基于VR虚拟现实技术的项目式教学应用研究

吴兰兰

（海南科技职业大学国际护理学院，海南 海口 571126）

1 基于VR虚拟现实技术的项目式教学理论探索

1.1 VR虚拟现实技术

VR是Virtual Reality的缩写，就是虚拟现实技术[1]。虚拟现实是现代多媒体技术的终极应用形式，它融合了计算机软硬件技术、传感器技术、图像处理技术、人工智能及大数据处理技术等，依赖于三维图像成型技术、三维定位跟踪技术、听觉与触觉及嗅觉传感技术、人工智能技术、大数据处理技术以及人的行为学研究等多项技术的发展。VR虚拟现实技术具有沉浸性、交互性和构想性等特点，其将改变人们生活、生产和学习方式。当人们戴上VR眼镜、数据头套及手套等特制传感器设备后，可以置身于一个具有三维感官的世界，人与外界环境可以通过自然动作和配套设施、设备进行信息交互。

1.2 项目式教学

项目式教学是在教学大纲和教学计划指引下，利用有价值的教学资源，完成一项或多项相互关联[2]、完整且具有实践意义的教学活动。项目式教学以任务为驱动，教师根据课程目标和学生学情确定项目主题，提出项目设计，并在项目任务实施过程将理论知识与操作技能整合起来。项目式教学以教师为主导，教师指导学生完成任务；以学生为主体，学生全程参与项目任务实施过程，在实践中解决问题、完成任务。

项目式教学与传统教学有很大的差别，它注重教师的引导、学生的自主探究性学习、生生及师生交流。在教学形式上，项目式教学通过将理论与实践相结合的形式，提高学生创造力，改变传统教学中理论教学与实践教学相分离的格局。在教学环境上，项目式教学是在预先创设好的现实环境中，学生通过实操训练掌握知识。在教学过程上，项目式教学过程是面向项目的，以项目为基础的教学模式有利于学生参与预先设置的实际项目训练，并在完成项目任务过程中学习专业知识，重视学生实际操作能力培养。

1.3 VR虚拟现实技术与项目式教学融合理念

项目式教学步骤包括任务设计、任务解读、任务实施、评价分析。在任务设计环节，有效融入VR虚拟现实技术，创设逼真的现实虚拟场景，实现技术与课程的完美结合、无缝对接。在任务解读环节，利用VR虚拟现实技术展示学习场景，学生在三维虚拟环境中进行任务解读。在任务实施阶段，学生置身于虚拟现实环境中进行操作。在评价分析环节，借助VR虚拟现实技术进行总结分析。将VR虚拟现实技术有效运用到项目式教学中，使实训室资源、VR虚拟现实技术与授课内容、教学形式、教学方法等相融合。

VR虚拟现实技术与项目式教学的关系实质就是将VR虚拟现实技术与课程结构、形式、内容、资源等融为一体[3]，使其成为课程内容的有机组成部分，从而提高教学效率，达成教学目标。如果说授课内容是灵魂，那么VR虚拟现实技术就是手段，只有合理利用手段，才能更好地讲授课程内容。既然VR虚拟现实技术对提高教学质量有不可估量的作用，那么就应该把这种技术引入项目式教学中，将VR虚拟现实技术与授课内容融合。

项目式教学内容关联性、实践性、操作性强。这就要求教师在设计教学内容时，从学生实际需求出发，对教学内容进行重构，根据内容设计若干个基础项目任务。项目任务是实践性较强的知识模块，利用VR虚拟现实技术，模拟真实情景，创设虚拟现实场景，学生佩戴VR眼镜和相关传感器设备，参与项目活动，在虚拟现实场景中完成任务。

项目式教学过程是教师和学生相互辅助的过程。项目式教学注重学生自主学习过程，为了保证学生自主学习的顺利开展，教师要重视辅助。在项目式教学过程中，教师主要起辅助作用，学生佩戴VR眼镜、任务实施过程中，教师要针对动作要领进行指导和辅助。当然，对于项目式教学内容设计和环境创建，也需学生参与。只有根据学生学习特点和知识结构特点，才能创建符合学情的项目式教学环境。基于VR虚拟现实技术的项目式教学活动强调活动中师生协作，重视培养学生团队协作能力。

2 基于VR虚拟现实技术的项目式教学设计

基于VR虚拟现实技术的项目式教学是一种新的教学模式，其以虚拟现实技术为支撑，依托VR眼镜，使学生获得身临其境的体验，从而激发学生学习兴趣，使其在游戏中完成项目任务，在愉悦的氛围中学习知识，提高学习效率。

