VR技术在中学理科教学中的应用与开发策略

张栋

虚拟现实技术（Virtual Reality，简写为VR，以下称VR技术），是一种利用计算机创建的虚拟仿真环境。在VR技术支持下，用户能够在虚拟环境中感知听觉、视觉、触觉、嗅觉，并能在操作过程中获取高度仿真的体验。随着科技进步和教育形式的多元化，越来越多的教育工作者借助VR技术重构教学模式使教育回归本质。特别是在中学理科教学中，教师应用VR技术解决了以前概念教学、实验教学不直观、难以探究与分析等问题，为学生呈现动态过程，使概念从抽象变得具象。VR技术支持用户交互，给用户沉浸感，助力用户想象，它在中学理科教学中具有“利用动态模型强化概念理解”“培养微观探析能力”等功能与优势。笔者对VR技术应用于中学理科教学中所存在的问题做了分析与研究，从内容策划、组织架构、市场推广、用户服务等方面提出VR产品研发策略并给出VR类资源助力中学理科教学的建议。

一、VR技术在中学理科教学中的应用价值

（一）使抽象知识具象化

在中学理科教学中，由于部分知识较为抽象，学生理解起来有一定难度。为提高学生对知识的认知程度，激发学生的学习兴趣与欲望，教师应充分利用VR技术建构的仿真模型进行教学，对内容具象化处理。抽象知识具象化，即教师以虚拟现实技术所形成的仿真模式，用系统里已有的模型，对需要模拟或者表现的对象进行创造性调整与修改，从而将抽象的概念以近乎真实的直观方式呈现在学生面前^[1]。

例如，在生物学教学中，像细胞、染色体、DNA、叶绿素等名词稍显抽象，学生难以理解。如何解决这些问题？教师可以在讲述知识的同时，使用VR设备让学生自主探究。这样教学能够有效降低学生对抽象概念的认知难度，比单纯让学生通过教材上的文字与图片去理解更为直观。例如，教学“DNA双螺旋结构模型”时，教师可以组织学生用VR设备从不同角度观察模型，并利用放大功能细致了解其中的“大沟”“小沟”“碱基对”等部分，明白各部分之间的空间关系，加深对这一概念的理解，更加简单地习得知识。又如，一些学生在学习人教版高中生物教材必修一第三章“细胞的基本结构”时，对“细胞膜”“线粒体”“核糖体”等抽象概念存有疑惑，较难系统地建构起它们之间的联系。教师可适时引导学生佩戴VR设备，让学生“游进”细胞里细致观察各类细胞器与相关结构——伴随视野方位的变化，他们的目光聚集之处还会出现3D示意图与名词解释。抽象的知识点以具象的方式展现在眼前，学生理解与记忆概念就容易多了。

（二）动态演示助力学生理解概念

在中学理科教学中，实验活动占据重要地位，但受限于实验条件与课程内容，教师常常只能借助教材中文字进行描述，或播放图片、视频，并辅以分析与讲解让学生研习实验内容。这种做法虽有便于教师管理、内容逻辑性强、操作性强等优点，但存在学生学习被动、理解不透彻、沉浸性弱等劣势。此时，教师可以引导学生佩戴VR设备，“身临其境”观察依托虚拟现实技术呈现的动态模型。这里的“动态”指的不仅仅是视频资源里的操作步骤演示，更多的是在此基础上让学生通过自主体验式学习更为直观地感受实验过程，深化对实验原理的理解。

例如，人教版物理“电磁电动机”教学中，为了便于学生观察与探究，教师便利用VR技术让学生观察电动机内部结构。虚拟仿真环境下，在电动机转动的动态过程中，学生对机器里各个部件进行“标记”与“拆解”，在熟悉每个部件及其名称的同时，还可以思考它们的作用。教师适时进行补充、解释，与学生一起总结各个部件的作用与功能。之后，学生自主“调整转速”进行探究，认识到电动机里能够转动的部分就是转子，固定不动的部分就是定子，准确判断电流方向、磁场方向。教师以学生自主探究为主导开展实验教学（只需要适当加以引导与总结），帮助学生有效理解电动机的工作原理，了解换向器的作用。与传统教学相比，教师借助VR技术能创设高度仿真的动态实验情境，让学生自发地操作与思考。在这样的环境下学习，学生的感性认知更为充足，其对新概念的理解更为深入。

（三）在沉浸式体验中提升微观探析与认知能力

在中学化学的教学中，对于很多问题，教师需要从微观角度去解释宏观现象。学生要理解教材中微观内容，需要具备一定的空间想象力，但往往其知识储备量不足，对微观的抽象知识不理解，陷入困惑。教师借助VR技术让学生对微观现象进行直观体验，能有效地展示物质结构的空间构成，并通过三维动画模拟微观粒子的运动，建立直观的虚拟场景。教师在VR技术的支持下满足学生的探究需求是很容易实现的^[2]。

