虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的特征

吳榮華 周萍 嚴(yán)曉梅 吳茜

【摘要】通過分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)的涵義和特征，結(jié)合對虛擬現(xiàn)實在教學(xué)中使用的研究，整理出虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的特征，運(yùn)用理論基礎(chǔ)對結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的案例進(jìn)行驗證性分析，得出具體的教學(xué)價值點及適用的知識類型，最后結(jié)合VR的特征對知識類型進(jìn)行延伸歸納。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實 特征 教學(xué)價值點

一、引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualRealityTechnology）是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，迅速在各個領(lǐng)域被應(yīng)用，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用時，教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)方式將得到顛覆，學(xué)生與教學(xué)內(nèi)容的互動通過技術(shù)在虛擬的環(huán)境中得以體現(xiàn)，加強(qiáng)了課堂中的沉浸性、情境性和互動性，在實際教學(xué)中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)是對知識信息進(jìn)行呈現(xiàn)、對教學(xué)活動進(jìn)行輔助作用，優(yōu)化學(xué)生對學(xué)習(xí)知識的過程和優(yōu)化學(xué)習(xí)情境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用，本質(zhì)體現(xiàn)在技術(shù)和教育的相互作用、相互驅(qū)動。在課堂上對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，不僅會轉(zhuǎn)變師生的觀念與教學(xué)的方式，還會促進(jìn)教育教學(xué)的整體改革，在學(xué)校課堂教學(xué)中會得到更多的應(yīng)用。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)介紹

1.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的涵義

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality，VR）通常簡稱“VR”，是運(yùn)用計算機(jī)來模擬出現(xiàn)實和非現(xiàn)實的三維場景，使用者利用視覺、聽覺、觸覺、味覺等多感官來體驗虛擬場景里的事物，同時可以通過自然語言、肢體語言等進(jìn)行實時互動，創(chuàng)造出一個人適化的多維信息空間[1]。它讓使用者可以對一些不能親身觀察的物體從一個感性的認(rèn)識，因為有了身臨其境的觀察體驗，變成了更為理性的體驗。

2.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

BurdeaG和PhilippeCoiffet使用三個“I”來定義虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征，分別為沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination），3I特征的這一觀點得到了較多研究者的認(rèn)同。

（1）沉浸性（Immersion）

是利用計算機(jī)創(chuàng)建出一種虛擬的三維立體環(huán)境，帶給使用者一種身臨其境的感覺，感受到自己是虛擬世界中的一部分，同時讓使用者從觀察者到參與者身份的轉(zhuǎn)變，在使用過程中更具有主動性。沉浸性是來至于虛擬環(huán)境中存在的多重表征和感官刺激，除了我們常見的視覺感知、聽覺感知之外，還有觸覺感知、、嗅覺感知、運(yùn)動感知等[6]，所以沉浸性指的是虛擬現(xiàn)實環(huán)境的逼真性和多種刺激表征的特性。同時沉浸性還來至于虛擬環(huán)境的另一特征——交互性。

（2）交互性（Interaction）

是指使用者不用借助鼠標(biāo)、鍵盤等硬件，而是通過系統(tǒng)來探測使用者的輸入信號，通過多重感官給予使用者回應(yīng)，以自然方式和虛擬環(huán)境進(jìn)行互動，讓使用者感覺就像在真實環(huán)境中一樣。通過用手直來“操縱”虛擬環(huán)境中的物體，同時得到力量反饋的觸覺反饋，交互性指的是虛擬環(huán)境中的自然交互方式和人際互動特點?！俺两浴焙汀敖换バ浴北徽J(rèn)為是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最普遍也最為重要的兩個特征。

（3）想象性（Imagination）

是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)把理性與感性相結(jié)合，創(chuàng)建出人為想象的場景或事物，幫助人們思考和想象現(xiàn)實世界中不存在的事物，提高感性和理性認(rèn)識，促使人們深化概念，引發(fā)新的聯(lián)想。

以上3I的特征，更多的是從技術(shù)的角度來分析VR的特征點，然而，當(dāng)VR技術(shù)真正用于教學(xué)時，其3I特征會有所改變，在不同知識類型中使用時呈現(xiàn)出不同的教學(xué)價值點。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的特征體現(xiàn)

