基于VR技術(shù)學(xué)前兒童生理認(rèn)知模塊的應(yīng)用探析

程劍 徐劍

摘要：對(duì)學(xué)前兒童的生理認(rèn)知屬于形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件要求較高，學(xué)前教育實(shí)驗(yàn)室難以滿足教學(xué)需求。文章利用VR技術(shù)構(gòu)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)全真化模擬的虛擬平臺(tái)進(jìn)行研究，所有能在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)步驟都可以轉(zhuǎn)移至虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，全方位、立體化展示學(xué)前兒童的生理結(jié)構(gòu)，并對(duì)其各部分組成進(jìn)行互動(dòng)展示，學(xué)生可以自主操作，通過(guò)該虛擬平臺(tái)形象、直觀地學(xué)習(xí)學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的知識(shí)，以此來(lái)幫助學(xué)生獲得全面的認(rèn)知能力。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；學(xué)前兒童；生理結(jié)構(gòu)

隨著科技的不斷進(jìn)步，信息技術(shù)的發(fā)展日新月異，對(duì)人們的生活方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，同時(shí)也改變了人們的思維、學(xué)習(xí)方式等。因此，教育也走向了一個(gè)信息化時(shí)代，從傳統(tǒng)教學(xué)模式到網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)模式，從虛擬世界到模擬現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變。正是由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，讓教育的變革又迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

一、VR技術(shù)概述

VR技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是多媒體技術(shù)的最新應(yīng)用形式，是一種依賴于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，包括多媒體處理技術(shù)、圖形處理技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)及仿真技術(shù)等多領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)技術(shù)。它主要通過(guò)計(jì)算機(jī)三維實(shí)時(shí)圖形顯示、跟蹤定位的方式模擬虛擬環(huán)境，通過(guò)傳感技術(shù)等實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)和嗅覺(jué)，從而仿真出一個(gè)具有三維虛擬環(huán)境，同時(shí)擁有觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)的模擬世界。這個(gè)模擬世界可以通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的傳遞與交互。

VR技術(shù)能夠模擬出逼真的虛擬環(huán)境，同時(shí)通過(guò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)交互性，從而給人帶來(lái)一定的沉浸感和相關(guān)的感知。我們稱(chēng)這樣的特征為“三個(gè)I”，即Immersion（沉浸性）、Ineraction（交互性）、Imagination（構(gòu)想性）。

1.沉浸性

在虛擬環(huán)境下，人們有很好的參與感，感覺(jué)自己就參與在虛擬環(huán)境中，有種身臨其境的感受，從而可以有更好的用戶體驗(yàn)。相對(duì)于被動(dòng)狀態(tài)，VR技術(shù)的應(yīng)用可以提升參與者的積極性和主動(dòng)性，從而真正融入虛擬現(xiàn)實(shí)中，給人以最真實(shí)的感受。

2.交互性

交互性是VR技術(shù)帶來(lái)的樂(lè)趣，可以實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下的人機(jī)交互，并且這種交互可以帶來(lái)實(shí)時(shí)的反饋。改變以往鍵盤(pán)、鼠標(biāo)的操作，通過(guò)傳感器等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)多元化的交互與體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)身臨其境的真實(shí)感受。

3.構(gòu)想性

VR技術(shù)最大的特征就是通過(guò)計(jì)算機(jī)的相關(guān)技術(shù)使人感受到虛擬環(huán)境下的感知，進(jìn)而將人帶入更加逼真的情境。這也是VR技術(shù)希望實(shí)現(xiàn)的一種給人的認(rèn)知。

二、VR技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

VR技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，可以應(yīng)用于航天工業(yè)、醫(yī)學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬的3D游戲、虛擬的藝術(shù)繪畫(huà)等場(chǎng)景，這些應(yīng)用對(duì)于行業(yè)的發(fā)展有著重要作用。在教育中，VR技術(shù)能夠?qū)⒍嗝襟w技術(shù)再提升一個(gè)高度，通過(guò)將三維空間更加清晰地展現(xiàn)出來(lái)，從而使學(xué)習(xí)可以更加直接、自然地感受復(fù)雜和較難理解的領(lǐng)域。VR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于學(xué)習(xí)情境的創(chuàng)設(shè)，從而讓學(xué)習(xí)更具形象性和趣味性。VR技術(shù)又一次給教育帶來(lái)了新發(fā)展，學(xué)生可以通過(guò)VR多維度的認(rèn)知來(lái)學(xué)習(xí)和理解復(fù)雜的內(nèi)容。將VR技術(shù)應(yīng)用于仿真實(shí)驗(yàn)、虛擬教學(xué)及一些特殊的教育，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，VR技術(shù)是繼多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一項(xiàng)具有重要意義的教育變革。

