虚拟现实技术在中小学教育教学中的应用

魏召杰 李瑞鑫 杨永康 骆原

摘要：虚拟现实技术在中小学学科实验中有着重要的作用。本文基于VR技术设计了虚拟教学系统，该系统对中小学学科实验中实验模型、实验场景、实验过程等功能进行了设计与实现。基于虚拟现实技术对实验进行展示，可以让中小学生有效地学习相应的基础实验操作与实验内容，提高学生的探索能力，加强对抽象知识的理解。

关键词：中小学教育;虚拟现实技术;Unity3D;C#

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0030-02

0 引言

2015年党的十八届五中全会召开，会议决定：坚持计划生育的基本国策，完善人口发展战略，全面实施一对夫妇可生育两个孩子政策（既二孩政策）。“二孩政策”对中小学义务教育带来了新的发展契机。根据教育部发布《2018年教育事业发展》显示，我国受义务教育阶段人数逐年上涨[1]。与此同时，国家大力投入基础教育教学，推动基础教育创新改革，越来越多创新的教学方式方法随之出现，其中之一就是将虚拟现实技术应用于中小学实验教学活动之中。

VR（Virtual Reality，即虚拟现实）技术随着计算机软硬件技术的发展而诞生于20世纪50年代，其综合了计算机图形学、人机接口技术、传感器技术、人工智能技术等多个领域技术，以计算机为模拟仿真系统生成可交互的三维环境并提供沉浸感觉的技术。

在信息高速发展、知识经济席卷全球的今天，教育信息化成为时代发展的必然需要。然而实际上，VR教育技术的应用还远滞后于产业技术的发展，因而让VR技术走进教育领域具有广大的发展潜力。

将虚拟现实技术应用到中小学实验教育教学中，根据义务教育阶段新课程的要求，把抽象的学科知识与虚拟现实技术结合，通过视觉、听觉、触觉的切实体验，将平面的知识立体化、模型化、实际化，以场景模拟的形式训练学生动手动脑解决问题的能力，从而调动学生学习积极性。

1 虚拟现实技术在课堂教学中的优势

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实是运用计算机技术对现实场景和氛围进行模拟，构建一个与现实相似的场景进行相关模拟操作。虚拟现实技术的实现离不开计算机编程语言、3D建模、传感器技术、人机交互等基础知识的应用与结合，依赖于这些知识理论，可以构造一个仿真的实时情景，突破空间局限，结合视觉、听觉、触觉为体验者带来身临其的体验。

1.2 VR技术可模拟丰富的教具辅助教学

在实际课堂教学过程中，一些课程是需要准备相关实验教具的，比如义务教育小学阶段的科学课，该课程注重学生的动手能力和探索能力，要求通过实践培养学生的科学素养。又如中学阶段的地理、物理、生物、化学等课程，都可以通过实验增进学生的求知欲，加强学生观察能力、探索能力的培养。在这类课程中，实验教具在课堂中的使用频率较高，因此如何规范恰当地使用实验教具决定着课堂教学的高效性。

虚拟现实技术能够形象的模拟展现各类教学场景，如地理学中行星的运转轨道、生物科学中各类微小真菌、物理实验中的实验器材及化学课程上的物质微观变化等[2]。在地理课堂中，学生可以通过虚拟教学系统观察昼夜交替、四季变化等内容，通过放大、缩小、旋转等操作，对虚拟显示内容进行各个角度的观察、了解。相比较于传统的地球仪，虚拟教学系统以身临其境的方式，可调节可变化的形式展现地球的全貌，使整个教學过程更加生动化、形象化和连贯化，从而完整的认知地球面貌。

1.3 VR技术可提供多种可能性，促进学生学习和探索

在物理及化学实验教学中，学生正确地使用实验器材，并保证实验过程的安全是教师密切关注的内容，教师要时刻叮嘱学生在实验中各类物品的使用及操作步骤。物理及化学实验中，操作不当就有可能烧坏电流表、实验试管炸裂等，教师想让学生注意这些知识点又不能真的烧毁电流表、炸试管给学生看。虚拟现实技术就充当了重要的作用，可以将实验器材在虚拟教学系统中进行形象的模拟，通过操作虚拟的实验器材，让学生自己动手发现错误，对知识点有一个真实的感受。学生自己去进行探索，发现更多实验会出现的可能性，培养其发现问题能力及探索能力。

