ＶＲ技術在科學教育專業(yè)實踐教學中應用

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摘要：闡述VR技術在教育領域應用的優(yōu)勢，以及科學教育專業(yè)實踐教學中面臨的問題，提出運用VR技術構建虛擬課堂和實驗室等應用策略，實現(xiàn)可視化、情境化教學，能夠提高教學效果，提升人才培養(yǎng)質量，為科學教育專業(yè)實踐教學提供借鑒．

關鍵詞：VR技術；科學教育專業(yè)；實踐教學

VR是VirtualReality的簡稱，中文譯作“虛擬現(xiàn)實”．VR技術是建立在圖像數(shù)字處理、計算機仿真、計算機圖形、傳感器技術等基礎之上的一門多學科交叉的技術，其通過視覺、聽覺等效果的展現(xiàn)可以給用戶帶來身臨其境的體驗感［1］．師范高等專科學校環(huán)境科學學院設置的科學教育專業(yè)，其主要任務就是為我國義務教育小學階段培養(yǎng)合格的科學教育師資，因此在該專業(yè)課程設置中包含了化學、生物學、自然地理學、物理學、歷史學等基礎學科．教師講授這些學科時，要依據(jù)學生的年齡特點，以可操作、可互動的小實驗為主，理論講授為輔．根據(jù)實際調查，對于科學課程的講授和實驗環(huán)節(jié)，由于時間、設備、場地所限或從安全角度考慮，多數(shù)學校更愿意接受虛擬的教學或實驗環(huán)境，而VR沉浸式教學及實驗是小學科學課堂上較好的輔助手段之一．近年來，隨著以AI、云計算、大數(shù)據(jù)、VR／AR為代表的新一代信息技術的快速發(fā)展與普及，應加快推動科學教育專業(yè)教學模式及手段的改革、促進教學內容及教學資源更新完善，著力提升科學教育專業(yè)人才培養(yǎng)質量，以適應未來課堂的教學要求．

1VR技術在教育領域應用的優(yōu)勢

在教育領域，VR技術所展示的創(chuàng)新性效果已經(jīng)逐漸體現(xiàn)．VR技術在美國的基礎教育領域已經(jīng)占據(jù)20％以上的份額．德國研究公司KantarEMNID對606名在職教師的調查顯示：有48％的教師表示愿意在課堂中使用VR設備，在30歲以下的教師人群中這個數(shù)字為58％；有77％的教師認為借助VR技術可以提高教育體驗，增加學生的學習動力，幫助學生更好地理解和學習概念；教師認為VR技術最適用的科目是地理（80％）、歷史（74％）和自然科學（62％）［2］．“VR＋教育”典型的應用場景主要分為兩種．一是交互式實驗性VR教學，在這種場景下可以是單人互動型，也可以是多人實時互動型．特定的VR硬件設施為教學提供了充足的保證，但這種方式需要專用的場地，一次性投入過大，高校的創(chuàng)客教室或重點實驗室通常采用該方式［3］．二是在普通授課或實驗環(huán)節(jié)中采用VR技術教學，這種場景的應用是最為廣泛的，它可以將每個普通教室升級成VR學科教室，教學雙方通過“VR中控系統(tǒng)＋VR頭盔”方式進行互動交流，該方式將虛擬場景帶入教室，增強了課堂上的授課效果．采用VR技術教學與傳統(tǒng)教學相比較存在一定優(yōu)勢．傳統(tǒng)教學大多采用理論授課方式，學生在普通教室里聆聽教師的講解，沒有親身感受，實踐課程受時間、場地、設備等條件限制，實驗效果差強人意［4］．采用VR教學不僅可以避免傳統(tǒng)教學帶來的不便，還可憑借其沉浸式、高互動性的特點，激發(fā)學生的學習興趣和學習動力．高校主要通過實踐教學來提高學生分析與解決問題的能力，VR技術憑借其獨特的優(yōu)勢給實踐教學帶來新機遇．

2科學教育專業(yè)實踐教學中面臨的問題

通過近幾年的實踐教學發(fā)現(xiàn)，科學教育專業(yè)實踐教學中存在如下問題：

2．1課堂教學缺少直觀性、新穎性，學生理解受限

科學教育專業(yè)培養(yǎng)的學生主要就業(yè)于小學或科技館，講授對象多為學齡兒童，該階段兒童在科學知識的接受方式上親身經(jīng)歷或感受遠比抽象化的描述印象深刻，因此，在實踐教學環(huán)節(jié)中首先要讓學生對“直觀性、新穎性”有切身的感受，他們才會在以后的工作中注重應用各種技術手段直觀展示科學知識．但當前科學教育專業(yè)所采用的語言描述、圖片展示、視頻播放等手段對于早已習慣接收多樣化信息的學生來說，激發(fā)其學習興趣的作用已經(jīng)變得微弱．另外，教師在實踐教學中對設備或模型進行詳細講解時，由于不能拆開大型設備的外殼或模型，不能展示設備內部真實結構，導致講解受到了一定的限制．學生只能通過相關的多媒體信息進行簡單了解，缺少動手操作的實際步驟，認識感不強，并不能真正理解所學知識．