1.仿真實(shí)驗(yàn)

在一些特殊的實(shí)驗(yàn)中，可能存在一些難以解決的問(wèn)題，如有危險(xiǎn)性、特殊性，實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴等，這時(shí)教師可以通過(guò)利用VR技術(shù)三維呈現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)，從而讓學(xué)生可以完成實(shí)驗(yàn)，掌握知識(shí)。教師可以通過(guò)VR技術(shù)構(gòu)建不同學(xué)科的虛擬實(shí)驗(yàn)室，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以有效節(jié)省教學(xué)開(kāi)支，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室里高效地學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，從而收到良好的學(xué)習(xí)效果。

2.技能培訓(xùn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域中的技能培訓(xùn)方面有著重要的促進(jìn)作用，可以讓學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)獲得快速的進(jìn)步與提高。VR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同技能的培訓(xùn)環(huán)境，從而完成技能培訓(xùn)任務(wù)。由于VR技術(shù)的虛擬環(huán)境安全性極高，感受也身臨其境般的逼真，給學(xué)生創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)，以達(dá)到培訓(xùn)的要求和目標(biāo)。

3.學(xué)習(xí)引導(dǎo)

在傳統(tǒng)的教學(xué)中，可能會(huì)涉及一些復(fù)雜的、假設(shè)的模型，這對(duì)于抽象能力差的學(xué)生理解起來(lái)比較有難度。而VR技術(shù)的應(yīng)用，可以將上述模型轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M現(xiàn)實(shí)，從而讓學(xué)生能夠更加清晰地、深刻地、形象地學(xué)習(xí)，掌握相關(guān)的模型體系，以完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。例如，常見(jiàn)的分子理論體系就可以通過(guò)VR技術(shù)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生探究分子的奧秘，從而啟發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。VR技術(shù)可以讓演示更加清晰、直觀，讓學(xué)生獲得真實(shí)的體驗(yàn)，從而幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。

總之，VR技術(shù)對(duì)于教育改革有著重要的推動(dòng)作用，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更加直接，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。

三、VR技術(shù)在學(xué)前兒童生理認(rèn)知模塊的應(yīng)用研究

1. VR技術(shù)在學(xué)前兒童生理認(rèn)知教學(xué)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)

VR技術(shù)在學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)的過(guò)程中起著非常重要的作用。學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)涉及很多的知識(shí)內(nèi)容，如細(xì)胞結(jié)構(gòu)、骨骼結(jié)構(gòu)、肌肉分布及血液環(huán)境等，這些內(nèi)容在傳統(tǒng)的教學(xué)中，只能在課堂上借助教材插圖和實(shí)驗(yàn)在顯微鏡下了解，或者通過(guò)視頻來(lái)了解學(xué)習(xí)。在此層面上了解的圖像，大多都是二維的，但是通過(guò)VR技術(shù)，能夠?qū)W(xué)前兒童的生理結(jié)構(gòu)構(gòu)建成三維的，對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)更加形象、生動(dòng)。學(xué)生可以身臨其境地看到鮮活的學(xué)前兒童的生理結(jié)構(gòu)，感受神秘的身體結(jié)構(gòu)，這種感官效果能更好地幫助學(xué)生理解抽象的知識(shí)點(diǎn)。

VR技術(shù)在學(xué)前兒童生理認(rèn)知教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用有以下三個(gè)優(yōu)勢(shì)。

（1）立體層次感強(qiáng)。

VR技術(shù)構(gòu)建的學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)可以給學(xué)生帶來(lái)更好的體驗(yàn)，三維效果的展示，讓學(xué)生更加全面、清晰地了解結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)VR技術(shù)能夠支持多層模型的構(gòu)建，將學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)全方位、多層次的展現(xiàn)，讓學(xué)生零距離的接觸，不受空間限制的自行學(xué)習(xí)與體驗(yàn)，給學(xué)生留下更加深刻的印象，從而提高學(xué)習(xí)效率。

（2）逼真的畫(huà)面效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)通過(guò)真實(shí)畫(huà)面的再現(xiàn)，能更加清晰地看到一些微觀的事物，同時(shí)能清晰地實(shí)現(xiàn)學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)的工作原理，這在以往的教學(xué)中是難以實(shí)現(xiàn)的。VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的逼真畫(huà)面比一般的視頻更有真實(shí)感，有更加逼真的體驗(yàn)感，同時(shí)VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真的效果能夠給學(xué)生帶來(lái)更多的感受，從而更好地幫助學(xué)生了解知識(shí)結(jié)構(gòu)，掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。

