VR技術在科普教育中的應用

孫永琪　崔方天　李偉　王琦

［摘 要］VR技術具有沉浸性、交互性、構想性等突出優點，被廣泛應用在軍事、醫學、影視、游戲、教育等方面。在當今網絡時代，VR技術在科普教育方面所起到的作用和影響力是其他科普手段所不能比擬的。文章以智慧科普為出發點，把VR技術與濁漳河流域生態科普產品搭建在一起，使VR技術與水文、地理、教育結合起來，共同實現傳播生態學知識、宣傳環境保護理念的目的；并通過梳理VR技術在國內外的應用情況及理論基礎，探討VR科普教育資源的特征與需求。

［關鍵詞］VR技術；科普教育；生態學；自然地理

［中圖分類號］G42［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）03-0074-06

一、VR技術

（一）VR技術概述

VR技術，即虛擬現實技術，是將計算機技術和傳感技術融合而創造出來的一種新的交互方式。通過計算機的圖像、視覺等技術的相互融合，實現全景空間與現實環境的一一對應，使用戶身臨其境般感知虛擬環境中的場景。VR技術的主要特點是沉浸性、交互性以及構想性。沉浸性是指VR技術可以為使用者提供身臨其境的感受，讓使用者能直接地觀察三維空間內的事物；交互性是指使用者對構建出來的虛擬物體的可操作性和從中得到的反饋；構想性是VR技術具有極大的可想象空間，使用者可以擴寬自己的認知范圍，既可以再現真實的環境，也能構造現實中不存在的環境，從而提高使用者在感性層面和理性層面的認知，使其產生新的構思，啟發人的創造性。VR技術具有成本低、效能高、傳輸速度快的優勢，許多國家開始對其進行研究，具有良好的發展前景。

（二）VR技術的應用現狀

20世紀80年代，VR技術正式出現在美國，早期為美國宇航局（NASA）服務，被應用于宇航員臨場感練習。當時在推向民用市場時，因為價格昂貴未能成功。直到2014年Facebook收購了Oculus公司后，VR技術才再次進入公眾視野。目前，美國利用VR技術在航空、衛星等領域建立了VR訓練系統，在軍事領域模擬戰場環境和各種形式的訓練，以提高軍隊的作戰能力和水平；英國和日本等國也將VR技術用于工業設計、知識庫建立、游戲等領域，并取得了一定成績[1]。

我國的VR技術相較于發達國家，起步晚、差距大，但是在政府相關部門的高度重視和VR技術專家的努力下，近年來得到了快速發展，國家也在不斷加大對VR領域的投資[2]。

到目前為止，VR技術在醫學領域應用較為成熟。對心理健康問題進行行為矯正、對感知障礙等方面的糾正與治療都是VR技術在醫學中的應用。例如在1995年，它已經被用來治療恐高癥等[3]。創傷后應激障礙（PTSD）是由超出人類通常經歷范圍的創傷性事件引起的，包括（但不限于）軍事戰斗、暴力人身攻擊、被綁架或劫持等。VR暴露療法用于PTSD患者的先期治療具有積極的效果，其替代了傳統環境下的暴露療法。研究證明，這種治療法對幽閉恐懼癥、恐高癥等焦慮方面的疾病有很好的療效。試驗結果顯示：在接受治療之后，患者會重新提高對情景的認知控制能力。VR暴露療法結合功能性磁共振成像 （fMRI）用于心理治療，已成為未來不可或缺的一種治療手段[4]。對于一些有認知障礙的特殊兒童，VR 技術同樣能夠從視覺、聽覺、觸覺等多方面進行康復訓練，相比于傳統治療手段，其可操作性更強，也更加安全、高效。國內外的研究人員在采用VR技術對肢體障礙兒童、視力障礙兒童、聽力障礙兒童進行肢體康復治療、視覺康復治療、語言與課堂教育的針對性治療，以及注意缺陷多動障礙患兒、孤獨癥兒童、智力障礙兒童的治療方面都取得了明顯成效[5]。

二、使用VR技術開展科普教育的機遇

（一）應用優勢

1.不受時空限制

運用VR教學手段，可以大大提高實踐教學的可行性。對于費用昂貴、可操作性差的儀器設備的操作學習，或者是會對身體造成損傷的實驗，完全可以用VR技術來進行。同時，VR技術可以把某些抽象的或者整體框架中的具體細節豐滿立體地展現出來，而對于過程的全局把握更可以增強操作人員的自信，使得實驗成功的概率大大提升。

2.高效

在“減負不減質”的宗旨下，VR技術在科普教育中可以很好地充當教師的角色，帶領學生們沉浸式地體驗VR產品中精彩的知識，降低教育成本，提高學生學習的積極性，提升教學效率。有研究表明，學生單獨看照片和文字的學習有效率是12%，而在注意力高度集中、全身心投入時學習有效率能達到65%。

