例談虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)在數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

關(guān)珍

【摘 要】信息技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來了巨大的教育變革。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備能將數(shù)學(xué)實(shí)踐活動(dòng)搬入課堂。教師在教學(xué)中充分運(yùn)用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，不僅可以提高課堂教學(xué)效率，還可以為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供技術(shù)保障。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)（VR） 信息化 沉浸感 興趣 效率

一、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備創(chuàng)設(shè)有帶入感的教學(xué)情境

隨著課程改革的深入，數(shù)學(xué)的課堂教學(xué)也發(fā)生了很大的變化。首先，改變了就題說題、脫離實(shí)際的問題，所有版本的教材都采用情境教學(xué)法。在傳統(tǒng)的情境導(dǎo)入中，教師往往采用的方法就是圖片展示，在這種情況下，學(xué)生能有感受但不會(huì)融入這些情境中。如果應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備則不同。比如，在“比例的意義和基本性質(zhì)”的教學(xué)中，教材的情境是關(guān)于啤酒生產(chǎn)加工工藝的內(nèi)容。對于這個(gè)工藝，學(xué)生沒有感知，產(chǎn)生不了共鳴。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備能有效地解決這個(gè)問題。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備中有啤酒生產(chǎn)的立體視頻，還有不同的生產(chǎn)原料的介紹、數(shù)量等內(nèi)容。借助虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備的手柄，學(xué)生可以自主選擇不同數(shù)量的原料進(jìn)行配比，比如選擇50克的啤酒花選配1000克的水。原本抽象而又遠(yuǎn)離學(xué)生生活實(shí)際的情境變得生動(dòng)、有趣。學(xué)生能夠參與、融入的情境才是有效的情境。學(xué)生通過設(shè)備進(jìn)行2～3分鐘的參觀，就會(huì)對本課所學(xué)的研究方向有整體全面的了解。這樣既提高了情境的使用效率，又有效地節(jié)省了教師介紹、說明的時(shí)間，不僅能有效提高教學(xué)效率，還能提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備實(shí)現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)真實(shí)、動(dòng)態(tài)的展示

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備獨(dú)有的特點(diǎn)是立體、真實(shí)的呈現(xiàn)效果。數(shù)學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力。對小學(xué)生而言，抽象思維能力的培養(yǎng)是一個(gè)逐步提升的過程。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師也嘗試用數(shù)形結(jié)合的方法提升學(xué)生的抽象思維能力，但這種方法對部分抽象思維能力中等以及偏下的學(xué)生的改變效果不明顯。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備能有效地改善這個(gè)問題。比如，在教學(xué)“雞兔同籠”的問題時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法就是課件或者畫圖。這兩種方式都是讓學(xué)生看教師的演示，但部分學(xué)生始終無法將圖片和實(shí)際減少的數(shù)量對應(yīng)起來。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備中有一個(gè)停車場，停車場中存放著二輪電動(dòng)車和四輪汽車兩種車輛。教師可以讓學(xué)生研究停車場車輪和數(shù)量的關(guān)系。戴上虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）頭套后，學(xué)生就置身在停車場中，可以用手柄拖動(dòng)汽車和電動(dòng)車進(jìn)行一一列舉。在列舉的過程中，學(xué)生可以有效地將汽車4個(gè)輪子、電動(dòng)車2個(gè)輪子相對應(yīng)，發(fā)現(xiàn)只要拿錯(cuò)了一輛車，就會(huì)產(chǎn)生2個(gè)輪子的差異，從而發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的輪子總數(shù)與已知輪子總數(shù)的差異于每一輛的輪子差異數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備呈現(xiàn)立體空間

