基于VR虛擬現實技術的項目式教學應用研究

吳蘭蘭

（海南科技職業大學國際護理學院，海南 海口 571126）

1 基于VR虛擬現實技術的項目式教學理論探索

1.1 VR虛擬現實技術

VR是Virtual Reality的縮寫，就是虛擬現實技術[1]。虛擬現實是現代多媒體技術的終極應用形式，它融合了計算機軟硬件技術、傳感器技術、圖像處理技術、人工智能及大數據處理技術等，依賴于三維圖像成型技術、三維定位跟蹤技術、聽覺與觸覺及嗅覺傳感技術、人工智能技術、大數據處理技術以及人的行為學研究等多項技術的發展。VR虛擬現實技術具有沉浸性、交互性和構想性等特點，其將改變人們生活、生產和學習方式。當人們戴上VR眼鏡、數據頭套及手套等特制傳感器設備后，可以置身于一個具有三維感官的世界，人與外界環境可以通過自然動作和配套設施、設備進行信息交互。

1.2 項目式教學

項目式教學是在教學大綱和教學計劃指引下，利用有價值的教學資源，完成一項或多項相互關聯[2]、完整且具有實踐意義的教學活動。項目式教學以任務為驅動，教師根據課程目標和學生學情確定項目主題，提出項目設計，并在項目任務實施過程將理論知識與操作技能整合起來。項目式教學以教師為主導，教師指導學生完成任務；以學生為主體，學生全程參與項目任務實施過程，在實踐中解決問題、完成任務。

項目式教學與傳統教學有很大的差別，它注重教師的引導、學生的自主探究性學習、生生及師生交流。在教學形式上，項目式教學通過將理論與實踐相結合的形式，提高學生創造力，改變傳統教學中理論教學與實踐教學相分離的格局。在教學環境上，項目式教學是在預先創設好的現實環境中，學生通過實操訓練掌握知識。在教學過程上，項目式教學過程是面向項目的，以項目為基礎的教學模式有利于學生參與預先設置的實際項目訓練，并在完成項目任務過程中學習專業知識，重視學生實際操作能力培養。

1.3 VR虛擬現實技術與項目式教學融合理念

項目式教學步驟包括任務設計、任務解讀、任務實施、評價分析。在任務設計環節，有效融入VR虛擬現實技術，創設逼真的現實虛擬場景，實現技術與課程的完美結合、無縫對接。在任務解讀環節，利用VR虛擬現實技術展示學習場景，學生在三維虛擬環境中進行任務解讀。在任務實施階段，學生置身于虛擬現實環境中進行操作。在評價分析環節，借助VR虛擬現實技術進行總結分析。將VR虛擬現實技術有效運用到項目式教學中，使實訓室資源、VR虛擬現實技術與授課內容、教學形式、教學方法等相融合。

VR虛擬現實技術與項目式教學的關系實質就是將VR虛擬現實技術與課程結構、形式、內容、資源等融為一體[3]，使其成為課程內容的有機組成部分，從而提高教學效率，達成教學目標。如果說授課內容是靈魂，那么VR虛擬現實技術就是手段，只有合理利用手段，才能更好地講授課程內容。既然VR虛擬現實技術對提高教學質量有不可估量的作用，那么就應該把這種技術引入項目式教學中，將VR虛擬現實技術與授課內容融合。

項目式教學內容關聯性、實踐性、操作性強。這就要求教師在設計教學內容時，從學生實際需求出發，對教學內容進行重構，根據內容設計若干個基礎項目任務。項目任務是實踐性較強的知識模塊，利用VR虛擬現實技術，模擬真實情景，創設虛擬現實場景，學生佩戴VR眼鏡和相關傳感器設備，參與項目活動，在虛擬現實場景中完成任務。

項目式教學過程是教師和學生相互輔助的過程。項目式教學注重學生自主學習過程，為了保證學生自主學習的順利開展，教師要重視輔助。在項目式教學過程中，教師主要起輔助作用，學生佩戴VR眼鏡、任務實施過程中，教師要針對動作要領進行指導和輔助。當然，對于項目式教學內容設計和環境創建，也需學生參與。只有根據學生學習特點和知識結構特點，才能創建符合學情的項目式教學環境。基于VR虛擬現實技術的項目式教學活動強調活動中師生協作，重視培養學生團隊協作能力。

2 基于VR虛擬現實技術的項目式教學設計

基于VR虛擬現實技術的項目式教學是一種新的教學模式，其以虛擬現實技術為支撐，依托VR眼鏡，使學生獲得身臨其境的體驗，從而激發學生學習興趣，使其在游戲中完成項目任務，在愉悅的氛圍中學習知識，提高學習效率。