3.體驗感極好

Bronack指的是類似教學游戲、虛擬空間等沉浸感極強的學習媒體增強現實軟件，能使參與者集中注意力。因為VR技術可以為參與者提供一個特別的空間，這個虛擬空間會讓參與者與周邊事物融合在一起，這種存在感出現之后會增強參與者對于展示、教學的理解[6]。同時，VR技術可以通過多維空間的即時反映去提高學生的直覺[7]。直覺對學生生活中的情感價值改善非常明顯，而 VR技術正好可以把參與者腦海中的“虛擬與現實結合到一起并且有針對性的體驗”這一理念展現到一個情景模式中。可見，VR技術對于增強參與者的理解和直覺具有很大的幫助。

除此之外，VR技術通過計算機使得人與人或者人與機器間交流更具真實性，對于語言學習、線上對答是極有優勢的。語言學習領域很早就開始重視VR技術的應用。如VILL@GE項目是歐盟在2007年至2013年推行的“終身學習整體行動計劃”中的一項語言學習前沿項目。其使用Second Life平臺為語言學習者建立一個虛擬環境，以模擬面談與游戲來引導學生用自己獲得的知識去表達和交流，讓學生在“真實”的社交對話下，提升語言運用熟練度以及加強跨文化交流等方面的能力[8]。

（二）VR技術在長治學院生命科學系的教學應用初探

疫情防控期間，受隔離政策影響，教育領域受到了巨大的影響。就本科教育而言，線下教學轉成線上教學之后，學生的學習熱情大打折扣。由于居家學習缺乏教育工作者的監管和同學的監督，自制力較差的學生極易脫離理論課的課堂。此外，受場地限制和儀器的制約，所有的實踐類課程全部被迫取消。如此一來，既打亂了學校的人才培養計劃，又影響了學生動手操作能力的培養。

在此期間，長治學院生命科學系與長治市漳太環保科技有限公司合作，共同研發制作了VR和VR實景兩種類型的教輔產品，在生態學、自然地理學、生物化學、環境生態工程專業綜合實習等幾門課程的教學活動中進行了初步的應用探索。長治學院生命科學系的教師團隊負責進行教學設計與教學資料整理，長治市漳太環保科技有限公司負責進行VR實景拍攝以及VR建模。在教輔產品設計、制作過程中，生物1701、環境1801、環境1901等多個班級的學生參與了VR作品的拍攝及后期制作。

通過兩年多的教學實踐，我們對VR技術在教育中的應用有了更進一步的認識。

首先，VR技術可以完全替代傳統線上PPT教學。在傳統的理論課教學過程中，學生無法返回瀏覽教師翻過的PPT，導致學生一旦有某個環節沒理解就會影響到后續學習的效果。線下教學時，教師可以通過學生的面部表情把握學生的聽課情況，甚至可以返回去重新補充、強調講過的內容。而線上課程則完全將學生置于被動聽課的地位，學生一旦出現理解困難，則嚴重影響聽課效果。通過將傳統線上PPT教學轉換為VR教學，學生不僅可以提前備課，還能在上課過程中自主進行PPT翻頁，使不同學習能力、不同自學程度的學生都能盡可能地適應課堂教學進度。站在教師的角度，許多教師出于知識產權保護的考量不愿在課下與學生分享PPT原件，而VR技術可以消除教師這方面的顧慮。一方面，VR教學中的圖片無法下載原圖；另一方面，VR教學中所有的影音教學資源都可以用水印覆蓋。如果進一步推廣VR教學代替傳統線上PPT教學，教師在未來的教學活動中只需要一個二維碼就可以提供所有教學資料，包括PPT課件、教案、教學大綱、影音視頻、習題冊等。

其次，VR實景在實踐類課程中的應用不可小覷。通過拍攝VR實景，可以使學生在有限的教學時間里以“日行千里”的節奏延伸課程的廣度，以“登天入海”的視角拓展實踐教學的深度。眾所周知，實踐或實習的很大一部分費用產生在交通、餐飲和住宿方面。同時，由于景區內人員大量聚集既影響交通又存在安全隱患，學生進入景區后通常選擇分散行進，有限的帶隊老師不可能隨時隨地向所有學生進行現場教學。而采取VR實景拍攝的形式，不僅可以滿足疫情期間學生戶外實習的需求，還可以輔助線下的戶外實習。通過VR實景預覽，學生可以提前熟悉路線、了解沿路有可能觀察到的實物實景和科學現象。在充分準備的基礎上再進行實習，不僅有利于學生通過實踐高效掌握理論知識，更有利于學生在實習過程中保護自己的人身財產安全。

再次，VR教學可以充分調動學生的學習積極性。在傳統“滿堂灌”的教學模式下，學生被動接受課堂信息、被動學習，學習效果完全取決于教師的課堂教學水平和人格魅力。而通過在課堂進行VR教學以及投放VR教學輔助產品，能在VR場景中激發學生的探索欲望，發揮學生的學習積極性。同時，教師還可以用不同的方式對VR教輔產品加以利用。比如，讓學生在虛擬場景中“尋寶”、結伴進行小組討論，以及用VR實景形式進行期中考試。