空間與圖形領(lǐng)域一直是學(xué)生數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。年齡、生活經(jīng)驗(yàn)等的限制，導(dǎo)致學(xué)生數(shù)學(xué)素養(yǎng)形成的過程中空間想象能力發(fā)展得最慢。學(xué)習(xí)“立體圖形”時(shí)，有很多物體的實(shí)物圖，學(xué)生根本就沒有見過，比如經(jīng)?？疾榈幕鸩窈袉栴}。這個(gè)火柴盒既有內(nèi)盒，又有外盒，這在計(jì)算表面積的時(shí)候會(huì)給學(xué)生造成很大的困擾。對于這些立體圖形的實(shí)物，學(xué)生要想全部找齊，也不是件容易的事。如果用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備來呈現(xiàn)，這些問題就會(huì)變得很簡單。學(xué)生通過設(shè)備能看到火柴盒打開、合并的全過程，就像是自己拿著實(shí)物在操作一樣。清晰、直觀的視頻，使每個(gè)學(xué)生都能學(xué)會(huì)。在教學(xué)“長方體的表面積”時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，學(xué)生往往并不需要計(jì)算所有的面。比如，在計(jì)算粉刷墻壁面積的問題中，有時(shí)要刷四面和房頂，有時(shí)只刷四面墻，并且墻上的黑板、門窗等都要去掉。在這種情況下，很多學(xué)生理解不了。這時(shí)，如果用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備來展示，我們就能非常完美地呈現(xiàn)出不同的情況。學(xué)生仿佛身處不同的教室中，通過觀察，解決不同問題。立體圖形的一個(gè)難點(diǎn)問題就是正方體的側(cè)面展開圖。由立體圖形變化為平面圖形時(shí)，圖形的形狀發(fā)生了變化，但由于打開方式的不同，得到的側(cè)面展開圖也就不同。學(xué)生靠單純的空間想象，基本無法把所有的展開圖對應(yīng)地想明白。這時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備可以把展開的過程，動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)出來，畫面從某一條棱出發(fā)，沿著某一方向展開，展開后的圖像就展示得清清楚楚了。在圖形展開的過程中，學(xué)生可以隨時(shí)按鍵暫停，想象、繪制出展開圖。在這部分的教學(xué)中，教師讓學(xué)生看一看，比教師自己反復(fù)強(qiáng)調(diào)、反復(fù)講都有用。這也充分體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)對教學(xué)的輔助作用。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂

隨著課程改革的深入，學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)顯得尤為重要。由虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)支持的翻轉(zhuǎn)課堂全面提升了課堂的互動(dòng)性，具體表現(xiàn)在教師和學(xué)生之間以及學(xué)生與學(xué)生之間。教師采用“翻轉(zhuǎn)課堂”模式，讓學(xué)生在家通過虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備先完成學(xué)習(xí)，使課堂變成教師和學(xué)生之間互動(dòng)的場所，包括答疑解惑、完成作業(yè)等，從而達(dá)到更好的教育效果。由于新科技讓知識(shí)的傳授變得便捷和容易，教師可以改變教學(xué)模式，把教學(xué)重心和時(shí)間放到第二步，換言之，就是把“吸收內(nèi)化”這一重要的過程放在課堂時(shí)間上。當(dāng)教師更多地成為指導(dǎo)者而非內(nèi)容的傳遞者時(shí)，我們也有機(jī)會(huì)觀察到學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)。學(xué)生在數(shù)學(xué)的預(yù)習(xí)中遇到的最大障礙是對新接觸的概念理解不了，從而無法學(xué)習(xí)下去。