2．2實訓設備建設及維護成本高，實驗過程存在一定安全隱患

某些實訓設備不但價格昂貴，而且更新速度快，購買需要占用大量的資金，加大了學校負擔．另外，維護成本高、維修周期長，在使用一段時間之后，如果出現(xiàn)設備損壞，不易及時填補，造成實踐教學可用設備缺少，由此導致剩余設備多人輪流使用，加快設備疲態(tài)化、老化，同時也影響正常的實踐教學．在科學教育專業(yè)實踐教學過程中會存在一些危險性較高的場景，如某些有毒的化學實驗，學生進行實驗操作時會有一定的危險性，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、真實感不強的場景，如急救反應訓練場景，學生操作起來存在一定的困難．

3VR技術在科學教育專業(yè)中的應用策略

3．1運用VR技術構建虛擬課堂

利用VR技術構建虛擬課堂，可以將課堂變得可視化、情境化，從而使學習環(huán)境變得生動逼真，使學習內容變得形象、可讀、易記，從而有效激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對所學知識的理解．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)，學生可以通過觀察VR頭盔中虛擬人物咀嚼米飯后發(fā)出的評價來判斷米飯的味道，根據(jù)儲存的知識得出米飯里包含淀粉成分的結論，并在頭盔顯示屏中選擇正確的答案．利用VR技術構建虛擬課堂，方便學生進行模擬訓練，提高學生的動手能力、理解能力、分析與解決問題的能力［5］．

3．2運用VR技術構建虛擬實驗室

利用VR技術構建虛擬實驗室，由于虛擬實驗室中的設備及藥品等都是虛擬的，不需要消耗大量資金購買，有利于資源共享節(jié)省了資源，避免了浪費．例如米飯、淀粉和碘酒的變化課程案例中的檢測假鈔環(huán)節(jié)，實驗物品假鈔在現(xiàn)實中無法獲得，虛擬實驗室就可以發(fā)揮其優(yōu)勢，建構虛擬假鈔，學生依據(jù)該案例中實驗環(huán)節(jié)得出的結論，再根據(jù)紙幣制造的防偽措施中需要移走紙中的淀粉，制造假鈔者又無法掌握所有的印鈔技術的現(xiàn)實，通過操作柄在隨機生成的虛擬紙幣上滴上碘酒，出現(xiàn)藍色就判斷是虛擬偽鈔．該環(huán)節(jié)可以滿足學生的實驗需求，節(jié)省了時間和材料．另外學生可以在虛擬實驗室中進行虛擬仿真訓練，不需要真正處于危險的環(huán)境中，同時還可以模仿現(xiàn)實中的真實案例場景．比如在米飯、淀粉和碘酒的變化課程案例中，對于治療碘酒中毒的場景，虛擬人物躺倒在地，學生根據(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．該實驗環(huán)節(jié)不僅讓學生學以致用，而且還培養(yǎng)其見義勇為、救死扶傷的精神．多數(shù)學生反映該環(huán)節(jié)使人印象深刻，提升了課堂的實踐教學質量．

4教學效果評價

利用VR技術開展科學教育專業(yè)實踐教學活動，能夠讓學生身臨其境體驗活動過程中的可視、可聽、可觸感，突出學生的教學主體地位，遵循學習者的認知規(guī)律，充分提高學生的感知能力、邏輯思維能力、操作能力和創(chuàng)新能力．通過VR技術以學生視角建立虛擬全場景，實現(xiàn)人機交互，精準滿足了每個學生的實驗需求，杜絕了實驗物品的浪費，體現(xiàn)了教育個體的差異性，突破了傳統(tǒng)教育方式，提高了教學質量和水平．

5結語

VR技術在高職院校科學教育專業(yè)實踐教學中應用前景廣闊，教師應在實踐教學中不斷總結經(jīng)驗，結合本校優(yōu)勢學科資源、實訓資源，積極建設VR實訓基地，改變傳統(tǒng)教學模式，擺脫場地、人員和時間的限制．VR技術可以活躍課堂教學氣氛，促進教學方式改革，因此高職院校要綜合推進VR實踐教學課程實施、培養(yǎng)擅長使用VR設備的師資力量，遵循學生的認知規(guī)律，科學有效地提高學生的實踐能力和綜合素質．

參考文獻：

［1］巖松，王方，陳科良．基于VR直播的遠程教育系統(tǒng)設計［J］．實驗技術與管理，2020（6）：132－136．

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

［3］清奎，何芹，李學東．VR技術與傳統(tǒng)教育深度融合：“VR＋”教學模式創(chuàng)新與實踐［J］．數(shù)字社區(qū)，2018（23）：83－84．

［4］肖權權，侯杏．基于VR的教學模式改革探索［J］．科學與信息化，2020（27）：16－18．

［5］李歡歡．高職院校VR實訓室建設與應用研究［J］．南京廣播電視大學學報，2018（2）：91－94．

作者:于宏宇 單位:錦州師范高等?？茖W校環(huán)境科學學院