虛擬現(xiàn)實技術在中小學教育教學中的應用

魏召杰 李瑞鑫 楊永康 駱原

摘要：虛擬現(xiàn)實技術在中小學學科實驗中有著重要的作用。本文基于VR技術設計了虛擬教學系統(tǒng)，該系統(tǒng)對中小學學科實驗中實驗模型、實驗場景、實驗過程等功能進行了設計與實現(xiàn)?；谔摂M現(xiàn)實技術對實驗進行展示，可以讓中小學生有效地學習相應的基礎實驗操作與實驗內(nèi)容，提高學生的探索能力，加強對抽象知識的理解。

關鍵詞：中小學教育;虛擬現(xiàn)實技術;Unity3D;C#

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0030-02

0 引言

2015年黨的十八屆五中全會召開，會議決定：堅持計劃生育的基本國策，完善人口發(fā)展戰(zhàn)略，全面實施一對夫婦可生育兩個孩子政策（既二孩政策）。“二孩政策”對中小學義務教育帶來了新的發(fā)展契機。根據(jù)教育部發(fā)布《2018年教育事業(yè)發(fā)展》顯示，我國受義務教育階段人數(shù)逐年上漲[1]。與此同時，國家大力投入基礎教育教學，推動基礎教育創(chuàng)新改革，越來越多創(chuàng)新的教學方式方法隨之出現(xiàn)，其中之一就是將虛擬現(xiàn)實技術應用于中小學實驗教學活動之中。

VR（Virtual Reality，即虛擬現(xiàn)實）技術隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展而誕生于20世紀50年代，其綜合了計算機圖形學、人機接口技術、傳感器技術、人工智能技術等多個領域技術，以計算機為模擬仿真系統(tǒng)生成可交互的三維環(huán)境并提供沉浸感覺的技術。

在信息高速發(fā)展、知識經(jīng)濟席卷全球的今天，教育信息化成為時代發(fā)展的必然需要。然而實際上，VR教育技術的應用還遠滯后于產(chǎn)業(yè)技術的發(fā)展，因而讓VR技術走進教育領域具有廣大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

將虛擬現(xiàn)實技術應用到中小學實驗教育教學中，根據(jù)義務教育階段新課程的要求，把抽象的學科知識與虛擬現(xiàn)實技術結合，通過視覺、聽覺、觸覺的切實體驗，將平面的知識立體化、模型化、實際化，以場景模擬的形式訓練學生動手動腦解決問題的能力，從而調(diào)動學生學習積極性。

1 虛擬現(xiàn)實技術在課堂教學中的優(yōu)勢

1.1 虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實是運用計算機技術對現(xiàn)實場景和氛圍進行模擬，構建一個與現(xiàn)實相似的場景進行相關模擬操作。虛擬現(xiàn)實技術的實現(xiàn)離不開計算機編程語言、3D建模、傳感器技術、人機交互等基礎知識的應用與結合，依賴于這些知識理論，可以構造一個仿真的實時情景，突破空間局限，結合視覺、聽覺、觸覺為體驗者帶來身臨其的體驗。

1.2 VR技術可模擬豐富的教具輔助教學

在實際課堂教學過程中，一些課程是需要準備相關實驗教具的，比如義務教育小學階段的科學課，該課程注重學生的動手能力和探索能力，要求通過實踐培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。又如中學階段的地理、物理、生物、化學等課程，都可以通過實驗增進學生的求知欲，加強學生觀察能力、探索能力的培養(yǎng)。在這類課程中，實驗教具在課堂中的使用頻率較高，因此如何規(guī)范恰當?shù)厥褂脤嶒灲叹邲Q定著課堂教學的高效性。

虛擬現(xiàn)實技術能夠形象的模擬展現(xiàn)各類教學場景，如地理學中行星的運轉(zhuǎn)軌道、生物科學中各類微小真菌、物理實驗中的實驗器材及化學課程上的物質(zhì)微觀變化等[2]。在地理課堂中，學生可以通過虛擬教學系統(tǒng)觀察晝夜交替、四季變化等內(nèi)容，通過放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，對虛擬顯示內(nèi)容進行各個角度的觀察、了解。相比較于傳統(tǒng)的地球儀，虛擬教學系統(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，使整個教學過程更加生動化、形象化和連貫化，從而完整的認知地球面貌。

1.3 VR技術可提供多種可能性，促進學生學習和探索

在物理及化學實驗教學中，學生正確地使用實驗器材，并保證實驗過程的安全是教師密切關注的內(nèi)容，教師要時刻叮囑學生在實驗中各類物品的使用及操作步驟。物理及化學實驗中，操作不當就有可能燒壞電流表、實驗試管炸裂等，教師想讓學生注意這些知識點又不能真的燒毀電流表、炸試管給學生看。虛擬現(xiàn)實技術就充當了重要的作用，可以將實驗器材在虛擬教學系統(tǒng)中進行形象的模擬，通過操作虛擬的實驗器材，讓學生自己動手發(fā)現(xiàn)錯誤，對知識點有一個真實的感受。學生自己去進行探索，發(fā)現(xiàn)更多實驗會出現(xiàn)的可能性，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題能力及探索能力。

