VR技术在科普教育中的应用

孙永琪　崔方天　李伟　王琦

［摘 要］VR技术具有沉浸性、交互性、构想性等突出优点，被广泛应用在军事、医学、影视、游戏、教育等方面。在当今网络时代，VR技术在科普教育方面所起到的作用和影响力是其他科普手段所不能比拟的。文章以智慧科普为出发点，把VR技术与浊漳河流域生态科普产品搭建在一起，使VR技术与水文、地理、教育结合起来，共同实现传播生态学知识、宣传环境保护理念的目的；并通过梳理VR技术在国内外的应用情况及理论基础，探讨VR科普教育资源的特征与需求。

［关键词］VR技术；科普教育；生态学；自然地理

［中图分类号］G42［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）03-0074-06

一、VR技术

（一）VR技术概述

VR技术，即虚拟现实技术，是将计算机技术和传感技术融合而创造出来的一种新的交互方式。通过计算机的图像、视觉等技术的相互融合，实现全景空间与现实环境的一一对应，使用户身临其境般感知虚拟环境中的场景。VR技术的主要特点是沉浸性、交互性以及构想性。沉浸性是指VR技术可以为使用者提供身临其境的感受，让使用者能直接地观察三维空间内的事物；交互性是指使用者对构建出来的虚拟物体的可操作性和从中得到的反馈；构想性是VR技术具有极大的可想象空间，使用者可以扩宽自己的认知范围，既可以再现真实的环境，也能构造现实中不存在的环境，从而提高使用者在感性层面和理性层面的认知，使其产生新的构思，启发人的创造性。VR技术具有成本低、效能高、传输速度快的优势，许多国家开始对其进行研究，具有良好的发展前景。

（二）VR技术的应用现状

20世纪80年代，VR技术正式出现在美国，早期为美国宇航局（NASA）服务，被应用于宇航员临场感练習。当时在推向民用市场时，因为价格昂贵未能成功。直到2014年Facebook收购了Oculus公司后，VR技术才再次进入公众视野。目前，美国利用VR技术在航空、卫星等领域建立了VR训练系统，在军事领域模拟战场环境和各种形式的训练，以提高军队的作战能力和水平；英国和日本等国也将VR技术用于工业设计、知识库建立、游戏等领域，并取得了一定成绩[1]。

我国的VR技术相较于发达国家，起步晚、差距大，但是在政府相关部门的高度重视和VR技术专家的努力下，近年来得到了快速发展，国家也在不断加大对VR领域的投资[2]。

到目前为止，VR技术在医学领域应用较为成熟。对心理健康问题进行行为矫正、对感知障碍等方面的纠正与治疗都是VR技术在医学中的应用。例如在1995年，它已经被用来治疗恐高症等[3]。创伤后应激障碍（PTSD）是由超出人类通常经历范围的创伤性事件引起的，包括（但不限于）军事战斗、暴力人身攻击、被绑架或劫持等。VR暴露疗法用于PTSD患者的先期治疗具有积极的效果，其替代了传统环境下的暴露疗法。研究证明，这种治疗法对幽闭恐惧症、恐高症等焦虑方面的疾病有很好的疗效。试验结果显示：在接受治疗之后，患者会重新提高对情景的认知控制能力。VR暴露疗法结合功能性磁共振成像 （fMRI）用于心理治疗，已成为未来不可或缺的一种治疗手段[4]。对于一些有认知障碍的特殊儿童，VR 技术同样能够从视觉、听觉、触觉等多方面进行康复训练，相比于传统治疗手段，其可操作性更强，也更加安全、高效。国内外的研究人员在采用VR技术对肢体障碍儿童、视力障碍儿童、听力障碍儿童进行肢体康复治疗、视觉康复治疗、语言与课堂教育的针对性治疗，以及注意缺陷多动障碍患儿、孤独症儿童、智力障碍儿童的治疗方面都取得了明显成效[5]。

二、使用VR技术开展科普教育的机遇

（一）应用优势

1.不受时空限制

运用VR教学手段，可以大大提高实践教学的可行性。对于费用昂贵、可操作性差的仪器设备的操作学习，或者是会对身体造成损伤的实验，完全可以用VR技术来进行。同时，VR技术可以把某些抽象的或者整体框架中的具体细节丰满立体地展现出来，而对于过程的全局把握更可以增强操作人员的自信，使得实验成功的概率大大提升。

