VR技術在中學理科教學中的應用與開發策略

張棟

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡寫為VR，以下稱VR技術），是一種利用計算機創建的虛擬仿真環境。在VR技術支持下，用戶能夠在虛擬環境中感知聽覺、視覺、觸覺、嗅覺，并能在操作過程中獲取高度仿真的體驗。隨著科技進步和教育形式的多元化，越來越多的教育工作者借助VR技術重構教學模式使教育回歸本質。特別是在中學理科教學中，教師應用VR技術解決了以前概念教學、實驗教學不直觀、難以探究與分析等問題，為學生呈現動態過程，使概念從抽象變得具象。VR技術支持用戶交互，給用戶沉浸感，助力用戶想象，它在中學理科教學中具有“利用動態模型強化概念理解”“培養微觀探析能力”等功能與優勢。筆者對VR技術應用于中學理科教學中所存在的問題做了分析與研究，從內容策劃、組織架構、市場推廣、用戶服務等方面提出VR產品研發策略并給出VR類資源助力中學理科教學的建議。

一、VR技術在中學理科教學中的應用價值

（一）使抽象知識具象化

在中學理科教學中，由于部分知識較為抽象，學生理解起來有一定難度。為提高學生對知識的認知程度，激發學生的學習興趣與欲望，教師應充分利用VR技術建構的仿真模型進行教學，對內容具象化處理。抽象知識具象化，即教師以虛擬現實技術所形成的仿真模式，用系統里已有的模型，對需要模擬或者表現的對象進行創造性調整與修改，從而將抽象的概念以近乎真實的直觀方式呈現在學生面前^[1]。

例如，在生物學教學中，像細胞、染色體、DNA、葉綠素等名詞稍顯抽象，學生難以理解。如何解決這些問題？教師可以在講述知識的同時，使用VR設備讓學生自主探究。這樣教學能夠有效降低學生對抽象概念的認知難度，比單純讓學生通過教材上的文字與圖片去理解更為直觀。例如，教學“DNA雙螺旋結構模型”時，教師可以組織學生用VR設備從不同角度觀察模型，并利用放大功能細致了解其中的“大溝”“小溝”“堿基對”等部分，明白各部分之間的空間關系，加深對這一概念的理解，更加簡單地習得知識。又如，一些學生在學習人教版高中生物教材必修一第三章“細胞的基本結構”時，對“細胞膜”“線粒體”“核糖體”等抽象概念存有疑惑，較難系統地建構起它們之間的聯系。教師可適時引導學生佩戴VR設備，讓學生“游進”細胞里細致觀察各類細胞器與相關結構——伴隨視野方位的變化，他們的目光聚集之處還會出現3D示意圖與名詞解釋。抽象的知識點以具象的方式展現在眼前，學生理解與記憶概念就容易多了。

（二）動態演示助力學生理解概念

在中學理科教學中，實驗活動占據重要地位，但受限于實驗條件與課程內容，教師常常只能借助教材中文字進行描述，或播放圖片、視頻，并輔以分析與講解讓學生研習實驗內容。這種做法雖有便于教師管理、內容邏輯性強、操作性強等優點，但存在學生學習被動、理解不透徹、沉浸性弱等劣勢。此時，教師可以引導學生佩戴VR設備，“身臨其境”觀察依托虛擬現實技術呈現的動態模型。這里的“動態”指的不僅僅是視頻資源里的操作步驟演示，更多的是在此基礎上讓學生通過自主體驗式學習更為直觀地感受實驗過程，深化對實驗原理的理解。