在化學高錳酸鉀制取氧氣的實驗中，其注意事項就比較多，放置藥品的試管口是否存放棉花球、試管是否預熱、實驗結束時是否先移導管后移酒精燈等都會導致實驗的失敗。虛擬現(xiàn)實技術模擬真實實驗，在不同的情況下會有對應的實驗現(xiàn)象出現(xiàn)，如不塞棉花球會導致高錳酸鉀粉末隨氣體進入導管，使水槽中的水變成紫紅色;試管不預熱會導致試管炸裂;實驗結束時先熄滅酒精燈后移導管，伸入水槽一端的導管水倒吸，會炸裂試管等等。讓學生通過虛擬教學系統(tǒng)進行操作觀察，課后交流討論，對這些知識點有一個深刻的印象后，再進行實際操作，這時候?qū)W生就會自主規(guī)范操作，避免這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時避免了學校實驗器材的損壞及實驗器材開支，也保證了學生的安全。

1.4 VR技術可知識內(nèi)容簡單化可視化，便于理解

在物理教學中，磁感線、力的方向等內(nèi)容是不可見的，教師在給學生講述的時候很難直觀的去講述它們是怎樣的表示形態(tài)，通過繪圖工具進行繪圖會占據(jù)課堂的部分時間。虛擬現(xiàn)實技術可以三維立體直觀地展示輔助線及微觀粒子，讓學生形象的看到磁感線的方向、力的方向、分子的運動路徑及方向等等，讓抽象知識內(nèi)容可視化、簡單化，讓學生輕松的明白實驗的原理，教師無需過多的去進行知識的描述與講解。虛擬現(xiàn)實技術可以將物理教學中的光線、磁感線、力的方向等等表現(xiàn)出來[3]。如在凸透鏡成像實驗中，對光線進行模擬，讓學生清晰的知道光線是如何通過凸透鏡并成像的;在測量滑動摩擦力實驗中，對力的方向進行標注，便于學生理解摩擦力;在研究磁場的方向?qū)嶒炛?，模擬磁感線方向，讓學生清晰的知道磁鐵的磁場分布情況。知識清晰直觀的呈現(xiàn)，讓學生學習更輕松，教師教學更便捷。

2 VR教學輔助系統(tǒng)的設計

VR教學輔助系統(tǒng)主要是利用VR技術創(chuàng)建出具有真實感和沉浸感的虛擬課堂展示環(huán)境。系統(tǒng)采用Unity3D為開發(fā)引擎，利用C#語言進行開發(fā)，利用3ds? Max軟件構建場景中的模型。

2.1 虛擬現(xiàn)實教學輔助系統(tǒng)素材的構建

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

2.2 虛擬現(xiàn)實教學輔助系統(tǒng)場景搭建

利用前期收集、制作的參數(shù)信息及效果圖研究并構建虛擬教學的三維模型，進行場景建模，在3ds Max軟件中形成相關格式的文件，并導入Unity3D引擎中進行場景搭建。

2.3 人體與虛擬場景的仿真交互

將構建好的VR虛擬教學系統(tǒng)模型與個體動作指令仿真化交互，利用Unity3D引擎及C#語言實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互功能，在構建出的虛擬教學系統(tǒng)模型中插入觸發(fā)函數(shù)，做到人體能夠使用VR硬件設備控制教室中的設備、儀器相關變量的觸發(fā)。另外，VR交互設備的選擇也是做到軟件硬件相兼容進而達到可以控制的要點之一。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

3 結語

在中小學義務教育階段應用虛擬現(xiàn)實技術輔助教學，可以有效地激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習積極性，減少學生在傳統(tǒng)實驗課程學習中的不足，為廣大學生提供更有效的學習機會。虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)目前還不成熟，我們應密切關注其發(fā)展與在教育中的應用，協(xié)同推進，積極探索VR在教育中的應用，開展相關研究，發(fā)揮技術的應用作用。

參考文獻

[1] 教育部.2018年教育統(tǒng)計數(shù)據(jù)[EB/OL].（2019-08-08）.http：//www.moe.gov.cn/s78/A03/moe_560/jytjsj_2018/.

[2] 陳淑潔，仇星月，葉新東.基于虛擬現(xiàn)實技術的微格教學系統(tǒng)設計[J].實驗技術與管理，2018，35（4）：121-125.

[3] 高天寒，李穎.基于虛擬現(xiàn)實漢語言教學系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].網(wǎng)絡化與數(shù)字化，2018，8（5）：80-83.