以人教版化学“溶液的形成”为例，教师通常以播放课件的形式帮助学生理解，但这样做缺少交互性，效果欠佳。一些教师就演示蔗糖、氯化钠等几种常见物质在水中溶解的实验，让学生先对物质溶解产生初步认识，并抛出问题“溶液具有稳定特征的原因是什么”，启发学生从微观中找寻答案。此时，信息技术就可以派上用场。教师让学生依据需求通过VR设备自主观察物质溶于水的微观过程。学生使用VR技术中的三维功能，仿佛置身溶液中——肉眼可见的溶质分子在水分子的作用下溶解扩散，慢慢形成稳定的混合物。学生通过沉浸式体验学习知识，效果比仅靠想象或观看课件好。有效的视觉刺激能使体验者更好地了解并叙述溶解过程。

VR技术适用于中学化学中诸多微观实验，教师借助这项技术可以有效地将微观实验现象进行宏观呈现，更好地培养学生对部分微观抽象内容的探析与认知能力，使学生沉浸实验中，对知识有深刻理解，突破学习障碍。

二、VR技术应用与相应类资源的开发策略

目前，VR教学产品开发应用存在一些问题：内容同质化、与教材匹配度不高;缺乏既有教学经验又具备VR技术开发能力的专业人才;产品推广力度不够;教师难以在短时间内自如地应用新产品解决教学问题。针对这些问题，笔者提出以下几点有关VR类资源开发的策略。

（一）梳理教材内容，撰写匹配的VR脚本

目前，VR技术在教育领域的应用主要体现在教学场景化传播方面，新的传播形式虽能激发用户兴趣，但要想效果持久，离不开优质的内容。研发团队应秉持内容为王的理念，依托课程教材编研的优势，梳理中学理科教材中适用于VR技术的知识点，预判与VR技术结合的可行性，强化内容场景化传播方式的融合，突出特色，避免同质化。研发团队应在项目论证、立项之后再着手脚本编写，同时请相应学科专业的教材编者和教师对内容进行把控，与合作公司一起对所选内容进行VR产品的框架设定与视觉呈现上的设计，兼顾产品的功能性与艺术性。此后，技术团队介入，进行素材采集与3D内容的制作，并预留产品迭代升级的空间，最终制出成品。

（二）搭建内容、技术、应用三方共通的框架

为迎接VR技术对教育行业带来的新机遇，教育机构应顺应潮流，组织人力从VR技术的发展进程、使用场景、适用阶段、学科内容、前期投入、后期运维等方面全方位进行项目运作。一些教育出版机构可以充分利用本身的版权与内容资源，委托有能力的技术开发公司进行开发与制作，强强联合，优势互补。研发团队应深入学校考察调研，了解师生的需求，构建内容方（研发团队）、技术方（制作公司）、应用方（学校）互联互通的关系网络。

（三）与校方密切互动，维持良性合作关系

VR产品具有很强的服务特性，这就决定了开发团队推广产品会重点瞄向B端（即以学校为主），同时深度发掘现有渠道用户的需求，与学校建立长期联系，不断供应VR产品资源。研发机构可以中学理科课堂为主要使用场景，制作科学、物理、化学、生物学VR教学产品;在学校实验室投放VR实验一体机，通过VR资源云平台向实验室输送VR实验素材，使传统实验变成一个沉浸式的、支持用户自主探究的虚拟实验操作系统。设计的产品应可批量生产，可大规模推广，并支持复用，能够带来可观的社会效益和经济效益。为维持良性的互动关系，内容方应随时收集VR产品用户的评价意见，依照反馈进行产品的升级优化，保持与B端用户的良性互动。

（四）建立培训帮扶机制，提高教师应用技术的能力

VR技术是一种新兴的信息技术，其应用对教师的教学提出了新的要求。教师不仅要及时关注相关动态，而且要加强学习，提高应用能力。笔者建议相关科研单位、技术公司、教育机构加大对教师的帮扶力度，建立培训机制。这样，既可以让学校参与VR资源开发，又可以在课余时间为教师提供讲座与培训服务。此外，为配合相关课程的教学研究工作，培训机构可为教师提供设备，提高其开发与应用VR技术的能力。

三、VR类资源助力中学理科教学的建议

（一）重视VR课堂上教师身份的转变

VR技术已在中学理科教学中广泛应用，教师能否积极转变角色，对VR类资源在课堂上作用的发挥有极大影响。

首先，在VR教学中，教师除了传授知识外，还要做一名有敏锐洞察力和独立思考力的学习者。教师面对新技术，要持开放态度，充分了解与体验VR类资源的特点，探寻其与教学的契合点，积极更新知识，同时，应熟练掌握VR类资源的应用技能，不能单纯地“使用”，而要争做切实推动VR技术与教学深度融合的探索者。

其次，教师应作为“把关人”参与资源使用的全过程。经验丰富的教师对教材内容（教学重难点）把控准确，出版机构应邀请资深教师对VR类资源与教材的内容的匹配度进行把控。教师更清楚学生的兴趣所在，在他们的助力下，出版机构对VR类资源中的学生反馈模块着重打磨，可为学生提供独特的体验。