例如，人教版物理“電磁電動機”教學中，為了便于學生觀察與探究，教師便利用VR技術讓學生觀察電動機內部結構。虛擬仿真環境下，在電動機轉動的動態過程中，學生對機器里各個部件進行“標記”與“拆解”，在熟悉每個部件及其名稱的同時，還可以思考它們的作用。教師適時進行補充、解釋，與學生一起總結各個部件的作用與功能。之后，學生自主“調整轉速”進行探究，認識到電動機里能夠轉動的部分就是轉子，固定不動的部分就是定子，準確判斷電流方向、磁場方向。教師以學生自主探究為主導開展實驗教學（只需要適當加以引導與總結），幫助學生有效理解電動機的工作原理，了解換向器的作用。與傳統教學相比，教師借助VR技術能創設高度仿真的動態實驗情境，讓學生自發地操作與思考。在這樣的環境下學習，學生的感性認知更為充足，其對新概念的理解更為深入。

（三）在沉浸式體驗中提升微觀探析與認知能力

在中學化學的教學中，對于很多問題，教師需要從微觀角度去解釋宏觀現象。學生要理解教材中微觀內容，需要具備一定的空間想象力，但往往其知識儲備量不足，對微觀的抽象知識不理解，陷入困惑。教師借助VR技術讓學生對微觀現象進行直觀體驗，能有效地展示物質結構的空間構成，并通過三維動畫模擬微觀粒子的運動，建立直觀的虛擬場景。教師在VR技術的支持下滿足學生的探究需求是很容易實現的^[2]。

以人教版化學“溶液的形成”為例，教師通常以播放課件的形式幫助學生理解，但這樣做缺少交互性，效果欠佳。一些教師就演示蔗糖、氯化鈉等幾種常見物質在水中溶解的實驗，讓學生先對物質溶解產生初步認識，并拋出問題“溶液具有穩定特征的原因是什么”，啟發學生從微觀中找尋答案。此時，信息技術就可以派上用場。教師讓學生依據需求通過VR設備自主觀察物質溶于水的微觀過程。學生使用VR技術中的三維功能，仿佛置身溶液中——肉眼可見的溶質分子在水分子的作用下溶解擴散，慢慢形成穩定的混合物。學生通過沉浸式體驗學習知識，效果比僅靠想象或觀看課件好。有效的視覺刺激能使體驗者更好地了解并敘述溶解過程。

VR技術適用于中學化學中諸多微觀實驗，教師借助這項技術可以有效地將微觀實驗現象進行宏觀呈現，更好地培養學生對部分微觀抽象內容的探析與認知能力，使學生沉浸實驗中，對知識有深刻理解，突破學習障礙。

二、VR技術應用與相應類資源的開發策略

目前，VR教學產品開發應用存在一些問題：內容同質化、與教材匹配度不高;缺乏既有教學經驗又具備VR技術開發能力的專業人才;產品推廣力度不夠;教師難以在短時間內自如地應用新產品解決教學問題。針對這些問題，筆者提出以下幾點有關VR類資源開發的策略。

（一）梳理教材內容，撰寫匹配的VR腳本

目前，VR技術在教育領域的應用主要體現在教學場景化傳播方面，新的傳播形式雖能激發用戶興趣，但要想效果持久，離不開優質的內容。研發團隊應秉持內容為王的理念，依托課程教材編研的優勢，梳理中學理科教材中適用于VR技術的知識點，預判與VR技術結合的可行性，強化內容場景化傳播方式的融合，突出特色，避免同質化。研發團隊應在項目論證、立項之后再著手腳本編寫，同時請相應學科專業的教材編者和教師對內容進行把控，與合作公司一起對所選內容進行VR產品的框架設定與視覺呈現上的設計，兼顧產品的功能性與藝術性。此后，技術團隊介入，進行素材采集與3D內容的制作，并預留產品迭代升級的空間，最終制出成品。

（二）搭建內容、技術、應用三方共通的框架

為迎接VR技術對教育行業帶來的新機遇，教育機構應順應潮流，組織人力從VR技術的發展進程、使用場景、適用階段、學科內容、前期投入、后期運維等方面全方位進行項目運作。一些教育出版機構可以充分利用本身的版權與內容資源，委托有能力的技術開發公司進行開發與制作，強強聯合，優勢互補。研發團隊應深入學校考察調研，了解師生的需求，構建內容方（研發團隊）、技術方（制作公司）、應用方（學校）互聯互通的關系網絡。