2.1 基于VR虛擬現實技術的項目式教學設計理論

2.1.1 基于VR虛擬現實技術的項目式教學設計理念 教學設計模式[4]是指在日常教學實踐活動中逐漸積累，并形成一套體系的步驟。該模式依托于教學環節，說明哪個環節做什么，用什么形式去做。常見的教學設計模式有3種：以教師為主體的教學設計模式，以學生為主體的教學設計模式，以教師為主導、學生為主體的教學設計模式。傳統的理論教學多采用以教師為主體的教學設計模式。對于閱讀等自主學習活動，多采用以學生為主體的教學設計模式。而項目式教學中則多采用以教師為主導、學生為主體的教學設計模式。在實際教學設計過程中，教師可以根據具體教學內容，有針對性地選擇和完善教學設計模式，從而滿足教學需求。

教學設計模式的發展離不開現代信息技術。項目式教學強調以任務為驅動，以教師為主導，以學生為主體，注重項目設計和任務實施過程中的環境創設。因此，可將VR虛擬現實技術引入項目式教學，創設項目實施環境，提高教學效率。

2.1.2 基于VR虛擬現實技術的項目式教學設計系統構建理念基于VR虛擬現實技術的項目式教學設計系統是在項目式教學基礎上構建的，引入VR虛擬現實技術，體現任務驅動教學優勢，同時體現應用VR虛擬現實技術的沉浸式教學特點，構建適合本研究的教學設計模式框架。開展項目式教學的必要條件是教學項目和任務的創設，項目和任務的創設既要符合教育教學規律，又要適應學生實際情況，更重要的是要借助現代信息技術。基于VR虛擬現實技術的項目式教學設計模式注重學生在任務實施過程中的體驗[5]，利用VR虛擬現實技術，使學生獲得娛樂性、交互性和沉浸性體驗。

2.2 基于VR虛擬現實技術的項目式教學模式構建

教學模式是在一定教學思想或教學理論指導下建立起來的較為穩定的教學活動結構框架。教學模式在宏觀上突出了教學活動整體及各要素之間的關系和功能。基于VR虛擬現實技術的項目式教學模式的構建基于項目任務實施，以教師為主導，以學生為主體（見圖1）。教學步驟包括任務設計、任務解讀、任務實施、評價分析。在任務設計環節和任務實施環節引入VR虛擬現實技術，學生在游戲中實施任務[6]，在教師輔助下，佩戴VR眼鏡進行任務探索。

圖1 基于VR虛擬現實技術的項目式教學模式

3 基于VR虛擬現實技術的項目式教學實施

外科手術實訓課作為護理專業一門專業核心課程，科學性、技術性及實踐性較強，實訓操作難度較大。學生既要熟悉手術護理技術，又要掌握無菌操作規范，整個實訓過程要求做到嚴密組織、精心策劃。鑒于實訓操作難度較大，且無法與手術室真實環境一致，我院在2019級護理專業外科手術實訓課中開展基于VR虛擬現實技術的項目式教學。

3.1 任務設計——VR環境創建

在外科手術實訓課教學中，學生需要完成外科刷手、穿無菌手術衣與戴手套、消毒鋪巾、外科手術操作配合等任務。教師將VR虛擬現實技術融入實訓過程，結合任務特點創建VR環境。實際外科手術活動空間包括開放式刷手間、手術室內走廊和外科手術室3個操作空間，因此，在創建基于VR虛擬現實技術的虛擬手術室空間時，也要創建以上3個操作空間。

創設虛擬空間時，要依據臨床手術室實景圖片、手術操作錄像、教學圖片等基礎數據編寫腳本，在描述空間時需涉及空間類型、空間描述、空間大小、是否位移、空間動線、空間動線描述、場景布置、避讓物、避讓條件、避讓要求、禁行區域、可通行區域等。場景布置要點較多，書寫腳本應詳盡，只有這樣才能通過電腦創建逼真的空間環境，讓學生有身臨其境的感覺，增強角色體驗感，提高實際操作練習效率[7]。設計的手術室實驗項目包括外科刷手、穿無菌手術衣與戴手套、消毒鋪巾、外科手術操作配合等。

為增強實驗的真實感，可從物品類型、名稱、型號、數量、位置、組合邏輯、時間邏輯、是否穿戴等方面創建模型。利用Unity模型技術，從物品的外觀、大小、色彩等方面，將其與實物進行紋理映射和渲染，讓學生使用起來真實感更強。在交互功能的實現方面，采用Kinect光學設備進行動作捕捉，增加語音交互功能，使學生更自然地獲得沉浸式的交互體驗。

