基于VR技術的虛擬現實課程建設研究

蔡雷 李巖

2016年，國家出臺多個文件，對虛擬現實技術的應用給予明確的政策支持，被業界稱為虛擬現實元年。正是在這一年，北京市第六十五中學虛擬現實實驗室建成并投入使用，而后逐步發展為集虛擬現實、3D打印、移動學習技術于一體的北京市高中開放式重點實驗室。

作為全國首家在中學建立的虛擬現實實驗室，自建立以來，一系列問題擺在了我們面前：虛擬現實技術在教育領域，尤其是中學如何應用？切入點是什么？怎樣才能為學生提供更為豐富的教育資源？……基于以上問題，我們從學科融合角度，對中學階段虛擬現實技術課程的建設路徑與方法進行了研究探索。

概念界定

虛擬現實（Virtual Reality）技術指綜合運用計算機圖形（CG）技術、計算機仿真技術、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術，生成逼真的虛擬三維環境，人通過硬件和軟件，對虛擬的環境進行體驗和交互。人在位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D影像傳回，使人產生身臨其境的感覺。

虛擬現實技術有三個特征，分別是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和構想性（Imagination）。虛擬現實中的“現實”泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環境，“虛擬”則是指由電腦生成的意思。 虛擬現實中的“現實”（虛擬的環境）大致可分為三種情況：第一種情況是真實世界中的環境，如虛擬故宮;第二種情況是人類主觀構造的環境，即用于影視制作或電子游戲的三維動畫，如電影《盜夢空間》;第三種情況則是模仿真實世界中的人類不可見的環境，如分子的結構，空氣速度、溫度和壓力的分布等。

課程建設

作為北京市科技教育示范校、北京市金鵬科技團學校和“翱翔計劃”課程基地校，我校一直致力于拔尖創新人才的培養。在此過程中我們發現，人才培養對探究能力和創新能力的要求越來越高，對先進教育技術手段，特別是虛擬現實技術與學校教育相融合的需求越來越大。虛擬現實技術相關課程的建設為學校拔尖創新人才培養提供了良好的物質條件。

虛擬現實技術能夠構建出高度仿真的虛擬教學環境，讓教師和學生在其中開展實驗與探究，不僅能夠豐富教學內容、提升教學效果，更重要的是能夠促進教師教學方式與學生學習方式的變革。與此同時，基于虛擬現實技術的實踐操作還可降低實驗耗材的成本以及某些爆炸性、危險性實驗的風險，能夠真正實現“綠色實驗”教學的改革與創新。

課程定位

創新人才的培養一定是依托創新課程實現的。調查可知，目前中小學階段依托虛擬現實技術開發的課程，多是虛擬汽車模擬駕駛、模擬飛行等初級體驗類課程，與各學科課程相結合的虛擬現實課程非常稀缺。我校的虛擬現實課程建設，注重學生的創新環境、活動體驗、知識探究與創新實踐，采取普及與提高相結合的思路：一方面為開展初高中科技與創新課程提供普及性實驗課程，另一方面面向熱愛動手實踐和具有科技創新潛質的學生開展深層次的培優性課程，以“適合學生發展的課程”來引導學生自由發展，從而滿足學生個性發展的需求，實現創新思維和創新能力的培養。

課程結構

虛擬現實技術通過構建虛擬學習情境來促進學生自主學習，從而實現核心素養的全面提升。基于此，依托虛擬現實技術的課程建設就需要以學生核心素養的培養為核心目標。我校構建了基礎類、拓展類和研究類三類課程——

基礎類課程為普及性課程，通過校內教師自主編寫的校本教材，滿足全體學生對于VR技術的了解與一般運用的需求，著重培養學生掌握虛擬現實技術的核心知識和基本素養。

拓展類課程主要是將各學科與虛擬現實技術進行有機融合，滿足全體學生的個性需求，利用虛擬現實技術的虛擬場景優勢，安排高成本、有危險的實驗內容，讓學生身臨其境地體驗平時無法觀察到的實驗效果，從而進一步培養學生探究與綜合運用知識的能力。

研究類課程則面向對科技創新有濃厚興趣、想深入發展的學生，將VR與3D打印、人工智能等高科技技術相結合，用以滿足部分學生深入研究的需要，著重培養學生發現問題和解決問題的能力。

三類課程從易到難、由淺入深循序漸進，每一個層次的受眾不同、內容不同，最后的課程目標也不同。這樣設置課程的好處在于，教師和學生都有一個學習，且是共同學習的過程。

課程實施與管理

虛擬現實課程體系的構建和實施貫穿中學學段全過程。基礎類必修課通過初中信息技術、勞動技術，以及高中信息技術和通用技術等課程實施，在完成教學任務的基礎上讓學生體驗虛擬現實技術并掌握虛擬現實設備的基本操作。拓展類課程通過各學科的日常教學來呈現，教師可以借助虛擬現實設備和虛擬現實案例來設置教學環境，改變傳統的教學方式，讓學生在虛擬的環境中實現知識的學習和應用。研究類課程通過校本選修課和社團活動課的方式進行，學校根據實際情況，使用校本教材指導學生開展深入的學習和探究。

虛擬現實課程的管理通過建立專門的管理平臺來完成。教學管理部門可以構建虛擬現實課程超市，形成集課程發布、學生選課、課程過程記錄、學習評價以及課程資源開發于一體的綜合性課程管理平臺。

課程評價

我校構建的虛擬現實課程為教師的教學和學生的學習帶來了巨大的變化——

2016年，中考語文作文題《奇妙的實驗室》涉及虛擬現實技術。由于我校學生從入學開始就能夠接觸和使用虛擬現實設備，走出考場時，他們非常高興地說：“這道題是白送分的，把咱們學校實驗室的環境、設備及基礎素養課程寫出來就是一篇生動的文章了。”在高中的通用技術課上，當教師講到斗拱的內容時，學生不僅能夠看到著名古建筑所使用的經典斗拱結構，還能夠根據需要進行建筑結構的分解觀察，充分感受經典建筑結構設計的無窮魅力;每天中午及放學后，熱衷于科技探究的學生會來到實驗室體驗和觀察發動機拆裝、空間站場景、航空母艦模型等虛擬現實案例。學生可以自己確定研究方向，再通過使用虛擬現實設備，在虛擬的環境中進行觀察、思考和討論，并將自己的創意用三維軟件設計出來，進行3D打印，最終實現創意到現實的轉化。

實踐發現，借助虛擬現實技術構建的特色課程可以開闊學生視野，真正激發學生的探究欲和主動學習的熱情，有效提升學生的創造能力和動手實踐能力，為學校、教師和學生帶來了實實在在的改變。

【本文系北京市教育科學規劃課題“中學虛擬現實（VR）課程開發研究”（課題編號：CDHB17348）的研究成果】

責任編輯：周麗