2.1 基于VR虚拟现实技术的项目式教学设计理论

2.1.1 基于VR虚拟现实技术的项目式教学设计理念 教学设计模式[4]是指在日常教学实践活动中逐渐积累，并形成一套体系的步骤。该模式依托于教学环节，说明哪个环节做什么，用什么形式去做。常见的教学设计模式有3种：以教师为主体的教学设计模式，以学生为主体的教学设计模式，以教师为主导、学生为主体的教学设计模式。传统的理论教学多采用以教师为主体的教学设计模式。对于阅读等自主学习活动，多采用以学生为主体的教学设计模式。而项目式教学中则多采用以教师为主导、学生为主体的教学设计模式。在实际教学设计过程中，教师可以根据具体教学内容，有针对性地选择和完善教学设计模式，从而满足教学需求。

教学设计模式的发展离不开现代信息技术。项目式教学强调以任务为驱动，以教师为主导，以学生为主体，注重项目设计和任务实施过程中的环境创设。因此，可将VR虚拟现实技术引入项目式教学，创设项目实施环境，提高教学效率。

2.1.2 基于VR虚拟现实技术的项目式教学设计系统构建理念基于VR虚拟现实技术的项目式教学设计系统是在项目式教学基础上构建的，引入VR虚拟现实技术，体现任务驱动教学优势，同时体现应用VR虚拟现实技术的沉浸式教学特点，构建适合本研究的教学设计模式框架。开展项目式教学的必要条件是教学项目和任务的创设，项目和任务的创设既要符合教育教学规律，又要适应学生实际情况，更重要的是要借助现代信息技术。基于VR虚拟现实技术的项目式教学设计模式注重学生在任务实施过程中的体验[5]，利用VR虚拟现实技术，使学生获得娱乐性、交互性和沉浸性体验。

2.2 基于VR虚拟现实技术的项目式教学模式构建

教学模式是在一定教学思想或教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动结构框架。教学模式在宏观上突出了教学活动整体及各要素之间的关系和功能。基于VR虚拟现实技术的项目式教学模式的构建基于项目任务实施，以教师为主导，以学生为主体（见图1）。教学步骤包括任务设计、任务解读、任务实施、评价分析。在任务设计环节和任务实施环节引入VR虚拟现实技术，学生在游戏中实施任务[6]，在教师辅助下，佩戴VR眼镜进行任务探索。

图1 基于VR虚拟现实技术的项目式教学模式

3 基于VR虚拟现实技术的项目式教学实施

外科手术实训课作为护理专业一门专业核心课程，科学性、技术性及实践性较强，实训操作难度较大。学生既要熟悉手术护理技术，又要掌握无菌操作规范，整个实训过程要求做到严密组织、精心策划。鉴于实训操作难度较大，且无法与手术室真实环境一致，我院在2019级护理专业外科手术实训课中开展基于VR虚拟现实技术的项目式教学。

3.1 任务设计——VR环境创建

在外科手术实训课教学中，学生需要完成外科刷手、穿无菌手术衣与戴手套、消毒铺巾、外科手术操作配合等任务。教师将VR虚拟现实技术融入实训过程，结合任务特点创建VR环境。实际外科手术活动空间包括开放式刷手间、手术室内走廊和外科手术室3个操作空间，因此，在创建基于VR虚拟现实技术的虚拟手术室空间时，也要创建以上3个操作空间。

创设虚拟空间时，要依据临床手术室实景图片、手术操作录像、教学图片等基础数据编写脚本，在描述空间时需涉及空间类型、空间描述、空间大小、是否位移、空间动线、空间动线描述、场景布置、避让物、避让条件、避让要求、禁行区域、可通行区域等。场景布置要点较多，书写脚本应详尽，只有这样才能通过电脑创建逼真的空间环境，让学生有身临其境的感觉，增强角色体验感，提高实际操作练习效率[7]。设计的手术室实验项目包括外科刷手、穿无菌手术衣与戴手套、消毒铺巾、外科手术操作配合等。

为增强实验的真实感，可从物品类型、名称、型号、数量、位置、组合逻辑、时间逻辑、是否穿戴等方面创建模型。利用Unity模型技术，从物品的外观、大小、色彩等方面，将其与实物进行纹理映射和渲染，让学生使用起来真实感更强。在交互功能的实现方面，采用Kinect光学设备进行动作捕捉，增加语音交互功能，使学生更自然地获得沉浸式的交互体验。

