VR技術在線上線下課堂教學中的應用

權記紅 王青

摘要：VR虛擬現實技術是近期發展起來的比較熱門的新技術，人們對它在教育教學中的應用前景充滿期待。本文首先介紹虛擬現實技術的基本內涵和分類，其次，探討在課堂教學中如何應用虛擬現實技術，主要介紹了立體物體展示、立體空間構造、虛擬場景模擬等方面的應用，最后，分析VR技術在課堂教學中的優點和不足，以及其給現代教育教學技術帶來的改變。通過本文的介紹，希望讀者能對VR技術在教育教學中的應用有一個大致了解，對VR帶來的改變充滿期待。

關鍵字：VR技術、教育應用、課堂教學

教育技術隨著時代的發展在不斷的革新，從神話時代伏羲教民結網捕魚，到孔子言傳身教，從一支粉筆走天下到多媒體視聽教學，教育越來越現代化，而現在VR技術正在為教育帶來一股新浪潮，如果VR能走進課堂，成為平民化教育，必將對我們的教學，尤其是目前熱門的線上教學帶來巨大的變革。

1.VR的概念

VR（Virtual Reality），是虛擬現實的英文縮寫，是利用計算機為用戶提供一個交互式的可沉浸的虛擬三維動態視景空間，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它的特征主要有多感知交互性和沉浸性等。[1]

VR虛擬按實際應用大致可分為四類：桌面虛擬現實系統（也稱窗口中的VR），適用于汽車拆裝、機器人拆裝、重型貨架拆裝、動物解剖等理工科專業，成本相對較低;沉浸虛擬現實系統，使用VR頭盔顯示器把用戶的視覺、聽覺及其他感覺封閉起來，產生身臨其境的錯覺，它的優點是用戶全身心地沉浸到虛擬世界中去，弊端是系統設備價格昂貴難以普及推廣;分布式虛擬現實，是在沉浸式虛擬現實系統和分布式交互仿真的基礎上建立的;增強現實（Augmented Reality，簡稱 AR），是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。本文所涉及的虛擬現實主要指第一種窗口中的VR。

2.VR技術在教育領域的應用現狀

虛擬現實技術產生于20世紀60年代的美國，最近10年，隨著計算機信息技術的快速發展而在越來越多的領域得到了推廣應用，其出現更使得互聯網的平面世界出現了三維場景。

虛擬現實技術由于能夠創建與現實社會類似的環境，解決學習媒體的情景化及自然交互性的要求，因此較早被歐美一些主要國家應用于教育與教學領域。1985年，美國國立醫學圖書館就開始了人體解剖圖像數字化研究。隨后，德國的漢諾威大學建立了虛擬自動化實驗室、西班牙大學電子系開發了電子儀器虛擬工作平臺、意大利帕瓦多大學建立了遠程虛擬教育實驗室、新加坡國立大學開發了遠程示波器實驗和壓力容器實驗等。1995年，在互聯網上首次出現了“虛擬解剖”實驗。

與發達國家相比，我國虛擬現實技術的開發和應用還存在差距，但這種差距已引起有關部門和科學家們的高度重視，并根據我國國情制定了開展虛擬現實技術及相關技術領域的研究。新興的創業公司、VR的硬件公司以及傳統的教育公司和內容研發公司也紛紛積極布局參與VR教育。國家政策與環境的利好也有助于VR教育的發展。國家教育事業發展“十三五”規劃提出鼓勵利用VR探索未來教育的新模式。此舉推進了我國各地市的教育規劃政策的出臺，各地也加大力度發展VR產業經濟配套。

清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發動機檢測系統;華中理工大學機械學院工程檢測實驗室將其虛擬實驗室成果在網上公開展示，供遠程教育使用;復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等一批高校也開發了一批新的虛擬儀器系統用于教學和科研。[2]由上可知，虛擬現實技術雖然在國內外的教育教學中有所應用，但在我國教育中的使用僅局限于高校的研究性和探索性教學當中，而對廣大普通大、中、小學生的普及則遠遠不夠。