2.高效

在“减负不减质”的宗旨下，VR技术在科普教育中可以很好地充当教师的角色，带领学生们沉浸式地体验VR产品中精彩的知识，降低教育成本，提高学生学习的积极性，提升教学效率。有研究表明，学生单独看照片和文字的学习有效率是12%，而在注意力高度集中、全身心投入时学习有效率能达到65%。

3.体验感极好

Bronack指的是类似教学游戏、虚拟空间等沉浸感极强的学习媒体增强现实软件，能使参与者集中注意力。因为VR技术可以为参与者提供一个特别的空间，这个虚拟空间会让参与者与周边事物融合在一起，这种存在感出现之后会增强参与者对于展示、教学的理解[6]。同时，VR技术可以通过多维空间的即时反映去提高学生的直觉[7]。直觉对学生生活中的情感价值改善非常明显，而 VR技术正好可以把参与者脑海中的“虚拟与现实结合到一起并且有针对性的体验”这一理念展现到一个情景模式中。可见，VR技术对于增强参与者的理解和直觉具有很大的帮助。

除此之外，VR技术通过计算机使得人与人或者人与机器间交流更具真实性，对于语言学习、线上对答是极有优势的。语言学习领域很早就开始重视VR技术的应用。如VILL@GE项目是欧盟在2007年至2013年推行的“终身学习整体行动计划”中的一项语言学习前沿项目。其使用Second Life平台为语言学习者建立一个虚拟环境，以模拟面谈与游戏来引导学生用自己获得的知识去表达和交流，让学生在“真实”的社交对话下，提升语言运用熟练度以及加强跨文化交流等方面的能力[8]。

（二）VR技术在长治学院生命科学系的教学应用初探

疫情防控期间，受隔离政策影响，教育领域受到了巨大的影响。就本科教育而言，线下教学转成线上教学之后，学生的学习热情大打折扣。由于居家学习缺乏教育工作者的监管和同学的监督，自制力较差的学生极易脱离理论课的课堂。此外，受场地限制和仪器的制约，所有的实践类课程全部被迫取消。如此一来，既打乱了学校的人才培养计划，又影响了学生动手操作能力的培养。

在此期间，长治学院生命科学系与长治市漳太环保科技有限公司合作，共同研发制作了VR和VR实景两种类型的教辅产品，在生态学、自然地理学、生物化学、环境生态工程专业综合实习等几门课程的教学活动中进行了初步的应用探索。长治学院生命科学系的教师团队负责进行教学设计与教学资料整理，长治市漳太环保科技有限公司负责进行VR实景拍摄以及VR建模。在教辅产品设计、制作过程中，生物1701、环境1801、环境1901等多个班级的学生参与了VR作品的拍摄及后期制作。

通过两年多的教学实践，我们对VR技术在教育中的应用有了更进一步的认识。

首先，VR技术可以完全替代传统线上PPT教学。在传统的理论课教学过程中，学生无法返回浏览教师翻过的PPT，导致学生一旦有某个环节没理解就会影响到后续学习的效果。线下教学时，教师可以通过学生的面部表情把握学生的听课情况，甚至可以返回去重新补充、强调讲过的内容。而线上课程则完全将学生置于被动听课的地位，学生一旦出现理解困难，则严重影响听课效果。通过将传统线上PPT教学转换为VR教学，学生不仅可以提前备课，还能在上课过程中自主进行PPT翻页，使不同学习能力、不同自学程度的学生都能尽可能地适应课堂教学进度。站在教师的角度，许多教师出于知识产权保护的考量不愿在课下与学生分享PPT原件，而VR技术可以消除教师这方面的顾虑。一方面，VR教学中的图片无法下载原图；另一方面，VR教学中所有的影音教学资源都可以用水印覆盖。如果进一步推广VR教学代替传统线上PPT教学，教师在未来的教学活动中只需要一个二维码就可以提供所有教学资料，包括PPT课件、教案、教学大纲、影音视频、习题册等。

其次，VR实景在实践类课程中的应用不可小觑。通過拍摄VR实景，可以使学生在有限的教学时间里以“日行千里”的节奏延伸课程的广度，以“登天入海”的视角拓展实践教学的深度。众所周知，实践或实习的很大一部分费用产生在交通、餐饮和住宿方面。同时，由于景区内人员大量聚集既影响交通又存在安全隐患，学生进入景区后通常选择分散行进，有限的带队老师不可能随时随地向所有学生进行现场教学。而采取VR实景拍摄的形式，不仅可以满足疫情期间学生户外实习的需求，还可以辅助线下的户外实习。通过VR实景预览，学生可以提前熟悉路线、了解沿路有可能观察到的实物实景和科学现象。在充分准备的基础上再进行实习，不仅有利于学生通过实践高效掌握理论知识，更有利于学生在实习过程中保护自己的人身财产安全。