我們傳統(tǒng)的視頻、課件的預(yù)設(shè)，需要把所有的知識(shí)點(diǎn)都呈現(xiàn)給學(xué)生。這就存在兩個(gè)問題：一是對于學(xué)生能夠自己發(fā)現(xiàn)、自己解決的問題，輔助軟件都過早地呈現(xiàn)了出來，這樣，學(xué)生思考的深度就會(huì)受到制約;二是學(xué)生需要的知識(shí)呈現(xiàn)不出來。用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備做的程序，有很強(qiáng)的隱藏性。需要備注、說明的概念和知識(shí)點(diǎn)可以制作成觸碰就顯示講解、不需要出現(xiàn)時(shí)就會(huì)自動(dòng)隱藏的程序。比如在航空母艦的情境中學(xué)習(xí)“三位數(shù)乘兩位數(shù)”的計(jì)算。如果虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）程序展示一艘航空母艦，學(xué)生戴上設(shè)備后就會(huì)產(chǎn)生登上航母的沉浸式感受，真實(shí)感會(huì)極大提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。絕大多數(shù)學(xué)生登上航母后會(huì)到處去看看，他們可以走進(jìn)機(jī)庫看戰(zhàn)斗機(jī)，也可以看艦島上的指揮系統(tǒng)。隨著參觀腳步的深入，學(xué)生學(xué)習(xí)的心態(tài)就會(huì)逐漸沉靜下來，學(xué)習(xí)也就成為自然而然的事情。當(dāng)指針指在戰(zhàn)斗機(jī)上，程序就會(huì)彈出戰(zhàn)斗機(jī)的說明。在機(jī)庫看到排列整齊的戰(zhàn)斗機(jī)（每行有12架，擺放了18行）時(shí)，程序就會(huì)提出一共有多少臺(tái)戰(zhàn)斗機(jī)的問題。在自主探究豎式計(jì)算的過程中，學(xué)生可以借助戰(zhàn)斗機(jī)擺放圖，走進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)陣數(shù)一數(shù)，找出計(jì)算方法：可以先算8行戰(zhàn)斗機(jī)有多少架，再算10行戰(zhàn)斗機(jī)有多少架，最后再將其相加。身臨其境地?cái)?shù)一數(shù)、算一算有利于輔助學(xué)生理解。對于沒有思路、自主解決不了問題的學(xué)生，教師就可以讓學(xué)生點(diǎn)開說明進(jìn)行學(xué)習(xí)。

五、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備將實(shí)踐活動(dòng)搬入課堂

數(shù)學(xué)課程每學(xué)期都會(huì)有兩個(gè)實(shí)踐活動(dòng)，這些實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)初衷是讓學(xué)生把所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用。但是，這些活動(dòng)往往都不能在學(xué)校完成，受地域限制，很多學(xué)生在沒有教師幫助下都無法完成。有了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備，教師就不再有這種苦惱。我們可以把超市、市場搬入教室，讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中付款買自己想要買的東西;用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備制造出立體、動(dòng)感的統(tǒng)計(jì)圖表。在“遨游太空”實(shí)踐活動(dòng)中，太空給我們呈現(xiàn)的是一個(gè)神秘而陌生的世界，如何感受身體在太空中的感覺是很多人夢寐以求的事情。通過虛擬現(xiàn)實(shí)制作的虛擬空間，我們可以進(jìn)入這個(gè)虛擬的空間去感受宇宙里的奧妙;可以體會(huì)人體在失重狀態(tài)下的感受;可以在月球上做石頭和羽毛同時(shí)著地的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證伽利略的結(jié)論——在真空的條件下，重物的下降速度相等;也可以觀察太陽系中行星的面貌和運(yùn)動(dòng)情況。數(shù)學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)的目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，在傳統(tǒng)教學(xué)中，受教學(xué)形式的限制，我們只能完成其中的數(shù)學(xué)任務(wù)，無法使學(xué)生達(dá)到科學(xué)、藝術(shù)、收集處理信息等能力的提升。比如綜合實(shí)踐活動(dòng)“桿高和影長的比例關(guān)系”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際生活中做，很難成功。學(xué)生的測量能力有限，對時(shí)間、天氣等因素的控制也很困難。在教學(xué)中，我們選擇了實(shí)驗(yàn)和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）展示相結(jié)合的方法，在課堂上也讓學(xué)生動(dòng)手操作，記錄下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)后，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)桿高和影長是根本不成比例的。學(xué)生對這部分知識(shí)沒有經(jīng)驗(yàn)，他們只會(huì)相信自己測量的結(jié)論，從而形成錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。所以，在這部分教學(xué)中，教師很少讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。有了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）就不同了，我們可以先讓學(xué)生觀看虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）里的實(shí)驗(yàn)過程，在學(xué)生形成正確的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)后，再讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)跟演示數(shù)據(jù)不同時(shí)，學(xué)生就會(huì)明白這是由實(shí)驗(yàn)誤差所造成的。

對虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備的使用，我們還在起步階段，特別是對虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）配套教學(xué)軟件的開發(fā)，還達(dá)不到覆蓋每一個(gè)課例的程度，需要在今后的教學(xué)中不斷學(xué)習(xí)和提高。但是，只要我們?nèi)ナ褂盟?，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）必將帶給我們驚喜。