VR技術廣泛應用于教育領域，雖然形勢一片大好，但VR教育市場目前仍處于發展的初期，還有很多問題需要解決。VR教育市場目前的一個顯著特點就是呼聲高，雨點小，落地慢，想象空間巨大但實際應用很少，期望高失望也高。雖然在一些學校和機構已經落地，但也僅僅是形象工程，沒有發揮VR實際的教學價值。

3.VR在線上線下課堂教學中的應用

課堂教學是教學的主要方式，也是虛擬現實運用于教學的主要戰場。VR本身也離不開網絡，因此隨著線上教育的發展，其必將在未來的線上教學中占據舉足輕重的地位。目前國內大多數的VR教育企業都采用頭盔式VR裝備應用于教學當中，事前把課堂教程編排好，情景式教學內容設置給用戶帶來沉浸式的教學體驗，學習就像看電影，從一定程度上增加了學習的樂趣，補充了教學素材。根據不同的學科，虛擬現實發揮著不同的作用，主要有以下方面的應用：立體物體的展示，立體空間的展示，展品的介紹，虛擬空間的營造與構建，虛擬場景的構造。

在課堂教學中我們往往需要向學生展示一些實物，如高中數學三視圖的學習中，為了讓學生更直觀的感受立體圖形的三視圖，教師常采用的方法有：1.做好三棱錐、正方體等模型，從不同角度讓學生觀察，很實用，但是由于學生所處位置不同，觀察角度實際是不同的，而且后面同學可能看不清楚，教師做模型也比較費時費力;2.利用圖片，通過投影儀展示，方便快捷，但不夠直觀，且這種展示只能提供某一個或幾個視角;3.利用計算機三維造型或動畫軟件如幾何畫板、3dsMAX，建立模型，通過旋轉展示各個視角，相對前兩種比較理想，但學生不能按照自己意愿隨意選擇視角。通過虛擬現實，我們可以構建一個與實物同樣的三維物體，如采用3dsMAX建模，存儲為VRML格式，然后在VRML播放器中使用。讓學生從各個視角去觀察，一則省卻了實物的制作，二則讓學生按照自己的意愿去觀察。

立體空間是指在現實世界中存在的或者根據歷史資料在歷史中曾經真實存在的空間。[3]在教學中，由于條件的限制，不方便讓學生進入這些空間，只能夠通過教師的描繪來激發學生的想象，在學生的頭腦中創建出這個虛擬的空間來。但是使用虛擬現實，我們不僅能在學生頭腦中建立這些空間，而且可以讓學生看得見、聽得見，甚至可以摸得著。在虛擬現實的教學課堂上，不論是造價上億的高鐵動車，還是復雜抽象的機器模型均可在空間中呈現立體的虛擬影像，手指仿佛可以穿透影像，所見即所得，苦思冥想卻終不得解的難題迎刃而解。教學實訓變的如此簡單，這些的確都是VR賦予教育的強大助力。

虛擬場景是指在現實生活中可能出現的一些場景，通過虛擬現實在不同的時間或地點表示出來。[3]這在中學語言教學中應用非常廣泛。作為語言學科的語文或英語在教學過程中經常采用情境教學法。在以往，學習情境的創設只能通過教師的言語，圖片的展示，或者一些錄像。而現在，可以通過計算機虛擬出這些場景。如：在中學語文教學中，經常會用情景再現的手法教學，比如為體會黛玉葬花的凄美，可以重新構造黛玉葬花的場景，學生進入這個完全虛擬的世界，可以同扮演著各種角色的虛擬演員談話，可以了解大觀園的周邊環境，從而更好地理解黛玉葬花所蘊含的情感和思想。英語教學中，當學生戴上VR設備，出現在眼前的就是一個虛擬的教室，里面有一間虛擬的外國教師通同學生對話，當談到去草原看看，場景立刻切換到草原，在教師的帶領下學生可以在虛擬的草原中觀察各種動物，并與教師用英語進行交流討論。