（三）與校方密切互動，維持良性合作關系

VR產品具有很強的服務特性，這就決定了開發團隊推廣產品會重點瞄向B端（即以學校為主），同時深度發掘現有渠道用戶的需求，與學校建立長期聯系，不斷供應VR產品資源。研發機構可以中學理科課堂為主要使用場景，制作科學、物理、化學、生物學VR教學產品;在學校實驗室投放VR實驗一體機，通過VR資源云平臺向實驗室輸送VR實驗素材，使傳統實驗變成一個沉浸式的、支持用戶自主探究的虛擬實驗操作系統。設計的產品應可批量生產，可大規模推廣，并支持復用，能夠帶來可觀的社會效益和經濟效益。為維持良性的互動關系，內容方應隨時收集VR產品用戶的評價意見，依照反饋進行產品的升級優化，保持與B端用戶的良性互動。

（四）建立培訓幫扶機制，提高教師應用技術的能力

VR技術是一種新興的信息技術，其應用對教師的教學提出了新的要求。教師不僅要及時關注相關動態，而且要加強學習，提高應用能力。筆者建議相關科研單位、技術公司、教育機構加大對教師的幫扶力度，建立培訓機制。這樣，既可以讓學校參與VR資源開發，又可以在課余時間為教師提供講座與培訓服務。此外，為配合相關課程的教學研究工作，培訓機構可為教師提供設備，提高其開發與應用VR技術的能力。

三、VR類資源助力中學理科教學的建議

（一）重視VR課堂上教師身份的轉變

VR技術已在中學理科教學中廣泛應用，教師能否積極轉變角色，對VR類資源在課堂上作用的發揮有極大影響。

首先，在VR教學中，教師除了傳授知識外，還要做一名有敏銳洞察力和獨立思考力的學習者。教師面對新技術，要持開放態度，充分了解與體驗VR類資源的特點，探尋其與教學的契合點，積極更新知識，同時，應熟練掌握VR類資源的應用技能，不能單純地“使用”，而要爭做切實推動VR技術與教學深度融合的探索者。

其次，教師應作為“把關人”參與資源使用的全過程。經驗豐富的教師對教材內容（教學重難點）把控準確，出版機構應邀請資深教師對VR類資源與教材的內容的匹配度進行把控。教師更清楚學生的興趣所在，在他們的助力下，出版機構對VR類資源中的學生反饋模塊著重打磨，可為學生提供獨特的體驗。

最后，教師應注重教學與科研的融合發展，實現從單純的教書人到科研人的角色轉變。這不僅是當下教學的需求，更是VR技術與中學理科教學深度融合的需要。教師要積極參與教研工作，對VR教學中的技術性能、學生體驗、目標達成度等進行深入調查研究，使其應用價值最大化。

（二）重視傳統教學與VR類資源的高效融合

教師要分配好傳統課堂教學與VR類資源使用的比例，不能用VR環境完全替代真實的上課情境。雖然虛擬現實技術應用于理科教學有諸多好處，但多數情況下只起輔助作用。傳統教學的優勢在于，在真實的課堂上更可能出現出人意料的學生回答或實驗結論。教師可以借此機會，引導學生發散性思考，解決實際問題，讓他們從中獲得啟發。如果教師完全運用VR技術教學，往往會將場景置于相對理想的狀態，不利于學生發散思維，觀察現象，分析并得出結論。再者，嗅覺、味覺、觸覺真實反饋是當下VR技術無法模擬的。更何況，教材中相對基礎的實驗，如“顯微鏡的使用”“金屬的腐蝕”“植物細胞的質壁分離”等，實驗時間較短，流程并不復雜，教師應將主要精力放在培養學生實操技能上面，針對教學目標優化教學設計有的放矢地使用技術。當前，教師可將VR資源作為學生實驗后的復習與測試的補充加以應用，應注重傳統教學與VR技術的“虛實相融”，在真實的理科課堂教學中發揮VR類資源的價值，提高教學質量。

