ＶＲ技術(shù)在科學(xué)教育專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用

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摘要：闡述VR技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，以及科學(xué)教育專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中面臨的問(wèn)題，提出運(yùn)用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬課堂和實(shí)驗(yàn)室等應(yīng)用策略，實(shí)現(xiàn)可視化、情境化教學(xué)，能夠提高教學(xué)效果，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，為科學(xué)教育專業(yè)實(shí)踐教學(xué)提供借鑒．

關(guān)鍵詞：VR技術(shù)；科學(xué)教育專業(yè)；實(shí)踐教學(xué)

VR是VirtualReality的簡(jiǎn)稱，中文譯作“虛擬現(xiàn)實(shí)”．VR技術(shù)是建立在圖像數(shù)字處理、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)圖形、傳感器技術(shù)等基礎(chǔ)之上的一門(mén)多學(xué)科交叉的技術(shù)，其通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等效果的展現(xiàn)可以給用戶帶來(lái)身臨其境的體驗(yàn)感［1］．師范高等?？茖W(xué)校環(huán)境科學(xué)學(xué)院設(shè)置的科學(xué)教育專業(yè)，其主要任務(wù)就是為我國(guó)義務(wù)教育小學(xué)階段培養(yǎng)合格的科學(xué)教育師資，因此在該專業(yè)課程設(shè)置中包含了化學(xué)、生物學(xué)、自然地理學(xué)、物理學(xué)、歷史學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科．教師講授這些學(xué)科時(shí)，要依據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)，以可操作、可互動(dòng)的小實(shí)驗(yàn)為主，理論講授為輔．根據(jù)實(shí)際調(diào)查，對(duì)于科學(xué)課程的講授和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，由于時(shí)間、設(shè)備、場(chǎng)地所限或從安全角度考慮，多數(shù)學(xué)校更愿意接受虛擬的教學(xué)或?qū)嶒?yàn)環(huán)境，而VR沉浸式教學(xué)及實(shí)驗(yàn)是小學(xué)科學(xué)課堂上較好的輔助手段之一．近年來(lái)，隨著以AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、VR／AR為代表的新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展與普及，應(yīng)加快推動(dòng)科學(xué)教育專業(yè)教學(xué)模式及手段的改革、促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)資源更新完善，著力提升科學(xué)教育專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，以適應(yīng)未來(lái)課堂的教學(xué)要求．

1VR技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

在教育領(lǐng)域，VR技術(shù)所展示的創(chuàng)新性效果已經(jīng)逐漸體現(xiàn)．VR技術(shù)在美國(guó)的基礎(chǔ)教育領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)20％以上的份額．德國(guó)研究公司KantarEMNID對(duì)606名在職教師的調(diào)查顯示：有48％的教師表示愿意在課堂中使用VR設(shè)備，在30歲以下的教師人群中這個(gè)數(shù)字為58％；有77％的教師認(rèn)為借助VR技術(shù)可以提高教育體驗(yàn)，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，幫助學(xué)生更好地理解和學(xué)習(xí)概念；教師認(rèn)為VR技術(shù)最適用的科目是地理（80％）、歷史（74％）和自然科學(xué)（62％）［2］．“VR＋教育”典型的應(yīng)用場(chǎng)景主要分為兩種．一是交互式實(shí)驗(yàn)性VR教學(xué)，在這種場(chǎng)景下可以是單人互動(dòng)型，也可以是多人實(shí)時(shí)互動(dòng)型．特定的VR硬件設(shè)施為教學(xué)提供了充足的保證，但這種方式需要專用的場(chǎng)地，一次性投入過(guò)大，高校的創(chuàng)客教室或重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通常采用該方式［3］．二是在普通授課或?qū)嶒?yàn)環(huán)節(jié)中采用VR技術(shù)教學(xué)，這種場(chǎng)景的應(yīng)用是最為廣泛的，它可以將每個(gè)普通教室升級(jí)成VR學(xué)科教室，教學(xué)雙方通過(guò)“VR中控系統(tǒng)＋VR頭盔”方式進(jìn)行互動(dòng)交流，該方式將虛擬場(chǎng)景帶入教室，增強(qiáng)了課堂上的授課效果．采用VR技術(shù)教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相比較存在一定優(yōu)勢(shì)．傳統(tǒng)教學(xué)大多采用理論授課方式，學(xué)生在普通教室里聆聽(tīng)教師的講解，沒(méi)有親身感受，實(shí)踐課程受時(shí)間、場(chǎng)地、設(shè)備等條件限制，實(shí)驗(yàn)效果差強(qiáng)人意［4］．采用VR教學(xué)不僅可以避免傳統(tǒng)教學(xué)帶來(lái)的不便，還可憑借其沉浸式、高互動(dòng)性的特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)動(dòng)力．高校主要通過(guò)實(shí)踐教學(xué)來(lái)提高學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力，VR技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)給實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)新機(jī)遇．