最后，教师应注重教学与科研的融合发展，实现从单纯的教书人到科研人的角色转变。这不仅是当下教学的需求，更是VR技术与中学理科教学深度融合的需要。教师要积极参与教研工作，对VR教学中的技术性能、学生体验、目标达成度等进行深入调查研究，使其应用价值最大化。

（二）重视传统教学与VR类资源的高效融合

教师要分配好传统课堂教学与VR类资源使用的比例，不能用VR环境完全替代真实的上课情境。虽然虚拟现实技术应用于理科教学有诸多好处，但多数情况下只起辅助作用。传统教学的优势在于，在真实的课堂上更可能出现出人意料的学生回答或实验结论。教师可以借此机会，引导学生发散性思考，解决实际问题，让他们从中获得启发。如果教师完全运用VR技术教学，往往会将场景置于相对理想的状态，不利于学生发散思维，观察现象，分析并得出结论。再者，嗅觉、味觉、触觉真实反馈是当下VR技术无法模拟的。更何况，教材中相对基础的实验，如“显微镜的使用”“金属的腐蚀”“植物细胞的质壁分离”等，实验时间较短，流程并不复杂，教师应将主要精力放在培养学生实操技能上面，针对教学目标优化教学设计有的放矢地使用技术。当前，教师可将VR资源作为学生实验后的复习与测试的补充加以应用，应注重传统教学与VR技术的“虚实相融”，在真实的理科课堂教学中发挥VR类资源的价值，提高教学质量。

（三）重视对教学全流程的准备、监督、反思工作

课前，教师在备课阶段要充分考虑VR类资源的使用情况，反复核对所需要的素材，设计辅助理科教学的VR教学方案。同时，学科组要组织教师研讨如何有效使用VR资源，达成共识。

课中，教师应安排学生利用VR类资源自主探究。在此过程中，教师应把握主导权，适时对学生进行监督与引导，对使用过程跟进。如果学生是初次接触VR设备，教师应介绍设备的操作方法与注意事项，分配任务。学生接受探究任务后，开始利用VR设备自主探究，观察现象、获得知识。当学生疑惑时，教师可以组织他们分组讨论，完成探究任务。

课后，教师应及时对VR课例进行整理与思考，并与学科组同事交流心得，根据授课情况和学生自主探究、小组合作情况，及时总结经验。教师如果能做数据分析，则可更高效地利用VR类资源，编写个性化教案，最大限度地激发学生潜能，帮助他们提高逻辑能力与空间想象力。课后教师应积极联合技术人员，进行反馈与沟通，主动参与到研发工作，使VR类资源更适于教学。

四、中学理科教学类VR资源的开发与应用前景

笔者认为，未来VR类资源将有更宽阔的应用空间，为中学理科教学带来更为优质的体验，同时也为资源开发者带来更多社会与经济效益。

（一）教师授课效率提高

随着VR设备性能提升、售价降低，会有更多的VR类资源在中学理科教学中应用，教师的传统授课方式也将发生改变。有了VR类资源的支撑，教师将会常态化开展探究式、个性化教学，力求让每位学生在VR环境下自主获取所需，实现差异化发展，弥补“满堂灌”教学的不足。VR资源应用到课堂教学中，能为学生创造一个利于体验的交互式虚拟环境，帮助学生认识微观现象、理解抽象概念。教师应用VR技术教学的优势：一方面能使学生的求知欲与好奇心获得满足;另一方面能使教师的授课方式得以创新，增强课堂教学趣味性，提高教学效率。

（二）营利模式得以扩展

当下，市场上若干面向中学理科教学的VR资源多是与相应纸质书籍捆绑销售，VR资源只是作为图书配套资源来应用，没有充分发挥VR资源的价值。随着5G甚至6G时代的到来，新的通信技术具有低延时、流量密度大等特点，其融合应用将降低VR资源对硬件的要求，进一步降低生产成本。在此背景下，VR类产品将会大量涌向市场，其质量会有大幅提升，种类也越来越多。开发团队将这些资源加以整合，有望实现VR产品独立销售。

（三）市场渠道将会拓宽

当前数字出版持续推进，VR资源在中学理科课堂教学中的应用将会越来越普遍。不少教育出版机构积极适应数字出版新要求，在混合式出版方面做了许多探索与尝试^[3]。例如，青岛出版集团针对中学理科开发了VR教学版课程。此外，电子设备越来越智能化、便捷化，VR产品将有巨大的市场需求，并有望在课堂上得到更好的推广，极可能在理、化、生这些本身与VR技术使用融合度高的学科上率先大规模常态化应用。

参考文献

[1] 邓象斌.具象化实物模型构建在高中生物教学中的运用分析[J].南昌教育学院学报，2018（4）：45-47.

[2] 李静媛，张弛.VR技术在初中化学教学中的应用初探[J].基础教育论坛，2020（23）：30-32.

[3] 饶国慧.5G技术助推下的“VR+教育出版”[J].出版广角， 2020（16）：76-78.

（作者系人民教育电子音像出版社高级编辑）

责任编辑：祝元志