虚拟现实技术在教学中的应用

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR），是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真。即利用计算机产生三维的虚拟世界，得到逼真的视觉、听觉、触觉的感知效果，使人产生身临其境的感觉，如同置身于真实世界一样。

1956年，第一台虚拟现实设备

虚拟现实技术最早应用在军事领域，如阿波罗登月计划、洲际导弹的研制、核电站运行等方面。到上世纪70年代中期，民用领域才开始出现虚拟仿真技术，并从1980年左右开始，借助计算机信息技术的发展大规模地应用于人们生产、生活。如今，虚拟仿真技术在国民经济各个领域，如教育、交通、动力、化工、制造、以至农业、工业、社会科学等各行各业都得到了广泛的应用和发展，并产生了巨大的经济效益，应用前景十分广阔。

今天的虚拟现实设备

目前，虚拟现实装备主要有以下几个大类：PCVR、VR一体机以及桌面交互一体机。

PCVR硬件本身就是一个显示器，它是需要和电脑搭配一起使用的。PCVR的缺点就是有一堆影响体验的线缆，以及无法脱离电脑使用，不像VR一体机那么便捷，部分PCVR还需要支架放置定位基站，十分占用空间，当然高配置电脑也是一个极高的入门门槛。

VR一体机是具备独立处理器的VR头显（头戴式显示设备）。具备了独立运算、输入和输出的功能。功能不如外接式VR头显强大，但是没有连线束缚，自由度更高。随着技术的不断进步，VR一体机或眼镜式VR/AR设备会是今后的主流发展方向。

桌面交互式一体机是通过AR的显示方式，利用操作笔来进行沉浸式的教学。

随着技术的日臻成熟，虚拟现实技术在教育教学领域得到了广泛深入的应用，特别是近年来国家及教育部多次发文，积极引导和推动包括虚拟现实在内的信息化技术与教育教学的融合，在新时代背景下发挥更加重要的作用。

党的十九大指出，要加快教育现代化建设，使我国教育信息化发展水平走在世界前列，发挥全球引领作用，为国际教育信息化发展提供中国智慧和中国方案。

2019年11月，教育部发布的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，文中明确指出：对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现。

2021年7月，教育部等六部门联合发布《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，支持有条件的学校利用信息技术升级教学设施、科研设施和公共设施，促进学校物理空间与网络空间一体化建设。完善智慧教学设施，部署学科专用教室、教学实验室，依托感知交互、仿真实验等装备，打造生动直观形象的新课堂。

2021年12月，《“十四五”国家信息化规划》发布，强调要完善国家数字教育资源公共服务体系。要应用各种新兴技术丰富数字教育资源的表现形态，提升数字教育资源的教学交互与应用体验。借助虚拟现实、增强现实、人工智能等技术，实现虚实融合教学场景、智能导学系统、智能助教、智能学伴、教育机器人等新型资源开发，使数字教育资源更好地服务于师生的知识建构、技能训练、交流协作、反馈评价等教学活动。

2022年4月，教育部发布新版《义务教育课程方案》与各学科《课程标准》，在部分学科中都指出了要“灵活选用教学方式，合理运用信息技术”的课程理念。

在《义务教育生物学课程标准》中，明确指出“重视信息化课程资源的开发和利用。增强教学的直观性、生动性和丰富性。如教师可以运用互联网和数字设备，设计完成模拟实验, 进行虚拟仿真实验，突破实验材料、实验时间和实验设备的限制，减少学习活动对材料、场地和设备等条件的依赖。”

在《义务教育化学课程标准》中，文中要求教师注重发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合，合理运用计算机模拟实验；其中包含了关注虚拟现实技术为代表的个性化学习的发展，适时引入化学教学实践中。

在《义务教育物理课程标准》中，强调“利用信息技术丰富教材配套资源。例如，当一些物理现象很难真实呈现时，可利用信息技术辅助手段，让学生比较直观便捷地进行观察。按照物理规律制作而成的智能型软件，可用来做一些中学实验室中难以完成或不能完成的实验”。

当今教育信息化已经步入加快推进的黄金期，也是关键期。在全球教育创新的改革中，虚拟现实技术已成为一个不容忽视的发展趋势。

对传统教育模式的影响

在教育教学领域，随着信息技术的发展，当前的学习和教学环境已经发生很大的变化，学习方式由单向化、固态化、静态化走向动态化、情景化、个性化、社会性。

虚拟现实技术的应用可以创设自然、直观的学习情景，改变传统基于PPT的文本、图像等二维平面教育环境，利用逼真的三维交互环境展示教学内容，把被动传输式学习变为激发学习兴趣和保持学生注意力的主动式探索学习，有效提高教育教学质量，有助于培养学生的想象力、创造力和深度思考的学习能力。从而使得当下虚拟现实技术成为了学校调整教学装备和改变教学方式的优先方案之一。