（三）重視對教學全流程的準備、監督、反思工作

課前，教師在備課階段要充分考慮VR類資源的使用情況，反復核對所需要的素材，設計輔助理科教學的VR教學方案。同時，學科組要組織教師研討如何有效使用VR資源，達成共識。

課中，教師應安排學生利用VR類資源自主探究。在此過程中，教師應把握主導權，適時對學生進行監督與引導，對使用過程跟進。如果學生是初次接觸VR設備，教師應介紹設備的操作方法與注意事項，分配任務。學生接受探究任務后，開始利用VR設備自主探究，觀察現象、獲得知識。當學生疑惑時，教師可以組織他們分組討論，完成探究任務。

課后，教師應及時對VR課例進行整理與思考，并與學科組同事交流心得，根據授課情況和學生自主探究、小組合作情況，及時總結經驗。教師如果能做數據分析，則可更高效地利用VR類資源，編寫個性化教案，最大限度地激發學生潛能，幫助他們提高邏輯能力與空間想象力。課后教師應積極聯合技術人員，進行反饋與溝通，主動參與到研發工作，使VR類資源更適于教學。

四、中學理科教學類VR資源的開發與應用前景

筆者認為，未來VR類資源將有更寬闊的應用空間，為中學理科教學帶來更為優質的體驗，同時也為資源開發者帶來更多社會與經濟效益。

（一）教師授課效率提高

隨著VR設備性能提升、售價降低，會有更多的VR類資源在中學理科教學中應用，教師的傳統授課方式也將發生改變。有了VR類資源的支撐，教師將會常態化開展探究式、個性化教學，力求讓每位學生在VR環境下自主獲取所需，實現差異化發展，彌補“滿堂灌”教學的不足。VR資源應用到課堂教學中，能為學生創造一個利于體驗的交互式虛擬環境，幫助學生認識微觀現象、理解抽象概念。教師應用VR技術教學的優勢：一方面能使學生的求知欲與好奇心獲得滿足;另一方面能使教師的授課方式得以創新，增強課堂教學趣味性，提高教學效率。

（二）營利模式得以擴展

當下，市場上若干面向中學理科教學的VR資源多是與相應紙質書籍捆綁銷售，VR資源只是作為圖書配套資源來應用，沒有充分發揮VR資源的價值。隨著5G甚至6G時代的到來，新的通信技術具有低延時、流量密度大等特點，其融合應用將降低VR資源對硬件的要求，進一步降低生產成本。在此背景下，VR類產品將會大量涌向市場，其質量會有大幅提升，種類也越來越多。開發團隊將這些資源加以整合，有望實現VR產品獨立銷售。

（三）市場渠道將會拓寬

當前數字出版持續推進，VR資源在中學理科課堂教學中的應用將會越來越普遍。不少教育出版機構積極適應數字出版新要求，在混合式出版方面做了許多探索與嘗試^[3]。例如，青島出版集團針對中學理科開發了VR教學版課程。此外，電子設備越來越智能化、便捷化，VR產品將有巨大的市場需求，并有望在課堂上得到更好的推廣，極可能在理、化、生這些本身與VR技術使用融合度高的學科上率先大規模常態化應用。

參考文獻

[1] 鄧象斌.具象化實物模型構建在高中生物教學中的運用分析[J].南昌教育學院學報，2018（4）：45-47.

[2] 李靜媛，張弛.VR技術在初中化學教學中的應用初探[J].基礎教育論壇，2020（23）：30-32.

[3] 饒國慧.5G技術助推下的“VR+教育出版”[J].出版廣角， 2020（16）：76-78.

（作者系人民教育電子音像出版社高級編輯）

責任編輯：祝元志