虛擬現(xiàn)實技術在教學中的特征

◆吳榮華 周萍 嚴曉梅 吳茜

(福建省華漁教育科技有限公司)

一、引言

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

二、虛擬現(xiàn)實技術介紹

1.虛擬現(xiàn)實技術的涵義

虛擬現(xiàn)實技術(VirtualReality，VR)通常簡稱“VR”，是運用計算機來模擬出現(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)實技術的特征

BurdeaG和PhilippeCoiffet使用三個“I”來定義虛擬現(xiàn)實技術的基本特征，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同。

(1)沉浸性(Immersion)

是利用計算機創(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、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，以自然方式和虛擬環(huán)境進行互動，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。“沉浸性”和“交互性”被認為是虛擬現(xiàn)實技術最普遍也最為重要的兩個特征。

(3)想象性(Imagination)

是運用虛擬現(xiàn)實技術把理性與感性相結合，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，更多的是從技術的角度來分析VR的特征點，然而，當VR技術真正用于教學時，其3I特征會有所改變，在不同知識類型中使用時呈現(xiàn)出不同的教學價值點。

三、虛擬現(xiàn)實技術在教學中的特征體現(xiàn)

VR作為技術和工具的結合體，在很多領域都有涉及，對教育的進步起到一個很好的推動作用，VR技術應用在教學中，改進了原來的教學模式，同時也為教師提供一種全新的教學手段，為學生提供一個更高層次的學習方式，特別是在構造教學模型，分析教學數(shù)據(jù)、人機交互方面及對知識的概念認知方面，教學的萃取率大大的得到了提升，改善了教育教學的效果，呈現(xiàn)了相當有利的特征。

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)實進行高仿真度的模擬，同時保證學習者進入VR場景后，以第一人稱視角進行體驗和交互，如同進入一個真實的環(huán)境中學習。

(1)體現(xiàn)的教學價值點：

模擬無法直接看到的，但是客觀存在的場景，為學習者創(chuàng)設情境，建立對知識的感性認知，同時還能完成實地操練，減輕教學成本負擔，還能兼顧學習者的安全問題。

(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。

【災難體驗】地震、火山爆發(fā)、海嘯等災難性的體驗。

【語言學習】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，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中進行虛擬縮放，其中還需確保學習者以第一人稱視角進行觀看。

(1)體現(xiàn)的教學價值點

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)，當學習者以參與者的身份“親身經(jīng)歷”，把原本通過客體觀察以強迫記憶的知識，轉變成主觀主動經(jīng)歷的知識，使得學習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】化學反應機理、生物細胞結構、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中進行虛擬縮放，其中還需確保學習者以第一人稱視角進行觀看。

(1)體現(xiàn)的教學價值點

VR虛擬縮放功能提供微觀、宏觀世界實地考察的機會，化平日不可見的事物為可見，增加學生學習樂趣，為學生學習相關知識創(chuàng)設情境。

(2)適用的知識類型

【微觀物質(zhì)的觀察體驗】細菌、細胞、分子、原子結構的觀察。

【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)

指的是利用技術達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)的教學價值點

學習者與VR情境中物件可完成，如點擊、查看、拖動、旋轉等簡單互動，由學習者自行控制學習內(nèi)容和進程，提高了學習者的自主性，同時新穎的互動形式增加了學生的學習動機和興趣。

(2)適用的知識類型

無明確的知識需求，作為資源設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)的教學價值點

化2D畫面為立體，還原事物的3D本質(zhì)，促進三維知識點的理解，3D模型呈現(xiàn)出事物的細節(jié)特征，學生可從不同角度對同一事物進行全方位觀察，輔助發(fā)展學生的空間能力和想象能力。

(2)適用的知識類型

【事物結構性特征】生物學科中的細胞結構、化學學科中的原子結構、語文和美術中的建筑結構、數(shù)學學科中的復雜立體幾何結構、理科實驗器材結構。

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)實進行高仿真度的模擬，同時保證學習者以第一人稱視角進入VR場景進行體驗和交互。

(1)體現(xiàn)的教學價值點

通過VR的模擬特征，讓學習者以第一人稱視角進入VR場景進行體驗和交互，以第一人稱接受到更強烈的情感沖擊和體驗，幫助學生更好的達成情感目標。

(2)適用的知識類型

【需情感共鳴的知識】語文中需要學生體會情感的課文(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)實進行百分百的真實復寫。

