ＶＲ技术在科学教育专业实践教学中应用

分类：教育技术论文发表 时间：2022-03-19 09:52 关注：(1)

  　阐述ＶＲ技术在教育领域应用的优势，以及科学教育专业实践教学中面临的问题，提出运用ＶＲ技术构建虚拟课堂和实验室等应用策略，实现可视化、情境化教学，能够提高教学效果，提升人才培养质量，为科学教育专业实践教学提供借鉴．

　　关键词：ＶＲ技术；科学教育专业；实践教学

　　ＶＲ是ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ的简称，中文译作“虚拟现实”．ＶＲ技术是建立在图像数字处理、计算机仿真、计算机图形、传感器技术等基础之上的一门多学科交叉的技术，其通过视觉、听觉等效果的展现可以给用户带来身临其境的体验感［１］．师范高等专科学校环境科学学院设置的科学教育专业，其主要任务就是为我国义务教育小学阶段培养合格的科学教育师资，因此在该专业课程设置中包含了化学、生物学、自然地理学、物理学、历史学等基础学科．教师讲授这些学科时，要依据学生的年龄特点，以可操作、可互动的小实验为主，理论讲授为辅．根据实际调查，对于科学课程的讲授和实验环节，由于时间、设备、场地所限或从安全角度考虑，多数学校更愿意接受虚拟的教学或实验环境，而ＶＲ沉浸式教学及实验是小学科学课堂上较好的辅助手段之一．近年来，随着以ＡＩ、云计算、大数据、ＶＲ／ＡＲ为代表的新一代信息技术的快速发展与普及，应加快推动科学教育专业教学模式及手段的改革、促进教学内容及教学资源更新完善，着力提升科学教育专业人才培养质量，以适应未来课堂的教学要求．

　　１ＶＲ技术在教育领域应用的优势

　　在教育领域，ＶＲ技术所展示的创新性效果已经逐渐体现．ＶＲ技术在美国的基础教育领域已经占据２０％以上的份额．德国研究公司ＫａｎｔａｒＥＭＮＩＤ对６０６名在职教师的调查显示：有４８％的教师表示愿意在课堂中使用ＶＲ设备，在３０岁以下的教师人群中这个数字为５８％；有７７％的教师认为借助ＶＲ技术可以提高教育体验，增加学生的学习动力，帮助学生更好地理解和学习概念；教师认为ＶＲ技术最适用的科目是地理（８０％）、历史（７４％）和自然科学（６２％）［２］．“ＶＲ＋教育”典型的应用场景主要分为两种．一是交互式实验性ＶＲ教学，在这种场景下可以是单人互动型，也可以是多人实时互动型．特定的ＶＲ硬件设施为教学提供了充足的保证，但这种方式需要专用的场地，一次性投入过大，高校的创客教室或重点实验室通常采用该方式［３］．二是在普通授课或实验环节中采用ＶＲ技术教学，这种场景的应用是最为广泛的，它可以将每个普通教室升级成ＶＲ学科教室，教学双方通过“ＶＲ中控系统＋ＶＲ头盔”方式进行互动交流，该方式将虚拟场景带入教室，增强了课堂上的授课效果．采用ＶＲ技术教学与传统教学相比较存在一定优势．传统教学大多采用理论授课方式，学生在普通教室里聆听教师的讲解，没有亲身感受，实践课程受时间、场地、设备等条件限制，实验效果差强人意［４］．采用ＶＲ教学不仅可以避免传统教学带来的不便，还可凭借其沉浸式、高互动性的特点，激发学生的学习兴趣和学习动力．高校主要通过实践教学来提高学生分析与解决问题的能力，ＶＲ技术凭借其独特的优势给实践教学带来新机遇．

　　２科学教育专业实践教学中面临的问题

　　通过近几年的实践教学发现，科学教育专业实践教学中存在如下问题：

　　２．１课堂教学缺少直观性、新颖性，学生理解受限

　　科学教育专业培养的学生主要就业于小学或科技馆，讲授对象多为学龄儿童，该阶段儿童在科学知识的接受方式上亲身经历或感受远比抽象化的描述印象深刻，因此，在实践教学环节中首先要让学生对“直观性、新颖性”有切身的感受，他们才会在以后的工作中注重应用各种技术手段直观展示科学知识．但当前科学教育专业所采用的语言描述、图片展示、视频播放等手段对于早已习惯接收多样化信息的学生来说，激发其学习兴趣的作用已经变得微弱．另外，教师在实践教学中对设备或模型进行详细讲解时，由于不能拆开大型设备的外壳或模型，不能展示设备内部真实结构，导致讲解受到了一定的限制．学生只能通过相关的多媒体信息进行简单了解，缺少动手操作的实际步骤，认识感不强，并不能真正理解所学知识．

