基于VR技術學前兒童生理認知模塊的應用探析

程劍 徐劍

摘要：對學前兒童的生理認知屬于形態學實驗，對實驗室條件要求較高，學前教育實驗室難以滿足教學需求。文章利用VR技術構建一個與現實全真化模擬的虛擬平臺進行研究，所有能在現實實驗室中進行的實驗步驟都可以轉移至虛擬實驗室中進行，全方位、立體化展示學前兒童的生理結構，并對其各部分組成進行互動展示，學生可以自主操作，通過該虛擬平臺形象、直觀地學習學前兒童生理結構特點的知識，以此來幫助學生獲得全面的認知能力。

關鍵詞：VR技術；學前兒童；生理結構

隨著科技的不斷進步，信息技術的發展日新月異，對人們的生活方式產生了深遠的影響，同時也改變了人們的思維、學習方式等。因此，教育也走向了一個信息化時代，從傳統教學模式到網絡化教學模式，從虛擬世界到模擬現實的轉變。正是由于虛擬現實技術的發展，讓教育的變革又迎來了新的發展機遇。

一、VR技術概述

VR技術，即虛擬現實技術，是多媒體技術的最新應用形式，是一種依賴于計算機軟硬件技術，包括多媒體處理技術、圖形處理技術、人工智能技術、傳感技術及仿真技術等多領域的計算機技術。它主要通過計算機三維實時圖形顯示、跟蹤定位的方式模擬虛擬環境，通過傳感技術等實現觸覺和嗅覺，從而仿真出一個具有三維虛擬環境，同時擁有觸覺、聽覺、嗅覺的模擬世界。這個模擬世界可以通過計算機技術實現信息的傳遞與交互。

VR技術能夠模擬出逼真的虛擬環境，同時通過技術實現交互性，從而給人帶來一定的沉浸感和相關的感知。我們稱這樣的特征為“三個I”，即Immersion（沉浸性）、Ineraction（交互性）、Imagination（構想性）。

1.沉浸性

在虛擬環境下，人們有很好的參與感，感覺自己就參與在虛擬環境中，有種身臨其境的感受，從而可以有更好的用戶體驗。相對于被動狀態，VR技術的應用可以提升參與者的積極性和主動性，從而真正融入虛擬現實中，給人以最真實的感受。

2.交互性

交互性是VR技術帶來的樂趣，可以實現虛擬環境下的人機交互，并且這種交互可以帶來實時的反饋。改變以往鍵盤、鼠標的操作，通過傳感器等技術手段實現多元化的交互與體驗，實現身臨其境的真實感受。

3.構想性

VR技術最大的特征就是通過計算機的相關技術使人感受到虛擬環境下的感知，進而將人帶入更加逼真的情境。這也是VR技術希望實現的一種給人的認知。

二、VR技術在教育領域中的應用

VR技術的應用非常廣泛，可以應用于航天工業、醫學虛擬實驗室、虛擬的3D游戲、虛擬的藝術繪畫等場景，這些應用對于行業的發展有著重要作用。在教育中，VR技術能夠將多媒體技術再提升一個高度，通過將三維空間更加清晰地展現出來，從而使學習可以更加直接、自然地感受復雜和較難理解的領域。VR技術被廣泛應用于學習情境的創設，從而讓學習更具形象性和趣味性。VR技術又一次給教育帶來了新發展，學生可以通過VR多維度的認知來學習和理解復雜的內容。將VR技術應用于仿真實驗、虛擬教學及一些特殊的教育，具有明顯的優勢。因此，VR技術是繼多媒體技術、網絡技術之后，又一項具有重要意義的教育變革。

1.仿真實驗

在一些特殊的實驗中，可能存在一些難以解決的問題，如有危險性、特殊性，實驗設備昂貴等，這時教師可以通過利用VR技術三維呈現虛擬現實，從而讓學生可以完成實驗，掌握知識。教師可以通過VR技術構建不同學科的虛擬實驗室，虛擬實驗室可以有效節省教學開支，讓學生在虛擬實驗室里高效地學習相關知識，從而收到良好的學習效果。

2.技能培訓

虛擬現實技術在教學領域中的技能培訓方面有著重要的促進作用，可以讓學生在較短時間內獲得快速的進步與提高。VR技術可以實現不同技能的培訓環境，從而完成技能培訓任務。由于VR技術的虛擬環境安全性極高，感受也身臨其境般的逼真，給學生創造了良好的學習環境，讓學生可以反復學習，以達到培訓的要求和目標。

3.學習引導

在傳統的教學中，可能會涉及一些復雜的、假設的模型，這對于抽象能力差的學生理解起來比較有難度。而VR技術的應用，可以將上述模型轉變為虛擬現實，從而讓學生能夠更加清晰地、深刻地、形象地學習，掌握相關的模型體系，以完成學習目標。例如，常見的分子理論體系就可以通過VR技術來引導學生探究分子的奧秘，從而啟發學生對知識點的理解。VR技術可以讓演示更加清晰、直觀，讓學生獲得真實的體驗，從而幫助學生學習。

