VR技術在科學教育專業實踐教學中的應用策略

于宏宇

(錦州師范高等專科學校 環境科學學院,遼寧 錦州 121000)

VR是Virtual Reality的簡稱,中文譯作“虛擬現實”.VR技術是建立在圖像數字處理、計算機仿真、計算機圖形、傳感器技術等基礎之上的一門多學科交叉的技術,其通過視覺、聽覺等效果的展現可以給用戶帶來身臨其境的體驗感[1].

師范高等專科學校環境科學學院設置的科學教育專業,其主要任務就是為我國義務教育小學階段培養合格的科學教育師資,因此在該專業課程設置中包含了化學、生物學、自然地理學、物理學、歷史學等基礎學科.教師講授這些學科時,要依據學生的年齡特點,以可操作、可互動的小實驗為主,理論講授為輔.根據實際調查,對于科學課程的講授和實驗環節,由于時間、設備、場地所限或從安全角度考慮,多數學校更愿意接受虛擬的教學或實驗環境,而VR沉浸式教學及實驗是小學科學課堂上較好的輔助手段之一.

近年來,隨著以AI、云計算、大數據、VR/AR為代表的新一代信息技術的快速發展與普及,應加快推動科學教育專業教學模式及手段的改革、促進教學內容及教學資源更新完善,著力提升科學教育專業人才培養質量,以適應未來課堂的教學要求.

1 VR技術在教育領域應用的優勢

在教育領域,VR技術所展示的創新性效果已經逐漸體現.VR技術在美國的基礎教育領域已經占據20%以上的份額.德國研究公司Kantar EMNID對606名在職教師的調查顯示:有48%的教師表示愿意在課堂中使用VR設備,在30歲以下的教師人群中這個數字為58%;有77%的教師認為借助VR技術可以提高教育體驗,增加學生的學習動力,幫助學生更好地理解和學習概念;教師認為VR技術最適用的科目是地理(80%)、歷史(74%)和自然科學(62%)[2].

“VR+教育”典型的應用場景主要分為兩種.一是交互式實驗性VR教學,在這種場景下可以是單人互動型,也可以是多人實時互動型.特定的VR硬件設施為教學提供了充足的保證,但這種方式需要專用的場地,一次性投入過大,高校的創客教室或重點實驗室通常采用該方式[3].二是在普通授課或實驗環節中采用VR技術教學,這種場景的應用是最為廣泛的,它可以將每個普通教室升級成VR學科教室,教學雙方通過“VR中控系統+VR頭盔”方式進行互動交流,該方式將虛擬場景帶入教室,增強了課堂上的授課效果.

采用VR技術教學與傳統教學相比較存在一定優勢.傳統教學大多采用理論授課方式,學生在普通教室里聆聽教師的講解,沒有親身感受,實踐課程受時間、場地、設備等條件限制,實驗效果差強人意[4].采用VR教學不僅可以避免傳統教學帶來的不便,還可憑借其沉浸式、高互動性的特點,激發學生的學習興趣和學習動力.

高校主要通過實踐教學來提高學生分析與解決問題的能力,VR技術憑借其獨特的優勢給實踐教學帶來新機遇.

2 科學教育專業實踐教學中面臨的問題

通過近幾年的實踐教學發現,科學教育專業實踐教學中存在如下問題:

2.1 課堂教學缺少直觀性、新穎性,學生理解受限

科學教育專業培養的學生主要就業于小學或科技館,講授對象多為學齡兒童,該階段兒童在科學知識的接受方式上親身經歷或感受遠比抽象化的描述印象深刻,因此,在實踐教學環節中首先要讓學生對“直觀性、新穎性”有切身的感受,他們才會在以后的工作中注重應用各種技術手段直觀展示科學知識.但當前科學教育專業所采用的語言描述、圖片展示、視頻播放等手段對于早已習慣接收多樣化信息的學生來說,激發其學習興趣的作用已經變得微弱.

另外,教師在實踐教學中對設備或模型進行詳細講解時,由于不能拆開大型設備的外殼或模型,不能展示設備內部真實結構,導致講解受到了一定的限制.學生只能通過相關的多媒體信息進行簡單了解,缺少動手操作的實際步驟,認識感不強,并不能真正理解所學知識.