再次，VR教学可以充分调动学生的学习积极性。在传统“满堂灌”的教学模式下，学生被动接受课堂信息、被动学习，学习效果完全取决于教师的课堂教学水平和人格魅力。而通过在课堂进行VR教学以及投放VR教学辅助产品，能在VR场景中激发学生的探索欲望，发挥学生的学习积极性。同时，教师还可以用不同的方式对VR教辅产品加以利用。比如，让学生在虚拟场景中“寻宝”、结伴进行小组讨论，以及用VR实景形式进行期中考试。

最后，VR教辅产品的使用可以确保学生全心全意专注于课堂教学。由于VR教学多数情况下需要佩戴VR眼镜（至少需要手机扫码进入虚拟场景），可从根源上就杜绝学生上课玩手机的现象。学生有没有认真听课、是否参与了教学过程，会在VR教辅工具的使用过程中一目了然。就目前的使用情况来看，只要VR产品制作优良、内容丰富，学生很愿意参与其中。在经过一段时间的VR教学后，学生会习惯于放下手机、端正学习态度参与到课堂教学中。可以说，VR教学是净化大学校园学风的一种方式。

三、VR教育产品的设计

本文以长治市浊漳河段VR 全景科普产品为例，从场景选定、内容确认与文创产品三个方面对自然地理、生态学等多个学科进行VR科普教育资源的开发与设计。

该产品的目标人群覆盖除婴儿外的所有群体，并在线下现场、抖音、微信公众号等进行宣传推广。VR科普产品能丰富教育形式、深化教育成效，带领使用者走进多彩自然世界，激发使用者进行实地场景考察的动力和兴趣。

（一）场景选定

浊漳河南源的东南西北方向都有与之接壤的水域，水资源丰富、交通便利。在漳泽水库大坝下游，浊漳南源蜿蜒北流，进入潞城区，流经曲里、韩村、曹家沟等村后流入襄垣县。

浊漳河南源流域属于中国东部季风区暖温带半湿润区，四季分明，夏季降水居多，多年的平均降水量能达到620 mm，整年的日照时数多达2600 h。此地涉及地理、生态、环境等各方面资源，便于研究[9]。

（二）研究内容确认

研究组将生态学的学科体系拆解为以下四类代入VR场景进行科普教学。

1.动物学

从大桥向曲里村一路走去，我们能看到的动物有桥下的草鱼、摇蚊，黄碾镇河道处的蜻蜓、甲鱼、泥中的泥鳅、河蚬；当你抬头望去，翠鸟正在枝头上休息；行至曲里村，映入眼帘的是水面上的水黾、轮虫； 转向河堤上，有青蛙、蚯蚓和蚂蚁；走过大桥来到另一边还能看到鲢鱼和乌龟。

2.植物学

黄碾镇段的蒲草、狼尾草、千屈菜、再力花和水旁的垂柳，共同装饰着小桥旁的河道；继续沿着河道走去，眼子菜和睡菜出现在视野中；进入曲里村，最引人注目的是河流旁的小叶杨和松树，这是当地的主要树种。

3.自然地理学

来到黄碾镇—曲里村段，在水力搬运和物质积累的漫长过程中，该河段形成了包括河漫滩、阶地、河床在内的典型河流地貌。

4.环境工程学

大桥下的河岸区域发现了塑料与建筑垃圾，这些都是人类对环境造成的污染。我们要树立环境保护意识，离开的时候尽己所能地带走垃圾。总有机碳是指水体中溶解性和悬浮性有机物含碳的总量，水中的溶解氧含量关系到水中生物的生存，而水中的氮元素主要来源于污水和化肥等。在曲里村的小河边有排放生活污水的管道，污水排进水体中会造成水体富营养化、细菌数量增加、pH等指标的改变等问题，同时河堤旁农业用的肥料在雨水冲刷的作用下也会进入河段，对水体造成污染。