VR作為技術(shù)和工具的結(jié)合體，在很多領(lǐng)域都有涉及，對教育的進(jìn)步起到一個很好的推動作用，VR技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)中，改進(jìn)了原來的教學(xué)模式，同時也為教師提供一種全新的教學(xué)手段，為學(xué)生提供一個更高層次的學(xué)習(xí)方式，特別是在構(gòu)造教學(xué)模型，分析教學(xué)數(shù)據(jù)、人機(jī)交互方面及對知識的概念認(rèn)知方面，教學(xué)的萃取率大大的得到了提升，改善了教育教學(xué)的效果，呈現(xiàn)了相當(dāng)有利的特征。

1.真實比例模擬現(xiàn)實（第一人稱視角）

指的是按照真實比例對現(xiàn)實進(jìn)行高仿真度的模擬，同時保證學(xué)習(xí)者進(jìn)入VR場景后，以第一人稱視角進(jìn)行體驗和交互，如同進(jìn)入一個真實的環(huán)境中學(xué)習(xí)。

（1）體現(xiàn)的教學(xué)價值點：

模擬無法直接看到的，但是客觀存在的場景，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)情境，建立對知識的感性認(rèn)知，同時還能完成實地操練，減輕教學(xué)成本負(fù)擔(dān)，還能兼顧學(xué)習(xí)者的安全問題。

（2）適用的知識類型：

【實地考察類】生態(tài)環(huán)境考察、動植物生活環(huán)境考察、某地區(qū)的水域考察、人文地理環(huán)境考察、建筑群落考察。

【災(zāi)難體驗】地震、火山爆發(fā)、海嘯等災(zāi)難性的體驗。

【語言學(xué)習(xí)】外語口語操練。

2.縮放現(xiàn)實模擬（第一人稱視角）

與真實比例模擬現(xiàn)實相對應(yīng)，指的是對微觀和宏觀世界的放大和縮小，將兩個生活中難以直接觀察的世界在VR中進(jìn)行虛擬縮放，其中還需確保學(xué)習(xí)者以第一人稱視角進(jìn)行觀看。

（1）體現(xiàn)的教學(xué)價值點

利用VR虛擬縮放的功能，將微觀世界的動態(tài)變化以第一人稱視角呈現(xiàn)出來（放大），當(dāng)學(xué)習(xí)者以參與者的身份“親身經(jīng)歷”，把原本通過客體觀察以強(qiáng)迫記憶的知識，轉(zhuǎn)變成主觀主動經(jīng)歷的知識，使得學(xué)習(xí)者編碼的材料和手段更加豐富，后期可供提取的記憶線索也更多，從而鞏固和加深了記憶。

（2）適用的知識類型

【微觀變化類】化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)、動植物生理變化（植物生長、光合作用等）、人體血液、消化、呼吸系統(tǒng)、物理微觀變化（如噴射機(jī)原理、蒸發(fā)過程等）。

3.縮放現(xiàn)實模擬（第一人稱視角）

指的是對微觀和宏觀世界的放大和縮小，將兩個生活中難以直接觀察的世界在VR中進(jìn)行虛擬縮放，其中還需確保學(xué)習(xí)者以第一人稱視角進(jìn)行觀看。

（1）體現(xiàn)的教學(xué)價值點

VR虛擬縮放功能提供微觀、宏觀世界實地考察的機(jī)會，化平日不可見的事物為可見，增加學(xué)生學(xué)習(xí)樂趣，為學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識創(chuàng)設(shè)情境。

（2）適用的知識類型

【微觀物質(zhì)的觀察體驗】細(xì)菌、細(xì)胞、分子、原子結(jié)構(gòu)的觀察。

【宏觀物體的觀察體驗】宇宙場景、太陽系、行星地表的觀察。

4.接近自然方式的交互（簡單交互）

指的是利用技術(shù)達(dá)到最接近真實情境的交互方式，此處多指眼球追蹤。

（1）體現(xiàn)的教學(xué)價值點

學(xué)習(xí)者與VR情境中物件可完成，如點擊、查看、拖動、旋轉(zhuǎn)等簡單互動，由學(xué)習(xí)者自行控制學(xué)習(xí)內(nèi)容和進(jìn)程，提高了學(xué)習(xí)者的自主性，同時新穎的互動形式增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)和興趣。