对教学手段的影响

互动启发式教学。通过身临其境的、自主控制的人机交互，由视觉、听觉、触觉获取，提供生动活泼的直观形象思维材料、展现学生不能直接观察到的事物等，形成知识点。学生从思维，情感和行为多面的参与教学活动。

发现式教学。这是一种以解决问题为中心的教学形式，虚拟现实在实训教学中可以让学生进入问题存在的环境，有针对性地建构虚拟情境，引导学生进行探究。能提供良好的人机交互，还允许学生出错，自行了解错误的根由及后果，发现解决问题的方法。

对实验教学的影响

实验是多数教学活动必不可少的一部分。弥补教学设备的不足。在远程教学实验中，往往因为实验设备，产地，经费等方面的原因，使一些教学实验无法进行。虚拟现实可以弥补这点不足，学生足不出户便可实验，获得真实的体会，从而丰富了感性认识。

提高课堂参与度，营造良好互动氛围

课堂参与是师生互动必不可缺的环节，新课标更是注重师生互动、生生互动的参与度。大量课堂实践表明学生的参与度与课堂教学质量息息相关。利用VR/AR设备进行分组式教学，大大方便了师生间的互动，同时也方便学生之间的合作交流，营造一个自由开放的课堂学习氛围。

增加课堂趣味性，激发学生学习兴趣

托尔斯泰说过：“成功的教学所需要的不是强制而是激发学生的兴趣”。新课标要求在课程实施上要注重学生学习的自主性。兴趣是最好的老师，激发学生学习兴趣能够提升学生的自主性。教师在教学中应该激发学生的好奇心，寓教于乐，吸引学生注意力。虚拟现实技术为教学增添了一种新模式。让学生在学习的同时体验科技带来的新鲜感，使学生沉浸在其中，同时在内容上允许自由操作，让学生充分体验探究带来的学习乐趣。

打造可视化教学，降低学生理解难度

虚拟现实技术不仅给师生提供了一个极具真实、高沉浸感的环境体验，同时可以把危险性高、受限于环境或设备等因素而无法进行的实验搬到虚拟场景中进行操作。不仅如此，它还能将诸如微观、抽象等现实中不可见的现象以及现象背后的原理等内容直观可视化，让学生直观感受，降低学生理解难度。

彻底打破空间、时间环境的限制

利用虚拟现实技术，可以使学生进入到大至森林海洋，小至原子粒子的内部进行观察，甚至进行交互。这是电视录像媒体所无法比拟的。虚拟技术还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。例如，观察种子的萌发实验，往往要几天的时间，而虚拟技术在一堂课内就可以实现。

弥补远程教学条件的不足

在2022年5月6日国务院联防联控机制举办的新闻发布会上，教育部高等教育司一级巡视员宋毅表示，实验、实践课是高校教学的重要内容，疫情以来各地各校创新开课方式，充分挖掘各类在线实验实训和虚拟仿真平台资源，通过慕课、现场直播、虚拟仿真等方式开展实验、实践教学，开展了大量积极有效的探索实践。

在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因，而使一些应该开设的教学实验无法进行。利用虚拟现实系统，可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。

VR教学应用案例

基于VR技术运用的小学科学思维型教学,旨在探讨数字化环境下技术与科学教学深度融合的价值理念与可行路径，探索技术赋能的小学科学思维型教学的新样态。

VR融合创新示范课程

VR生物之旅——南师附中新城中学融合创新型思维拓展课程，是立足“双减”背景，基于矩道生物VR /3D实验室系列产品，依据南师附中“新技术、新材料、新工艺”校本课程体系建设方针，为促进“减负增效”的高品质教学，开设的融合创新型思维拓展课程。

校本选修课程

基于虚拟仿真技术的物理模型建构——金陵中学校本选修课，该课程是在必修课程基础上的拓展与提高，目的是给学生提供多样化的课程选择，拓宽学生视野，发展学生潜能，全面提高学生素养，促进学生个性特长的形成和发展。

虚拟仿真、虚拟现实作为一种崭新的教育信息化形式，是视听教育的未来发展方向，将开创一个全新的教学模式，带来教学、学习和研究领域的创新。

崭新的技术，会带给我们崭新的教育思维，解决了我们以前无法解决的问题，将给我们的教育带来一系列的重大变革。对推进教育资源共享，加强课堂教学与实验教学的丰富性、拓展性具有重大的意义。借助虚拟现实技术，能够帮助学生利用学科科学建立正确的生命观念，培养理性思维能力，提高科学探究的积极性，因此，我们需要关注虚拟现实技术的应用与发展，使其能够更快地投入到学科教学的使用中，提高教学的理论与实验教学水平。