研究组将以上四方面汇总成综合路线进行科普讲解：从浊漳河南源黄碾镇河段处的大桥下一直沿着河流向西南至东北走去，途经坡底、安居、黄碾北，直到曲里村，在大桥下我们能看到人类活动对环境的污染——塑料袋随处可见、建筑垃圾堆积成山；转头看向河流，发现有鱼类活动的踪迹、耐受性极强的水生昆虫（如摇蚊等）。 跨过大桥之后就来到黄碾镇河道处，在安静的环境下我们能看见水底的鱼虾，听见树上的鸟鸣（如翠鸟等），闻见肆意的花香（如再力花）；每当河流水量涨起时，它便会滋润河畔的万物，河水退却后会留下河漫滩、阶地这些印记。再去到曲里村，坐落在小河旁的村落显得寂静了许多，小河流水的声音清晰入耳，河堤上的青蛙在忙着追寻飞虫，田地里的农民伯伯也在辛勤地耕耘着自己的土地。这一番景象便是我们此次科普教学的整体路线。

（三）VR科普教学方案设计理念与线上科普游学的实施

VR实景作品的关键在于讲述人的知识储备和随机应变能力。对于讲述人的选择有以下要求：第一，要具备环境科学或者生命科学的学科背景，热爱大自然；第二，要有一定的文字功底，可以独立设计路线、编写科普游学文案；第三，要有较强的演讲能力，普通话标准，语言有特色。总体上看，师范专业背景和具备教师资格证的理科专业毕业生较符合以上要求。

一套完整的VR科普教学设计方案包括三部分：一是扎实的VR科普作品，要求拍摄清晰、选景典型，尽量在一个场景内呈现丰富的科普元素；二是编纂科普文案，要求在确定科普主体的前提下编写科普文案，内容准确、文字通俗易懂，以深入浅出的方式结合实景讲解科学知识；三是最关键的线上科普游学的实施。

线上科普游学主要分四步完成：第一，线上以VR的形式对本次科普游学的主体、线路和关键点做好引人入胜的简介。第二，在VR实景中导览全局，为线上游客介绍主干路线。第三，根据实际情况设计活动环节。比如，对于比较腼腆的游客可提出问题让其在实景中寻找答案，对于较活泼的游客可以跟随其一起在实景中探索未知。第四，在活动的最后进行总结、点评，并接受线上游客的意见反馈。根据反馈意见，对VR实景作品查漏补缺，更新完善。与此同时，根据线上游客的真实感受，适当调整线上科普路线和科普语言的表述方式。

（四）文创产品

文创产品即文化创意产品，来源于文化创意产业。近年来，随着人们更加注重精神层面的满足感，人们在文化方面的消费水平也不断提高，许多文创产品一经推出就因其独具匠心受到广大群众的喜爱，同时也引起社会各界的关注与讨论。目前，文创产品并没有一个统一的概念，魏鹏举教授在《文化创意产品的属性与特征》一文中认为，文化创意产品取材于文化，包含了文创内容和外在载体两个部分。魏教授认为文创产品是指将有文化内涵的物质或非物质经过再设计创造，最终形成的具有现代意义的产品。另外，高小康教授在《文化产业创意与策划》中认为，文创产品是人类通过劳动创造出来的满足人们精神需求的商品[10]。

综合学者对文创产品的定义，笔者认为文创产品是指在有形或无形的文化中找到其所蕴含的文化资源，通过现代设计手段进行创新设计，创造出创意与实用兼备的产品。所以文创产品具有文化性、创意性、精选性、地方性和愉悦性五种特性。

为了提升VR产品的附加价值，增加线下的交流互动，使科普教育更加丰富多彩，有必要将VR产品与文创产品的制作联系在一起。这既能带动实体制造业，也能拉动当地第三产业的经济增长。文创产品就像一张名片，既可以宣传环保理念，呼吁人们保护自然，爱护地球家园，又可以发掘地方文旅资源，提升当地的旅游知名度。

项目组结合长治市浊漳河段的VR科普产品，挖掘其中的文化资源，设计了如下文创产品：

书签。使用白色硬纸片，以荷花为灵感设计书签边缘，书签长宽分别为120 mm和40 mm，正面设计有龙爪槐小图案（长治市市树为国槐，龙爪槐是国槐的芽变品种，此次拍摄的VR产品中就有龙爪槐）、“长治欢迎您”字樣以及鸢尾花，书签背面有励志名言以及VR产品二维码。