（2）適用的知識類型

無明確的知識需求，作為資源設(shè)計的一個普遍訴求適用于任何知識點。

5.三維成像

這類特征主要是針對VR的3D模型。

（1）體現(xiàn)的教學(xué)價值點

化2D畫面為立體，還原事物的3D本質(zhì)，促進(jìn)三維知識點的理解，3D模型呈現(xiàn)出事物的細(xì)節(jié)特征，學(xué)生可從不同角度對同一事物進(jìn)行全方位觀察，輔助發(fā)展學(xué)生的空間能力和想象能力。

（2）適用的知識類型

【事物結(jié)構(gòu)性特征】生物學(xué)科中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、化學(xué)學(xué)科中的原子結(jié)構(gòu)、語文和美術(shù)中的建筑結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)學(xué)科中的復(fù)雜立體幾何結(jié)構(gòu)、理科實驗器材結(jié)構(gòu)。

6.真實比例模擬現(xiàn)實（第一人稱視角）

按照真實比例對現(xiàn)實進(jìn)行高仿真度的模擬，同時保證學(xué)習(xí)者以第一人稱視角進(jìn)入VR場景進(jìn)行體驗和交互。

（1）體現(xiàn)的教學(xué)價值點

通過VR的模擬特征，讓學(xué)習(xí)者以第一人稱視角進(jìn)入VR場景進(jìn)行體驗和交互，以第一人稱接受到更強(qiáng)烈的情感沖擊和體驗，幫助學(xué)生更好的達(dá)成情感目標(biāo)。

（2）適用的知識類型

【需情感共鳴的知識】語文中需要學(xué)生體會情感的課文（如：火燒圓明園、宇宙中的地球、長城等）、歷史大事件（如：抗日戰(zhàn)爭、秋收起義、武昌起義、長征、解放戰(zhàn)爭等）。

7.復(fù)寫現(xiàn)實（全景圖/視頻）

特指利用360°全景圖片或視頻，對現(xiàn)實進(jìn)行百分百的真實復(fù)寫。

（1）體現(xiàn)的教學(xué)價值點

以全景圖/視頻的方式還原真實場景，有利于學(xué)習(xí)者建立文本知識與真實生活場景的聯(lián)系，喚醒學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和對知識的直觀感受。

（2）適用的知識類型

【估算能力培養(yǎng)】體積估算、大小估算；

【可見單位概念知識】丈量單位的學(xué)習(xí)（公頃、平方千米、立方米）；

【需對真實場景進(jìn)行講解的知識】地理學(xué)科的地形地貌（如青藏高原、黃土坡、溶洞等特殊地形地貌）、現(xiàn)存建筑的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)（如頤和園、埃菲爾鐵塔、金字塔）。

8.數(shù)據(jù)引擎功能（反饋）

此處數(shù)據(jù)引擎指的是，在VR場景中能夠?qū)τ脩舻娜魏尾僮?，通過數(shù)據(jù)、文字、語言、甚至是整個場景的動態(tài)變化進(jìn)行及時的數(shù)據(jù)反饋。

（1）體現(xiàn)的教學(xué)價值點

通過實時展現(xiàn)、評價反饋，幫助學(xué)習(xí)者隨時了解個人的學(xué)習(xí)情況（以語言、文字、數(shù)據(jù)或是動畫的方式進(jìn)行直觀呈現(xiàn)），在實驗類的VR情境中通過數(shù)據(jù)引擎的動態(tài)模擬反饋，讓觀看者觀察到更豐富的實驗現(xiàn)象，激發(fā)認(rèn)知沖突，幫助學(xué)習(xí)者及時調(diào)整實驗策略，對真實實驗的操作做出實時反饋，讓學(xué)習(xí)者進(jìn)行較危險的實驗操作，規(guī)避教學(xué)風(fēng)險。