總之，VR技術對于教育改革有著重要的推動作用，讓學生的學習更加直接，能夠提升學生的學習效率和學習效果。

三、VR技術在學前兒童生理認知模塊的應用研究

1. VR技術在學前兒童生理認知教學過程中的優勢

VR技術在學生學習學前兒童生理結構的過程中起著非常重要的作用。學前兒童生理結構涉及很多的知識內容，如細胞結構、骨骼結構、肌肉分布及血液環境等，這些內容在傳統的教學中，只能在課堂上借助教材插圖和實驗在顯微鏡下了解，或者通過視頻來了解學習。在此層面上了解的圖像，大多都是二維的，但是通過VR技術，能夠將學前兒童的生理結構構建成三維的，對于學生的學習更加形象、生動。學生可以身臨其境地看到鮮活的學前兒童的生理結構，感受神秘的身體結構，這種感官效果能更好地幫助學生理解抽象的知識點。

VR技術在學前兒童生理認知教學過程中的應用有以下三個優勢。

（1）立體層次感強。

VR技術構建的學前兒童生理結構可以給學生帶來更好的體驗，三維效果的展示，讓學生更加全面、清晰地了解結構體系，同時VR技術能夠支持多層模型的構建，將學前兒童生理結構全方位、多層次的展現，讓學生零距離的接觸，不受空間限制的自行學習與體驗，給學生留下更加深刻的印象，從而提高學習效率。

（2）逼真的畫面效果。

虛擬現實通過真實畫面的再現，能更加清晰地看到一些微觀的事物，同時能清晰地實現學前兒童生理結構的工作原理，這在以往的教學中是難以實現的。VR技術實現的逼真畫面比一般的視頻更有真實感，有更加逼真的體驗感，同時VR技術實現仿真的效果能夠給學生帶來更多的感受，從而更好地幫助學生了解知識結構，掌握學習內容。

（3）豐富的交互方式。

VR技術實現的虛擬現實，不僅在視覺感官上有了更加逼真的效果，VR技術構建的虛擬結構環境還可以設置更多的交互功能，如學前兒童生理結構的骨骼基礎如何構建等情境再現，都增加了學生學習的趣味性。正是這些虛擬的構建及操作，可以在學習過程中增加游戲環節、情境環節，讓學生的學習不再枯燥，而是有趣的學習，從而最大限度地調動學生學習的積極性。

2. VR技術在學前兒童生理認知模塊的構建

VR技術能將現實實驗室中進行的實驗步驟轉移至虛擬實驗室中進行，全方位、立體化地展示學前兒童生理結構，并對其各部分組成進行互動展示，學生可以自主操作。通過該虛擬平臺能夠為學生的視覺感官系統提供景象增強的功能，從而使學生在虛擬交互學習中與自身的所見所聞相結合，能更加形象、直觀地學習學前兒童生理結構特點的相關知識。

構建VR虛擬現實實驗室的首要任務，就是構建虛擬實驗室的3D模型。此過程分為DVS3D，Unity3D，VRP Builder等軟件的學習；實驗室參數及設備參數的收集；虛擬實驗室3D模型的構建三步。第一步，需要學習VR模型開發語言和相關開發軟件的使用，選擇與購進VR硬件設備所配套的軟件開發；第二步，確定開發的實驗室類型，實地勘測獲取相關參數；第三步，根據收集到的參數研究并構建出虛擬實驗室的VR模型。

四、對VR課程教學的反思

VR技術給教育帶來了又一次的變革。VR技術構建的虛擬現實可以更好地引導學生的學習，VR技術帶來的逼真畫面，包括視覺、聽覺，甚至嗅覺，讓學生可以真實感受到身體結構帶來的震撼，從而激發學生的學習興趣，提升學習效率。文章只是對于學前兒童生理結構虛擬環境構建的初步研究，還有很多需要改進之處，而VR技術全面應用于本課程的教學還是存在很多困難的。

1. VR資源不足

首先，VR技術在本課程的應用需要VR教學資源的支持，但是目前VR資源都非常有限，免費的更加稀缺。如果每節課都要通過VR技術虛擬現實完成，需要大量的VR課程的開發，但是VR課程的開發又依托于軟硬件，這些都需要投入大量的資金，也需要大量的相關人才，對于VR技術在本課程教學的全面應用有很大的阻礙。其次，在終端方面，硬件設備仍然需要進一步改進，如VR眼鏡，需要解決長時間佩戴不舒服的問題，這些局限性都有待解決。

2.教師關于VR技術專業化培訓存在問題

VR技術的應用對于專業教師的綜合素質有了更高的要求。一般教師都沒有對VR技術進行培訓過，因此VR技術在教學上的普及還需要一個很長的過渡時期。由于VR課程制作好以后比較難修改，這就要求教師能有更好的學習能力，而很多教師的信息化能力不足，也不能積極地去掌握一門新的技術。因此，VR技術在教學中的應用還需要教師的專業化學習。

3.教師教學設計上的轉變

VR課程教學與傳統教學有很大的不同，教師必須真正做到“以學生為主體，以實踐為中心”的教學思路。例如，教學重、難點的把握對教師提出了更高的要求。在VR課程中，如何運用，如何引導學生去觀察和發現問題，掌握新知識，從而在整體上掌握學習內容。教師需要時間去轉變，實現VR技術在教學中的應用，以學生為主體，激發學生的學習興趣。

基金項目：江西省教育廳科學技術研究項目——基于VR技術學前兒童生理認知模塊虛擬平臺的構建（171237）。

參考文獻：

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