剪纸。盘星藻具有特殊的对称结构，分为单角盘星藻、四角盘星藻、短棘盘星藻、双射盘星藻等类别，这里以单角盘星藻为例。取一正方形纸张，中间对折两次，画上单角盘星藻结构的四分之一，将空白处剪掉，一个单角盘星藻剪纸作品就制作完毕了。在制作过程中，制作者可以了解到单角盘星藻的结构特征，有一定的教育意义。

（五）VR全景科普产品案例

具体VR全景科普产品案例如图1、图2所示，可扫描二维码获取。 

图1 浊漳河黄碾镇段VR全景科普产品       

图2 长治学院动物标本馆VR全景科普产品

四、VR教育科普的推进建议

（一）政府

政府应引导市场分析，组织人员进行VR教育产品的设计、研发，鼓励开展VR教育讲堂，并进行VR教育的实践应用。

通过经费支持、政策鼓励使VR教育进入公众视野，完善产业链、建立研究团队，支持面向特定学科的VR教学系统构建与应用示范等工作。尤其是通过拍摄VR实景并开发相应的文创产品，可以提升城市知名度，拉动地方旅游经济发展；还可以通过科普游学唤起全社会的自然保护意识。

（二）学校与教师

要想让VR技术走进现实，教师和学生要成为领头人，教师知道教学的痛点以及如何表现才能让课堂更加生动，而学生知道什么样的课堂更加有趣。学校对于新技术要持开放态度，积累经验之后再扩大推广范围。

从目前长治学院生命科学系的课程实践来看，VR教学在多门课程中都发挥了突出作用。尤其在自然地理学及生态学综合实习这两门课程的教学中，已有的VR教辅工具牢牢吸引了学生的注意力。学生欢迎VR技术进课堂，更欢迎VR技术带来的课堂教学模式的更新。

建议建立不同学科（或者交叉学科）、不同层次，尤其是自然地理、生态环境方面的VR智慧科普系统，推进教育与科技的融合，从而促进高效教育模式的发展。

（三）教学VR的商业开发与教学改革

目前，市场上还没有出现专门设计、生产与学校教育配套的VR产品的公司。虽然现在使用VR技术进行课程教学的学校和单位寥寥无几，但“星星之火，可以燎原”，就像十几年间PPT逐渐取代了板书。在全面普及网络的现代社会，VR教学也可能会在不久的将来取代PPT教学。VR教辅工具是学生与教师交流的平台，其在一定程度上能倒逼教学改革，促进教师端正教学态度，使教师真正回归“讲”的艺术。

在不远的未来，可能会出现教师向VR公司提交VR教学设计订单，VR公司按照订单制作VR教辅工具的场景。双方各尽其能，教师钻研教学与科研，公司改进产品功能，以此实现双赢。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 刘家怿.VR技术发展现状与未来趋势[J].中国新通信，2016，18（10）： 81.

[2］ 牛健壮，任祥钰，牛峥，等.基于VR平台的体育精品课程建设与实践：以足球课程为例[J].体育世界（学术版），2017（6）：105-106.

[3] SHNEIDERMAN B， PLAISANT C.用户界面设计： 有效的人机交互策略[M].5版.张国印，李健利，汪滨琦，等译.北京：电子工业出版社， 2011.

[4］ 王广新，李立.焦虑障碍的虚拟现实暴露疗法研究述评[J].心理科学进展，2012，20（8）：1277-1286.

[5］ 王庭照，許琦，赵微.虚拟现实技术在特殊儿童教学与训练中的应用研究[J].华东师范大学学报（教育科学版），2013，31（3）：33-40.

[6］ SQVIRE K D. Mad City Mystery： Developing Scientific Argumentation Skills with a Place?based Augmented Reality Game on Handheld Computers[J]. Journal of Science Education and Technology，2007，16（1）：5-29.

[7］ KOTRANZA A ，  LIND D S ，  PUGH C M ， et al. Real?Time In?Situ Visual Feedback of Task Performance in Mixed Environments for Learning Joint Psychomotor-Cognitive Tasks[J]. IEEE， 2009.

[8］ 马冲宇，陈坚林.基于虚拟现实的计算机辅助语言教学：理论、方法与技术[J].外语电化教学，2012 （6）： 28-33.

[9］ 金山，铁军，张桂萍，等.浊漳河流域南源湿地植物生物多样性研究[J].山西大学学报（自然科学版），2016，39（3）：512-518.

[10］ 秦鹏.山西永乐宫壁画文创产品设计[D].长沙：中南林业科技大学，2019.

［责任编辑：刘凤华］