（3）豐富的交互方式。

VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)，不僅在視覺(jué)感官上有了更加逼真的效果，VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬結(jié)構(gòu)環(huán)境還可以設(shè)置更多的交互功能，如學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)的骨骼基礎(chǔ)如何構(gòu)建等情境再現(xiàn)，都增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性。正是這些虛擬的構(gòu)建及操作，可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中增加游戲環(huán)節(jié)、情境環(huán)節(jié)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)不再枯燥，而是有趣的學(xué)習(xí)，從而最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2. VR技術(shù)在學(xué)前兒童生理認(rèn)知模塊的構(gòu)建

VR技術(shù)能將現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)步驟轉(zhuǎn)移至虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，全方位、立體化地展示學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)，并對(duì)其各部分組成進(jìn)行互動(dòng)展示，學(xué)生可以自主操作。通過(guò)該虛擬平臺(tái)能夠?yàn)閷W(xué)生的視覺(jué)感官系統(tǒng)提供景象增強(qiáng)的功能，從而使學(xué)生在虛擬交互學(xué)習(xí)中與自身的所見(jiàn)所聞相結(jié)合，能更加形象、直觀地學(xué)習(xí)學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的相關(guān)知識(shí)。

構(gòu)建VR虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室的首要任務(wù)，就是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的3D模型。此過(guò)程分為DVS3D，Unity3D，VRP Builder等軟件的學(xué)習(xí)；實(shí)驗(yàn)室參數(shù)及設(shè)備參數(shù)的收集；虛擬實(shí)驗(yàn)室3D模型的構(gòu)建三步。第一步，需要學(xué)習(xí)VR模型開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和相關(guān)開(kāi)發(fā)軟件的使用，選擇與購(gòu)進(jìn)VR硬件設(shè)備所配套的軟件開(kāi)發(fā)；第二步，確定開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)室類(lèi)型，實(shí)地勘測(cè)獲取相關(guān)參數(shù)；第三步，根據(jù)收集到的參數(shù)研究并構(gòu)建出虛擬實(shí)驗(yàn)室的VR模型。

四、對(duì)VR課程教學(xué)的反思

VR技術(shù)給教育帶來(lái)了又一次的變革。VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實(shí)可以更好地引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)，VR技術(shù)帶來(lái)的逼真畫(huà)面，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)，甚至嗅覺(jué)，讓學(xué)生可以真實(shí)感受到身體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的震撼，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效率。文章只是對(duì)于學(xué)前兒童生理結(jié)構(gòu)虛擬環(huán)境構(gòu)建的初步研究，還有很多需要改進(jìn)之處，而VR技術(shù)全面應(yīng)用于本課程的教學(xué)還是存在很多困難的。

1. VR資源不足

首先，VR技術(shù)在本課程的應(yīng)用需要VR教學(xué)資源的支持，但是目前VR資源都非常有限，免費(fèi)的更加稀缺。如果每節(jié)課都要通過(guò)VR技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)完成，需要大量的VR課程的開(kāi)發(fā)，但是VR課程的開(kāi)發(fā)又依托于軟硬件，這些都需要投入大量的資金，也需要大量的相關(guān)人才，對(duì)于VR技術(shù)在本課程教學(xué)的全面應(yīng)用有很大的阻礙。其次，在終端方面，硬件設(shè)備仍然需要進(jìn)一步改進(jìn)，如VR眼鏡，需要解決長(zhǎng)時(shí)間佩戴不舒服的問(wèn)題，這些局限性都有待解決。

2.教師關(guān)于VR技術(shù)專(zhuān)業(yè)化培訓(xùn)存在問(wèn)題

VR技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于專(zhuān)業(yè)教師的綜合素質(zhì)有了更高的要求。一般教師都沒(méi)有對(duì)VR技術(shù)進(jìn)行培訓(xùn)過(guò)，因此VR技術(shù)在教學(xué)上的普及還需要一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)渡時(shí)期。由于VR課程制作好以后比較難修改，這就要求教師能有更好的學(xué)習(xí)能力，而很多教師的信息化能力不足，也不能積極地去掌握一門(mén)新的技術(shù)。因此，VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用還需要教師的專(zhuān)業(yè)化學(xué)習(xí)。

3.教師教學(xué)設(shè)計(jì)上的轉(zhuǎn)變

VR課程教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)有很大的不同，教師必須真正做到“以學(xué)生為主體，以實(shí)踐為中心”的教學(xué)思路。例如，教學(xué)重、難點(diǎn)的把握對(duì)教師提出了更高的要求。在VR課程中，如何運(yùn)用，如何引導(dǎo)學(xué)生去觀察和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，掌握新知識(shí)，從而在整體上掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。教師需要時(shí)間去轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

基金項(xiàng)目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目——基于VR技術(shù)學(xué)前兒童生理認(rèn)知模塊虛擬平臺(tái)的構(gòu)建（171237）。

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