2科學(xué)教育專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中面臨的問(wèn)題

通過(guò)近幾年的實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)，科學(xué)教育專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中存在如下問(wèn)題：

2．1課堂教學(xué)缺少直觀性、新穎性，學(xué)生理解受限

科學(xué)教育專業(yè)培養(yǎng)的學(xué)生主要就業(yè)于小學(xué)或科技館，講授對(duì)象多為學(xué)齡兒童，該階段兒童在科學(xué)知識(shí)的接受方式上親身經(jīng)歷或感受遠(yuǎn)比抽象化的描述印象深刻，因此，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中首先要讓學(xué)生對(duì)“直觀性、新穎性”有切身的感受，他們才會(huì)在以后的工作中注重應(yīng)用各種技術(shù)手段直觀展示科學(xué)知識(shí)．但當(dāng)前科學(xué)教育專業(yè)所采用的語(yǔ)言描述、圖片展示、視頻播放等手段對(duì)于早已習(xí)慣接收多樣化信息的學(xué)生來(lái)說(shuō)，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣的作用已經(jīng)變得微弱．另外，教師在實(shí)踐教學(xué)中對(duì)設(shè)備或模型進(jìn)行詳細(xì)講解時(shí)，由于不能拆開(kāi)大型設(shè)備的外殼或模型，不能展示設(shè)備內(nèi)部真實(shí)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致講解受到了一定的限制．學(xué)生只能通過(guò)相關(guān)的多媒體信息進(jìn)行簡(jiǎn)單了解，缺少動(dòng)手操作的實(shí)際步驟，認(rèn)識(shí)感不強(qiáng)，并不能真正理解所學(xué)知識(shí)．

2．2實(shí)訓(xùn)設(shè)備建設(shè)及維護(hù)成本高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在一定安全隱患

某些實(shí)訓(xùn)設(shè)備不但價(jià)格昂貴，而且更新速度快，購(gòu)買(mǎi)需要占用大量的資金，加大了學(xué)校負(fù)擔(dān)．另外，維護(hù)成本高、維修周期長(zhǎng)，在使用一段時(shí)間之后，如果出現(xiàn)設(shè)備損壞，不易及時(shí)填補(bǔ)，造成實(shí)踐教學(xué)可用設(shè)備缺少，由此導(dǎo)致剩余設(shè)備多人輪流使用，加快設(shè)備疲態(tài)化、老化，同時(shí)也影響正常的實(shí)踐教學(xué)．在科學(xué)教育專業(yè)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中會(huì)存在一些危險(xiǎn)性較高的場(chǎng)景，如某些有毒的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)會(huì)有一定的危險(xiǎn)性，存在安全隱患，容易造成意外事故；另外，還存在著一些不易模仿、真實(shí)感不強(qiáng)的場(chǎng)景，如急救反應(yīng)訓(xùn)練場(chǎng)景，學(xué)生操作起來(lái)存在一定的困難．