(1)體現(xiàn)的教學價值點

以全景圖/視頻的方式還原真實場景，有利于學習者建立文本知識與真實生活場景的聯(lián)系，喚醒學生學習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】丈量單位的學習(公頃、平方千米、立方米)；

【需對真實場景進行講解的知識】地理學科的地形地貌(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)變化進行及時的數(shù)據(jù)反饋。

(1)體現(xiàn)的教學價值點

通過實時展現(xiàn)、評價反饋，幫助學習者隨時了解個人的學習情況(以語言、文字、數(shù)據(jù)或是動畫的方式進行直觀呈現(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)認知沖突，幫助學習者及時調(diào)整實驗策略，對真實實驗的操作做出實時反饋，讓學習者進行較危險的實驗操作，規(guī)避教學風險。

(2)適用的知識類型

評價反饋功能適合知識點面比較廣，作為資源設計的普遍訴求，對復雜的數(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習、鞏固和訓練，如：化學、物理、生物的虛擬實驗探究、組裝飛機/高精機器的訓練、飛機/動車駕駛等技能性培訓、尸體解剖等。

四、虛擬現(xiàn)實技術在教學中的具體應用

目前，國際上把虛擬現(xiàn)實技術應用在教育方面，主要集中在結合虛擬現(xiàn)實技術的課堂教學、以及醫(yī)學、工程、地理、生物等具體應用的學科領域。國內(nèi)現(xiàn)在則集中在虛擬現(xiàn)實理論探索、資源建設等方面。

但大部分的研究主要是圍繞著三大核心要素進行，對于虛擬現(xiàn)實技術在課堂上面的具體應用方面，比如適合VR技術的教學方法、學習對象、教學效果以及具體的教學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行實際的探究，以求能夠更好地指導在實際課堂上面的應用，更充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術的價值與優(yōu)勢。

案例分析，利用VR復寫現(xiàn)實能力特征，幫助學生建立對丈量單位的感性認知。

1.案例具體形式介紹

案例知識為蘇教版五年級數(shù)學上冊《認識公頃和平方千米》，VR資源形式為360°實景圖。本節(jié)課中所對應的學習目標是：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、平方米的認識來說，要讓學生正確把握它的大小概念，在平常的教學中非常不容易，所以在教學過程中，怎么幫助學生建立對丈量單位的感性認知，是這節(jié)課上要突破的一個重點和難點。

案例通過VR技術創(chuàng)造出虛擬環(huán)境，讓學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.具體的教學環(huán)節(jié)

(1)平視角度實景定點對比觀察

讓學生通過VR眼鏡定點升旗臺位置，找到用白色線標注圍成四邊形的升旗臺(感受一平米的大小)，再讓學生找到用紅色線標注圍成四邊形的草地或展示臺(感覺一公頃的大小)和一平方米的大小進行對比。通過對VR技術創(chuàng)造出的虛擬環(huán)境，豐富了教學實景體驗，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)的面積大小進行對比觀察。借助VR技術通過上帝視角觀察實景3D場景，讓學生得到更好的沉浸式逼真視覺，減少了平視中的失真性，更好的幫助學生體會一公頃的實際大小，發(fā)展了學生的空間觀念和數(shù)學思考，提高了學生的數(shù)感。

3.基于理論基礎的VR技術的教學價值分析

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

(1)學習條件的體現(xiàn)

A.360°+VR眼鏡新穎的資源形式

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

B.恰當有效的知識呈現(xiàn)方式

有效的知識呈現(xiàn)方式，幫助學生通過對知識進行有效的內(nèi)部加工和編碼，促進了對知識的掌握，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，同時允許學生全方位的觀察，讓學生通過體驗，實現(xiàn)對信息的深度加工，從而最終促進他們對知識的掌握。

(2)學習過程的體現(xiàn)

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

基于比較教學法分析，比較教學法有助于學生認識事物的本質(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，案例靈活運用比較教學法，擴展學生思維來增強學生印象，在進行VR教學時，教師通過一平方米一公頃的面積大小進行對比性教學，使學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，擴展了學生的思維，利用已有的一平方米的空間大小經(jīng)驗，進行選擇性的比較，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、教學價值和資源形式方面進行總結，可以延伸形成使用相同資源設計和教學方法，便于形成一套標準，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設計方法和VR資源形式，來使虛擬現(xiàn)實技術更好的融合到教學中，體現(xiàn)出真正的教學價值。

五、結語

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