2.2 實訓設備建設及維護成本高,實驗過程存在一定安全隱患

某些實訓設備不但價格昂貴,而且更新速度快,購買需要占用大量的資金,加大了學校負擔.另外,維護成本高、維修周期長,在使用一段時間之后,如果出現設備損壞,不易及時填補,造成實踐教學可用設備缺少,由此導致剩余設備多人輪流使用,加快設備疲態化、老化,同時也影響正常的實踐教學.

在科學教育專業實踐教學過程中會存在一些危險性較高的場景,如某些有毒的化學實驗,學生進行實驗操作時會有一定的危險性,存在安全隱患,容易造成意外事故;另外,還存在著一些不易模仿、真實感不強的場景,如急救反應訓練場景,學生操作起來存在一定的困難.

3 VR技術在科學教育專業中的應用策略

3.1 運用VR技術構建虛擬課堂

利用VR技術構建虛擬課堂,可以將課堂變得可視化、情境化,從而使學習環境變得生動逼真,使學習內容變得形象、可讀、易記,從而有效激發學生的學習興趣,加深學生對所學知識的理解.比如米飯、淀粉和碘酒的變化課程案例中的品嘗米飯環節,學生可以通過觀察VR頭盔中虛擬人物咀嚼米飯后發出的評價來判斷米飯的味道,根據儲存的知識得出米飯里包含淀粉成分的結論,并在頭盔顯示屏中選擇正確的答案.利用VR技術構建虛擬課堂,方便學生進行模擬訓練,提高學生的動手能力、理解能力、分析與解決問題的能力[5].

3.2 運用VR技術構建虛擬實驗室

利用VR技術構建虛擬實驗室,由于虛擬實驗室中的設備及藥品等都是虛擬的,不需要消耗大量資金購買,有利于資源共享節省了資源,避免了浪費.例如米飯、淀粉和碘酒的變化課程案例中的檢測假鈔環節,實驗物品假鈔在現實中無法獲得,虛擬實驗室就可以發揮其優勢,建構虛擬假鈔,學生依據該案例中實驗環節得出的結論,再根據紙幣制造的防偽措施中需要移走紙中的淀粉,制造假鈔者又無法掌握所有的印鈔技術的現實,通過操作柄在隨機生成的虛擬紙幣上滴上碘酒,出現藍色就判斷是虛擬偽鈔.該環節可以滿足學生的實驗需求,節省了時間和材料.

另外學生可以在虛擬實驗室中進行虛擬仿真訓練,不需要真正處于危險的環境中,同時還可以模仿現實中的真實案例場景.比如在米飯、淀粉和碘酒的變化課程案例中,對于治療碘酒中毒的場景,虛擬人物躺倒在地,學生根據其身旁棕色玻璃瓶上的文字提示判斷該虛擬人物為誤食碘酒中毒,通過口服淀粉、撥打120急救電話等一系列措施使該虛擬人物成功得到救治.該實驗環節不僅讓學生學以致用,而且還培養其見義勇為、救死扶傷的精神.多數學生反映該環節使人印象深刻,提升了課堂的實踐教學質量.

4 教學效果評價

利用VR技術開展科學教育專業實踐教學活動,能夠讓學生身臨其境體驗活動過程中的可視、可聽、可觸感,突出學生的教學主體地位,遵循學習者的認知規律,充分提高學生的感知能力、邏輯思維能力、操作能力和創新能力.通過VR技術以學生視角建立虛擬全場景,實現人機交互,精準滿足了每個學生的實驗需求,杜絕了實驗物品的浪費,體現了教育個體的差異性,突破了傳統教育方式,提高了教學質量和水平.

5 結語

VR技術在高職院校科學教育專業實踐教學中應用前景廣闊,教師應在實踐教學中不斷總結經驗,結合本校優勢學科資源、實訓資源,積極建設VR實訓基地,改變傳統教學模式,擺脫場地、人員和時間的限制.VR技術可以活躍課堂教學氣氛,促進教學方式改革,因此高職院校要綜合推進VR實踐教學課程實施、培養擅長使用VR設備的師資力量,遵循學生的認知規律,科學有效地提高學生的實踐能力和綜合素質.