（2）適用的知識類型

評價反饋功能適合知識點面比較廣，作為資源設(shè)計的普遍訴求，對復(fù)雜的數(shù)據(jù)引擎功能都有需求，比較適用于實驗探索類知識的預(yù)習(xí)、鞏固和訓(xùn)練，如：化學(xué)、物理、生物的虛擬實驗探究、組裝飛機(jī)/高精機(jī)器的訓(xùn)練、飛機(jī)/動車駕駛等技能性培訓(xùn)、尸體解剖等。

四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的具體應(yīng)用

目前，國際上把虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在教育方面，主要集中在結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的課堂教學(xué)、以及醫(yī)學(xué)、工程、地理、生物等具體應(yīng)用的學(xué)科領(lǐng)域。國內(nèi)現(xiàn)在則集中在虛擬現(xiàn)實理論探索、資源建設(shè)等方面。

但大部分的研究主要是圍繞著三大核心要素進(jìn)行，對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課堂上面的具體應(yīng)用方面，比如適合VR技術(shù)的教學(xué)方法、學(xué)習(xí)對象、教學(xué)效果以及具體的教學(xué)價值點等方面的研究還不夠多，下面的案例主要從以下幾方面進(jìn)行實際的探究，以求能夠更好地指導(dǎo)在實際課堂上面的應(yīng)用，更充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的價值與優(yōu)勢。

案例分析，利用VR復(fù)寫現(xiàn)實能力特征，幫助學(xué)生建立對丈量單位的感性認(rèn)知。

1.案例具體形式介紹

案例知識為蘇教版五年級數(shù)學(xué)上冊《認(rèn)識公頃和平方千米》，VR資源形式為360°實景圖。本節(jié)課中所對應(yīng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)是：了解常用的土地面積單位公頃和平方千米；理解一平方千米/一公頃的實際含義。課程中涉及的“公頃”和“平方千米”是個較大的面積單位，一般用于計量大面積的土地，相比較平方厘米、平方分米、平方米的認(rèn)識來說，要讓學(xué)生正確把握它的大小概念，在平常的教學(xué)中非常不容易，所以在教學(xué)過程中，怎么幫助學(xué)生建立對丈量單位的感性認(rèn)知，是這節(jié)課上要突破的一個重點和難點。

案例通過VR技術(shù)創(chuàng)造出虛擬環(huán)境，讓學(xué)生坐在教室里真切的感受一公頃、一平方千米到底有多大，正確來把握它們的大小概念。

2.具體的教學(xué)環(huán)節(jié)

（1）平視角度實景定點對比觀察

讓學(xué)生通過VR眼鏡定點升旗臺位置，找到用白色線標(biāo)注圍成四邊形的升旗臺（感受一平米的大?。?，再讓學(xué)生找到用紅色線標(biāo)注圍成四邊形的草地或展示臺（感覺一公頃的大?。┖鸵黄椒矫椎拇笮∵M(jìn)行對比。通過對VR技術(shù)創(chuàng)造出的虛擬環(huán)境，豐富了教學(xué)實景體驗，突破課堂的時空局限，再通過2種虛擬環(huán)境的對比觀看，讓學(xué)生直觀的體會一公頃的實際大小，正確把握公頃的大小概念。

（2）俯視角度實景對比觀察（上帝視角）

讓學(xué)生換個角度，通過VR眼鏡從空中俯視廣場的實景圖，更直觀的對升旗臺（一平方米）和草地（一公頃）的面積大小進(jìn)行對比觀察。借助VR技術(shù)通過上帝視角觀察實景3D場景，讓學(xué)生得到更好的沉浸式逼真視覺，減少了平視中的失真性，更好的幫助學(xué)生體會一公頃的實際大小，發(fā)展了學(xué)生的空間觀念和數(shù)學(xué)思考，提高了學(xué)生的數(shù)感。

3.基于理論基礎(chǔ)的VR技術(shù)的教學(xué)價值分析

基于概念性知識的學(xué)習(xí)機(jī)制和過程，概念性知識的學(xué)習(xí)需要一定的內(nèi)外部學(xué)習(xí)條件作為學(xué)習(xí)的前提和基礎(chǔ)，而心理模型與文本模型間的沖突和重組同化的過程，是概念性知識學(xué)習(xí)的基本過程，公頃和平方千米是兩個概念性知識，從概念性知識的學(xué)習(xí)機(jī)制和過程來看，該VR案例在資源設(shè)計上創(chuàng)造了概念性知識的學(xué)習(xí)條件，同時提供了學(xué)習(xí)過程的策略支持。