在化学高锰酸钾制取氧气的实验中，其注意事项就比较多，放置药品的试管口是否存放棉花球、试管是否预热、实验结束时是否先移导管后移酒精灯等都会导致实验的失败。虚拟现实技术模拟真实实验，在不同的情况下会有对应的实验现象出现，如不塞棉花球会导致高锰酸钾粉末随气体进入导管，使水槽中的水变成紫红色;试管不预热会导致试管炸裂;实验结束时先熄灭酒精灯后移导管，伸入水槽一端的导管水倒吸，会炸裂试管等等。让学生通过虚拟教学系统进行操作观察，课后交流讨论，对这些知识点有一个深刻的印象后，再进行实际操作，这时候学生就会自主规范操作，避免这些现象的出现，同时避免了学校实验器材的损坏及实验器材开支，也保证了学生的安全。

1.4 VR技术可知识内容简单化可视化，便于理解

在物理教学中，磁感线、力的方向等内容是不可见的，教师在给学生讲述的时候很难直观的去讲述它们是怎样的表示形态，通过绘图工具进行绘图会占据课堂的部分时间。虚拟现实技术可以三维立体直观地展示辅助线及微观粒子，让学生形象的看到磁感线的方向、力的方向、分子的运动路径及方向等等，让抽象知识内容可视化、简单化，让学生轻松的明白实验的原理，教师无需过多的去进行知识的描述与讲解。虚拟现实技术可以将物理教学中的光线、磁感线、力的方向等等表现出来[3]。如在凸透镜成像实验中，对光线进行模拟，让学生清晰的知道光线是如何通过凸透镜并成像的;在测量滑动摩擦力实验中，对力的方向进行标注，便于学生理解摩擦力;在研究磁场的方向实验中，模拟磁感线方向，让学生清晰的知道磁铁的磁场分布情况。知识清晰直观的呈现，让学生学习更轻松，教师教学更便捷。

2 VR教学辅助系统的设计

VR教学辅助系统主要是利用VR技术创建出具有真实感和沉浸感的虚拟课堂展示环境。系统采用Unity3D为开发引擎，利用C#语言进行开发，利用3ds  Max软件构建场景中的模型。

2.1 虚拟现实教学辅助系统素材的构建

建设VR虚拟教学系统的首要任务就是构建VR教学系统中涉及的场景模型素材及交互信息，收集、制作与系统相关的图纸、效果图、相关参数等，然后使用Unity3D、3ds Max等软件构建虚拟教学3D模型。

2.2 虚拟现实教学辅助系统场景搭建

利用前期收集、制作的参数信息及效果图研究并构建虚拟教学的三维模型，进行场景建模，在3ds Max软件中形成相关格式的文件，并导入Unity3D引擎中进行场景搭建。

2.3 人体与虚拟场景的仿真交互

将构建好的VR虚拟教学系统模型与个体动作指令仿真化交互，利用Unity3D引擎及C#语言实现系统的人机交互功能，在构建出的虚拟教学系统模型中插入触发函数，做到人体能够使用VR硬件设备控制教室中的设备、仪器相关变量的触发。另外，VR交互设备的选择也是做到软件硬件相兼容进而达到可以控制的要点之一。系统功能模块如图1所示。

3 结语

在中小学义务教育阶段应用虚拟现实技术辅助教学，可以有效地激发学生的学习兴趣，提高学生的学习积极性，减少学生在传统实验课程学习中的不足，为广大学生提供更有效的学习机会。虚拟现实产业目前还不成熟，我们应密切关注其发展与在教育中的应用，协同推进，积极探索VR在教育中的应用，开展相关研究，发挥技术的应用作用。

参考文献

[1] 教育部.2018年教育统计数据[EB/OL].（2019-08-08）.http：//www.moe.gov.cn/s78/A03/moe_560/jytjsj_2018/.

[2] 陈淑洁，仇星月，叶新东.基于虚拟现实技术的微格教学系统设计[J].实验技术与管理，2018，35（4）：121-125.

[3] 高天寒，李颖.基于虚拟现实汉语言教学系统设计与实现[J].网络化与数字化，2018，8（5）：80-83.