　　２．２实训设备建设及维护成本高，实验过程存在一定安全隐患

　　某些实训设备不但价格昂贵，而且更新速度快，购买需要占用大量的资金，加大了学校负担．另外，维护成本高、维修周期长，在使用一段时间之后，如果出现设备损坏，不易及时填补，造成实践教学可用设备缺少，由此导致剩余设备多人轮流使用，加快设备疲态化、老化，同时也影响正常的实践教学．在科学教育专业实践教学过程中会存在一些危险性较高的场景，如某些有毒的化学实验，学生进行实验操作时会有一定的危险性，存在安全隐患，容易造成意外事故；另外，还存在着一些不易模仿、真实感不强的场景，如急救反应训练场景，学生操作起来存在一定的困难．

　　３ＶＲ技术在科学教育专业中的应用策略

　　３．１运用ＶＲ技术构建虚拟课堂

　　利用ＶＲ技术构建虚拟课堂，可以将课堂变得可视化、情境化，从而使学习环境变得生动逼真，使学习内容变得形象、可读、易记，从而有效激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解．比如米饭、淀粉和碘酒的变化课程案例中的品尝米饭环节，学生可以通过观察ＶＲ头盔中虚拟人物咀嚼米饭后发出的评价来判断米饭的味道，根据储存的知识得出米饭里包含淀粉成分的结论，并在头盔显示屏中选择正确的答案．利用ＶＲ技术构建虚拟课堂，方便学生进行模拟训练，提高学生的动手能力、理解能力、分析与解决问题的能力［５］．

　　３．２运用ＶＲ技术构建虚拟实验室

　　利用ＶＲ技术构建虚拟实验室，由于虚拟实验室中的设备及药品等都是虚拟的，不需要消耗大量资金购买，有利于资源共享节省了资源，避免了浪费．例如米饭、淀粉和碘酒的变化课程案例中的检测假钞环节，实验物品假钞在现实中无法获得，虚拟实验室就可以发挥其优势，建构虚拟假钞，学生依据该案例中实验环节得出的结论，再根据纸币制造的防伪措施中需要移走纸中的淀粉，制造假钞者又无法掌握所有的印钞技术的现实，通过操作柄在随机生成的虚拟纸币上滴上碘酒，出现蓝色就判断是虚拟伪钞．该环节可以满足学生的实验需求，节省了时间和材料．另外学生可以在虚拟实验室中进行虚拟仿真训练，不需要真正处于危险的环境中，同时还可以模仿现实中的真实案例场景．比如在米饭、淀粉和碘酒的变化课程案例中，对于治疗碘酒中毒的场景，虚拟人物躺倒在地，学生根据其身旁棕色玻璃瓶上的文字提示判断该虚拟人物为误食碘酒中毒，通过口服淀粉、拨打１２０急救电话等一系列措施使该虚拟人物成功得到救治．该实验环节不仅让学生学以致用，而且还培养其见义勇为、救死扶伤的精神．多数学生反映该环节使人印象深刻，提升了课堂的实践教学质量．

　　４教学效果评价

　　利用ＶＲ技术开展科学教育专业实践教学活动，能够让学生身临其境体验活动过程中的可视、可听、可触感，突出学生的教学主体地位，遵循学习者的认知规律，充分提高学生的感知能力、逻辑思维能力、操作能力和创新能力．通过ＶＲ技术以学生视角建立虚拟全场景，实现人机交互，精准满足了每个学生的实验需求，杜绝了实验物品的浪费，体现了教育个体的差异性，突破了传统教育方式，提高了教学质量和水平．

　　５结语

　　ＶＲ技术在高职院校科学教育专业实践教学中应用前景广阔，教师应在实践教学中不断总结经验，结合本校优势学科资源、实训资源，积极建设ＶＲ实训基地，改变传统教学模式，摆脱场地、人员和时间的限制．ＶＲ技术可以活跃课堂教学气氛，促进教学方式改革，因此高职院校要综合推进ＶＲ实践教学课程实施、培养擅长使用ＶＲ设备的师资力量，遵循学生的认知规律，科学有效地提高学生的实践能力和综合素质．

　　参考文献：

　　［１］岩松，王方，陈科良．基于ＶＲ直播的远程教育系统设计［Ｊ］．实验技术与管理，２０２０（６）：１３２－１３６．

　　［２］张良杰，朱丽敏，钟石根．ＶＲ技术现状与应用领域研究［Ｊ］．传感器世界，２０１７（２３）：２６－３１．

　　［３］清奎，何芹，李学东．ＶＲ技术与传统教育深度融合：“ＶＲ＋”教学模式创新与实践［Ｊ］．数字社区，２０１８（２３）：８３－８４．

　　［４］肖权权，侯杏．基于ＶＲ的教学模式改革探索［Ｊ］．科学与信息化，２０２０（２７）：１６－１８．

　　［５］李欢欢．高职院校ＶＲ实训室建设与应用研究［Ｊ］．南京广播电视大学学报，２０１８（２）：９１－９４．

　　作者:于宏宇