3.2 任務解讀——VR虛擬現實技術演示

以消毒鋪巾項目為例。首先向學生解讀學習任務的規則和要求，在這里我們采用VR虛擬現實技術演示學習場景，在此場景內對本次實驗項目的要點進行展示，學生在三維虛擬環境中先觀看，了解本次實驗項目的重點內容和相關知識。

3.3 任務實施——VR虛擬現實技術應用

在掌握學習任務的規則和要求之后，學生作為學習主體，參與教學，進入任務實施階段。本階段學生要完成兩個任務，即選擇實驗物品和作為護士輔助主刀醫生進行手術輔助操作。

為了保證實驗效果，我們以VR虛擬現實技術為輔助完成任務。第一個任務：學生進行外科刷手，之后進入虛擬的外科手術室，操控面板提示“請您進行消毒鋪巾操作”。點擊文本消失，進入下一個操作場景。學生根據任務提示，選擇合適的實驗用物，如碘伏棉球、換藥碗、卵圓鉗、布巾鉗、手術治療巾、手術中單、手術剖腹單等。如果學生在操作過程中選錯用物，系統會給予提示。第二個任務：學生在虛擬的患者身上進行操作，包括選擇并定位手術切口，用卵圓鉗夾持碘伏棉球對手術區域進行從上向下、由中心到四周、單方向疊瓦狀消毒，依次鋪手術治療巾、中單、剖腹單等。在此操作過程中，系統可根據學生操作步驟，判斷其操作是否規范，如果有錯誤操作或者遺漏動作，系統會給予提示。

3.4 評價分析——VR數據分析

任務完成后，小組之間以及小組內部進行交流和總結，分析實驗過程中操作步驟的連貫性和規范性，在這種情況下，學生可以借助VR虛擬現實技術進行總結分析。學生完成操作后，系統會根據學生操作情況，對其進行綜合評價。如果操作步驟連續規范，沒有明顯誤差，將提示操作通過。如果操作未通過，系統將列出具體的錯誤之處，并告知正確答案，提示面板也會提示是否需要重新進行操作訓練。學生可以反復練習，增強操作的熟練性，直到完全掌握該項操作。

4 總結分析

利用VR虛擬現實技術進行項目式教學，加快學院實訓教學信息化建設步伐，提升教師信息化教學能力及學生學習興趣，最終提升實訓教學質量。

4.1 加快學院實訓教學信息化建設步伐

利用VR虛擬現實技術進行項目式教學，加強學院實訓室建設，提高實訓室信息化程度。創建外科手術實訓室虛擬空間，滿足手術室實驗項目要求，解決學院實訓設備不足等問題，擺脫外科手術實驗難以在實訓室開展的困境。

4.2 提高教師信息化教學能力

利用VR虛擬現實技術進行項目式教學，有利于激發教師學習先進信息技術的動力。在創建實訓室虛擬空間時，教師需要熟悉劇本的設計、開發引擎、全景攝像技術等。開發引擎方面，通過Unity3D，對三維視頻、模型、動畫等進行編輯，得出相關VR內容。在全景拍攝方面，利用全景攝像機拍攝影片并進行后期制作。通過項目實施，教師信息化教學能力得到提高。

當然在項目實施過程中遇到很多困難，這對教師教學設計能力及實施過程的把控能力提出了挑戰。教師要增加知識儲備，緊跟時代發展步伐，立足于課堂教學，不斷探究，提高信息化教學水平。

4.3 提高學生學習質量

VR虛擬現實技術的應用，有利于學生擺脫枯燥乏味的技能操作訓練，自主選擇角色并體驗到角色價值，激發學習興趣。利用VR虛擬現實技術，呈現逼真的虛擬設備，如外科手術操作配合實驗所需虛擬模型（手術刀、手術剪、手術鑷、泡鑷桶、止血鉗、卵圓鉗、布巾鉗、組織鉗、闌尾鉗、手術紗布等）。利用VR虛擬現實技術進行項目式教學，有利于激發學生學習興趣，提高學生學習出勤率、操作積極性及學習質量。

基于VR虛擬現實技術的項目式教學將單調、枯燥的實訓操作變成動態、立體、真實的虛擬現實環境，將單一的實訓臺、冰冷的手術器械變成大小、遠近可以變化的多姿多彩的虛擬世界。VR虛擬現實技術的應用，有利于加快學院實訓教學信息化建設步伐，提高教師信息化教學能力，激發學生學習興趣，提高學習質量。