3.2 任务解读——VR虚拟现实技术演示

以消毒铺巾项目为例。首先向学生解读学习任务的规则和要求，在这里我们采用VR虚拟现实技术演示学习场景，在此场景内对本次实验项目的要点进行展示，学生在三维虚拟环境中先观看，了解本次实验项目的重点内容和相关知识。

3.3 任务实施——VR虚拟现实技术应用

在掌握学习任务的规则和要求之后，学生作为学习主体，参与教学，进入任务实施阶段。本阶段学生要完成两个任务，即选择实验物品和作为护士辅助主刀医生进行手术辅助操作。

为了保证实验效果，我们以VR虚拟现实技术为辅助完成任务。第一个任务：学生进行外科刷手，之后进入虚拟的外科手术室，操控面板提示“请您进行消毒铺巾操作”。点击文本消失，进入下一个操作场景。学生根据任务提示，选择合适的实验用物，如碘伏棉球、换药碗、卵圆钳、布巾钳、手术治疗巾、手术中单、手术剖腹单等。如果学生在操作过程中选错用物，系统会给予提示。第二个任务：学生在虚拟的患者身上进行操作，包括选择并定位手术切口，用卵圆钳夹持碘伏棉球对手术区域进行从上向下、由中心到四周、单方向叠瓦状消毒，依次铺手术治疗巾、中单、剖腹单等。在此操作过程中，系统可根据学生操作步骤，判断其操作是否规范，如果有错误操作或者遗漏动作，系统会给予提示。

3.4 评价分析——VR数据分析

任务完成后，小组之间以及小组内部进行交流和总结，分析实验过程中操作步骤的连贯性和规范性，在这种情况下，学生可以借助VR虚拟现实技术进行总结分析。学生完成操作后，系统会根据学生操作情况，对其进行综合评价。如果操作步骤连续规范，没有明显误差，将提示操作通过。如果操作未通过，系统将列出具体的错误之处，并告知正确答案，提示面板也会提示是否需要重新进行操作训练。学生可以反复练习，增强操作的熟练性，直到完全掌握该项操作。

4 总结分析

利用VR虚拟现实技术进行项目式教学，加快学院实训教学信息化建设步伐，提升教师信息化教学能力及学生学习兴趣，最终提升实训教学质量。

4.1 加快学院实训教学信息化建设步伐

利用VR虚拟现实技术进行项目式教学，加强学院实训室建设，提高实训室信息化程度。创建外科手术实训室虚拟空间，满足手术室实验项目要求，解决学院实训设备不足等问题，摆脱外科手术实验难以在实训室开展的困境。

4.2 提高教师信息化教学能力

利用VR虚拟现实技术进行项目式教学，有利于激发教师学习先进信息技术的动力。在创建实训室虚拟空间时，教师需要熟悉剧本的设计、开发引擎、全景摄像技术等。开发引擎方面，通过Unity3D，对三维视频、模型、动画等进行编辑，得出相关VR内容。在全景拍摄方面，利用全景摄像机拍摄影片并进行后期制作。通过项目实施，教师信息化教学能力得到提高。

当然在项目实施过程中遇到很多困难，这对教师教学设计能力及实施过程的把控能力提出了挑战。教师要增加知识储备，紧跟时代发展步伐，立足于课堂教学，不断探究，提高信息化教学水平。

4.3 提高学生学习质量

VR虚拟现实技术的应用，有利于学生摆脱枯燥乏味的技能操作训练，自主选择角色并体验到角色价值，激发学习兴趣。利用VR虚拟现实技术，呈现逼真的虚拟设备，如外科手术操作配合实验所需虚拟模型（手术刀、手术剪、手术镊、泡镊桶、止血钳、卵圆钳、布巾钳、组织钳、阑尾钳、手术纱布等）。利用VR虚拟现实技术进行项目式教学，有利于激发学生学习兴趣，提高学生学习出勤率、操作积极性及学习质量。

基于VR虚拟现实技术的项目式教学将单调、枯燥的实训操作变成动态、立体、真实的虚拟现实环境，将单一的实训台、冰冷的手术器械变成大小、远近可以变化的多姿多彩的虚拟世界。VR虚拟现实技术的应用，有利于加快学院实训教学信息化建设步伐，提高教师信息化教学能力，激发学生学习兴趣，提高学习质量。