（1）學(xué)習(xí)條件的體現(xiàn)

A.360°+VR眼鏡新穎的資源形式

新穎的資源形式將學(xué)生從教學(xué)活動中喚醒，使學(xué)生處于積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)中，提升了學(xué)生注意力，同時促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，這對需要注意力高度集中的概念性知識學(xué)習(xí)非常重要。

B.恰當(dāng)有效的知識呈現(xiàn)方式

有效的知識呈現(xiàn)方式，幫助學(xué)生通過對知識進(jìn)行有效的內(nèi)部加工和編碼，促進(jìn)了對知識的掌握，一公頃和一平方千米在生活中都客觀存在，但以個人正常視角難以完整觀察，因此，利用360°全景圖片的呈現(xiàn)方式最為合適，它既是一副完整的畫面，同時允許學(xué)生全方位的觀察，讓學(xué)生通過體驗，實現(xiàn)對信息的深度加工，從而最終促進(jìn)他們對知識的掌握。

（2）學(xué)習(xí)過程的體現(xiàn)

資源以學(xué)生都非常熟悉的廣場的360°圖片為主要內(nèi)容，結(jié)合需要學(xué)習(xí)的新知識點（公頃），引導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行知識的同化，構(gòu)建新知識非常熟悉的廣場圖片，調(diào)用了學(xué)生的心理模型，通過圖片對文本模型公頃進(jìn)行標(biāo)注，讓學(xué)生通過對比，來發(fā)現(xiàn)自己的心理模型和文本模型的異同，形成認(rèn)知上的對比和沖突，從而刺激學(xué)生對知識進(jìn)行重組，從而完成心理模型和文本模型的同化。

基于比較教學(xué)法分析，比較教學(xué)法有助于學(xué)生認(rèn)識事物的本質(zhì)性質(zhì)，對于概念性知識多涉及本質(zhì)概念，公頃和平方千米就是這類概念的代表，案例靈活運(yùn)用比較教學(xué)法，擴(kuò)展學(xué)生思維來增強(qiáng)學(xué)生印象，在進(jìn)行VR教學(xué)時，教師通過一平方米一公頃的面積大小進(jìn)行對比性教學(xué)，使學(xué)生明晰知識點間的差異性，從而通過對其差異性的把握，實現(xiàn)由一到二、由少到多的知識積累，擴(kuò)展了學(xué)生的思維，利用已有的一平方米的空間大小經(jīng)驗，進(jìn)行選擇性的比較，提供了更形象和概括性的表象支撐，從而做到深入地理解和牢固地掌握。

4.適用知識延伸

通過對VR課例的知識內(nèi)容、教學(xué)價值和資源形式方面進(jìn)行總結(jié)，可以延伸形成使用相同資源設(shè)計和教學(xué)方法，便于形成一套標(biāo)準(zhǔn)，方便找到更多適合使用VR的知識點。課例公頃、平方千米屬于丈量單位性概念，且是現(xiàn)實生活中客觀存在的、可見的、宏觀的單位性概念，根據(jù)以上分析歸納得出對應(yīng)的知識類型，如體積（立方米）、長度（公里、里）等，都適合使用此種教學(xué)設(shè)計方法和VR資源形式，來使虛擬現(xiàn)實技術(shù)更好的融合到教學(xué)中，體現(xiàn)出真正的教學(xué)價值。

五、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育教學(xué)的融合，必然會發(fā)揮其巨大優(yōu)勢，推進(jìn)教學(xué)改革的發(fā)展，但更多的研究還是要從實際應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征應(yīng)用到課堂中來，從教學(xué)價值點方面進(jìn)行課堂的設(shè)計，以便更好的幫助教師和學(xué)生，虛擬現(xiàn)實在教學(xué)中更多價值體現(xiàn)有待發(fā)掘，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用水平的提升，希望虛實融合的教學(xué)環(huán)境中所面臨的問題能夠逐步得到有效解決。

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