VR技術如果能真正的應用于課堂，對目前熱門的線上教學也會起到很好的助推作用。其沉浸式體驗模式，可以提高線上教學的效率。如果技術允許，我們可以實現一種虛擬課堂，虛擬教室，學生一旦打開線上直播課堂，進入VR模式，就會與老師同學一起進入教學情境中，解決現在線上教學不能有效交流溝通和監督的一大難題。現有技術其實已能實現該要求，比如火爆網絡的游戲“王者榮耀”本質上也是一種沉浸式體驗，其體驗感吸引了無數人參與。如果能把游戲里面的角色換成教師與學生，將其中的游戲場景換成教學場景，我相信線上教學必然會變得生動有趣更加吸引力，只可惜現在成本與技術要求均過高，要想真正應用還有很長的一段路要走。

除此之外，VR技術還可廣泛應用于科學研究、虛擬實訓、虛擬仿真校園、情景化測試等各種教育場景。利用虛擬現實技術進行虛擬實驗，學生在虛擬實驗環境中，可以放心地去做各種危險的實驗。例如：在大學中，虛擬的飛機駕駛教學系統，可免除學員操作失誤而造成飛機墜毀的嚴重事故。

4.VR技術應用在課堂教學的優勢和不足

傳統教學主要是以教師為中心，學生處于被動的學習環境，教學內容、結構、教學方法都是由教師決定的，現代化的教學要求教師為主導學生為主題。虛擬現實技術有利于創造以學生為中心的個別化教學環境，能夠把教學中的抽象概念原理、真實的實驗過程等形象生動地表現出來，給學生創設真實學習情境，幫助學生獲得示范性的知識，把握概念原理的實質，有良好的人機互動功能。它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學習者通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式，促進了教育方式的創新和教學方法的變革。VR虛擬現實應用于教育是教育技術發展的一個飛躍。

將VR技術融入教育教學，能夠使得教學手段更科學化、更高效化，能提供直觀的、形象的多重感官刺激的視聽覺材料。利用虛擬技術開發出一系列由硬件、軟件、控制系統、教材、教案、試卷等組成的教學方案，圍繞學科課程、地方課程以及校本課程，實現教學創新、學科融合及延伸，讓學習更有趣、更安全、更主動，有利于學生知識的獲取和增長，培養有創新意識的綜合性人才。

VR技術在教育應用中也存在一些問題。第一，相關技術不成熟，虛擬現實的效果有待加強，VR目前硬件技術尚不能提供很好的沉浸式體驗，包括屏幕的刷新率、計算系統的運算能力、設備的體積及重量，設備舒適度欠佳和安裝調試過程復雜;此外，空間定位追蹤技術和交互技術標準不統一;網絡傳輸等基礎建設有待提升。第二，內容的稀缺。目前沒有成體系的VR教學課件內容，而內容定制化生產的成本又很高，VR行業缺少行業標準致使通用性受到限制。不過，VR優質內容的稀缺不是VR教育單獨面臨的問題，是整個VR行業的問題。第三，虛擬技術出現在課堂中，會相對的減少人與人之間的直接交流，長時間操作計算機可能會導致學生社會交往能力下降，這也是需要特別警惕的地方。

隨著虛擬現實技術的不斷發展和完善，以及硬件設備價格的不斷降低，我們相信，虛擬現實技術以其自身強大的教學優勢和潛力，將會逐漸受到教師的重視和青睞，最終在教育、教學以及培訓領域廣泛應用并發揮其重要作用。

參考文獻：

[1]360百科.vr虛擬現實技術.https：//baikeso.com/doc/ 5412367-5650493.html

[2]趙士斌.虛擬現實技術進入高校教學的研究與實現[J].電化教育研究，2001（2）.

[3]梁琨.黃小麗.虛擬現實技術在教育中的應用探討[J].軟件導刊.教育技術.2008（3）.

鶴壁高中 河南省鶴壁市 458000