3VR技術(shù)在科學(xué)教育專業(yè)中的應(yīng)用策略

3．1運(yùn)用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬課堂

利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬課堂，可以將課堂變得可視化、情境化，從而使學(xué)習(xí)環(huán)境變得生動(dòng)逼真，使學(xué)習(xí)內(nèi)容變得形象、可讀、易記，從而有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解．比如米飯、淀粉和碘酒的變化課程案例中的品嘗米飯環(huán)節(jié)，學(xué)生可以通過(guò)觀察VR頭盔中虛擬人物咀嚼米飯后發(fā)出的評(píng)價(jià)來(lái)判斷米飯的味道，根據(jù)儲(chǔ)存的知識(shí)得出米飯里包含淀粉成分的結(jié)論，并在頭盔顯示屏中選擇正確的答案．利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬課堂，方便學(xué)生進(jìn)行模擬訓(xùn)練，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、理解能力、分析與解決問(wèn)題的能力［5］．

3．2運(yùn)用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室

利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，由于虛擬實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備及藥品等都是虛擬的，不需要消耗大量資金購(gòu)買(mǎi)，有利于資源共享節(jié)省了資源，避免了浪費(fèi)．例如米飯、淀粉和碘酒的變化課程案例中的檢測(cè)假鈔環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)物品假鈔在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法獲得，虛擬實(shí)驗(yàn)室就可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，建構(gòu)虛擬假鈔，學(xué)生依據(jù)該案例中實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)得出的結(jié)論，再根據(jù)紙幣制造的防偽措施中需要移走紙中的淀粉，制造假鈔者又無(wú)法掌握所有的印鈔技術(shù)的現(xiàn)實(shí)，通過(guò)操作柄在隨機(jī)生成的虛擬紙幣上滴上碘酒，出現(xiàn)藍(lán)色就判斷是虛擬偽鈔．該環(huán)節(jié)可以滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，節(jié)省了時(shí)間和材料．另外學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練，不需要真正處于危險(xiǎn)的環(huán)境中，同時(shí)還可以模仿現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)案例場(chǎng)景．比如在米飯、淀粉和碘酒的變化課程案例中，對(duì)于治療碘酒中毒的場(chǎng)景，虛擬人物躺倒在地，學(xué)生根據(jù)其身旁棕色玻璃瓶上的文字提示判斷該虛擬人物為誤食碘酒中毒，通過(guò)口服淀粉、撥打120急救電話等一系列措施使該虛擬人物成功得到救治．該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不僅讓學(xué)生學(xué)以致用，而且還培養(yǎng)其見(jiàn)義勇為、救死扶傷的精神．多數(shù)學(xué)生反映該環(huán)節(jié)使人印象深刻，提升了課堂的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量．

4教學(xué)效果評(píng)價(jià)

利用VR技術(shù)開(kāi)展科學(xué)教育專業(yè)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，能夠讓學(xué)生身臨其境體驗(yàn)活動(dòng)過(guò)程中的可視、可聽(tīng)、可觸感，突出學(xué)生的教學(xué)主體地位，遵循學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律，充分提高學(xué)生的感知能力、邏輯思維能力、操作能力和創(chuàng)新能力．通過(guò)VR技術(shù)以學(xué)生視角建立虛擬全場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，精準(zhǔn)滿足了每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，杜絕了實(shí)驗(yàn)物品的浪費(fèi)，體現(xiàn)了教育個(gè)體的差異性，突破了傳統(tǒng)教育方式，提高了教學(xué)質(zhì)量和水平．

5結(jié)語(yǔ)

VR技術(shù)在高職院?？茖W(xué)教育專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用前景廣闊，教師應(yīng)在實(shí)踐教學(xué)中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本校優(yōu)勢(shì)學(xué)科資源、實(shí)訓(xùn)資源，積極建設(shè)VR實(shí)訓(xùn)基地，改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，擺脫場(chǎng)地、人員和時(shí)間的限制．VR技術(shù)可以活躍課堂教學(xué)氣氛，促進(jìn)教學(xué)方式改革，因此高職院校要綜合推進(jìn)VR實(shí)踐教學(xué)課程實(shí)施、培養(yǎng)擅長(zhǎng)使用VR設(shè)備的師資力量，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，科學(xué)有效地提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)．

參考文獻(xiàn)：

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［2］張良杰，朱麗敏，鐘石根．VR技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用領(lǐng)域研究［J］．傳感器世界，2017（23）：26－31．

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作者:于宏宇 單位:錦州師范高等?？茖W(xué)校環(huán)境科學(xué)學(xué)院