擎，利用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用3ds? Max軟件構(gòu)建場(chǎng)景中的模型。

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)輔助系統(tǒng)素材的構(gòu)建

建設(shè)VR虛擬教學(xué)系統(tǒng)的首要任務(wù)就是構(gòu)建VR教學(xué)系統(tǒng)中涉及的場(chǎng)景模型素材及交互信息，收集、制作與系統(tǒng)相關(guān)的圖紙、效果圖、相關(guān)參數(shù)等，然后使用Unity3D、3ds Max等軟件構(gòu)建虛擬教學(xué)3D模型。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)輔助系統(tǒng)場(chǎng)景搭建

利用前期收集、制作的參數(shù)信息及效果圖研究并構(gòu)建虛擬教學(xué)的三維模型，進(jìn)行場(chǎng)景建模，在3ds Max軟件中形成相關(guān)格式的文件，并導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎中進(jìn)行場(chǎng)景搭建。

2.3 人體與虛擬場(chǎng)景的仿真交互

將構(gòu)建好的VR虛擬教學(xué)系統(tǒng)模型與個(gè)體動(dòng)作指令仿真化交互，利用Unity3D引擎及C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，在構(gòu)建出的虛擬教學(xué)系統(tǒng)模型中插入觸發(fā)函數(shù)，做到人體能夠使用VR硬件設(shè)備控制教室中的設(shè)備、儀器相關(guān)變量的觸發(fā)。另外，VR交互設(shè)備的選擇也是做到軟件硬件相兼容進(jìn)而達(dá)到可以控制的要點(diǎn)之一。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

在中小學(xué)義務(wù)教育階段應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助教學(xué)，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，減少學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)中的不足，為廣大學(xué)生提供更有效的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)目前還不成熟，我們應(yīng)密切關(guān)注其發(fā)展與在教育中的應(yīng)用，協(xié)同推進(jìn)，積極探索VR在教育中的應(yīng)用，開(kāi)展相關(guān)研究，發(fā)揮技術(shù)的應(yīng)用作用。

參考文獻(xiàn)

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