最后，VR教輔產品的使用可以確保學生全心全意專注于課堂教學。由于VR教學多數情況下需要佩戴VR眼鏡（至少需要手機掃碼進入虛擬場景），可從根源上就杜絕學生上課玩手機的現象。學生有沒有認真聽課、是否參與了教學過程，會在VR教輔工具的使用過程中一目了然。就目前的使用情況來看，只要VR產品制作優良、內容豐富，學生很愿意參與其中。在經過一段時間的VR教學后，學生會習慣于放下手機、端正學習態度參與到課堂教學中。可以說，VR教學是凈化大學校園學風的一種方式。

三、VR教育產品的設計

本文以長治市濁漳河段VR 全景科普產品為例，從場景選定、內容確認與文創產品三個方面對自然地理、生態學等多個學科進行VR科普教育資源的開發與設計。

該產品的目標人群覆蓋除嬰兒外的所有群體，并在線下現場、抖音、微信公眾號等進行宣傳推廣。VR科普產品能豐富教育形式、深化教育成效，帶領使用者走進多彩自然世界，激發使用者進行實地場景考察的動力和興趣。

（一）場景選定

濁漳河南源的東南西北方向都有與之接壤的水域，水資源豐富、交通便利。在漳澤水庫大壩下游，濁漳南源蜿蜒北流，進入潞城區，流經曲里、韓村、曹家溝等村后流入襄垣縣。

濁漳河南源流域屬于中國東部季風區暖溫帶半濕潤區，四季分明，夏季降水居多，多年的平均降水量能達到620 mm，整年的日照時數多達2600 h。此地涉及地理、生態、環境等各方面資源，便于研究[9]。

（二）研究內容確認

研究組將生態學的學科體系拆解為以下四類代入VR場景進行科普教學。

1.動物學

從大橋向曲里村一路走去，我們能看到的動物有橋下的草魚、搖蚊，黃碾鎮河道處的蜻蜓、甲魚、泥中的泥鰍、河蜆；當你抬頭望去，翠鳥正在枝頭上休息；行至曲里村，映入眼簾的是水面上的水黽、輪蟲； 轉向河堤上，有青蛙、蚯蚓和螞蟻；走過大橋來到另一邊還能看到鰱魚和烏龜。

2.植物學

黃碾鎮段的蒲草、狼尾草、千屈菜、再力花和水旁的垂柳，共同裝飾著小橋旁的河道；繼續沿著河道走去，眼子菜和睡菜出現在視野中；進入曲里村，最引人注目的是河流旁的小葉楊和松樹，這是當地的主要樹種。

3.自然地理學

來到黃碾鎮—曲里村段，在水力搬運和物質積累的漫長過程中，該河段形成了包括河漫灘、階地、河床在內的典型河流地貌。

4.環境工程學

大橋下的河岸區域發現了塑料與建筑垃圾，這些都是人類對環境造成的污染。我們要樹立環境保護意識，離開的時候盡己所能地帶走垃圾。總有機碳是指水體中溶解性和懸浮性有機物含碳的總量，水中的溶解氧含量關系到水中生物的生存，而水中的氮元素主要來源于污水和化肥等。在曲里村的小河邊有排放生活污水的管道，污水排進水體中會造成水體富營養化、細菌數量增加、pH等指標的改變等問題，同時河堤旁農業用的肥料在雨水沖刷的作用下也會進入河段，對水體造成污染。

研究組將以上四方面匯總成綜合路線進行科普講解：從濁漳河南源黃碾鎮河段處的大橋下一直沿著河流向西南至東北走去，途經坡底、安居、黃碾北，直到曲里村，在大橋下我們能看到人類活動對環境的污染——塑料袋隨處可見、建筑垃圾堆積成山；轉頭看向河流，發現有魚類活動的蹤跡、耐受性極強的水生昆蟲（如搖蚊等）。 跨過大橋之后就來到黃碾鎮河道處，在安靜的環境下我們能看見水底的魚蝦，聽見樹上的鳥鳴（如翠鳥等），聞見肆意的花香（如再力花）；每當河流水量漲起時，它便會滋潤河畔的萬物，河水退卻后會留下河漫灘、階地這些印記。再去到曲里村，坐落在小河旁的村落顯得寂靜了許多，小河流水的聲音清晰入耳，河堤上的青蛙在忙著追尋飛蟲，田地里的農民伯伯也在辛勤地耕耘著自己的土地。這一番景象便是我們此次科普教學的整體路線。

（三）VR科普教學方案設計理念與線上科普游學的實施

VR實景作品的關鍵在于講述人的知識儲備和隨機應變能力。對于講述人的選擇有以下要求：第一，要具備環境科學或者生命科學的學科背景，熱愛大自然；第二，要有一定的文字功底，可以獨立設計路線、編寫科普游學文案；第三，要有較強的演講能力，普通話標準，語言有特色。總體上看，師范專業背景和具備教師資格證的理科專業畢業生較符合以上要求。

一套完整的VR科普教學設計方案包括三部分：一是扎實的VR科普作品，要求拍攝清晰、選景典型，盡量在一個場景內呈現豐富的科普元素；二是編纂科普文案，要求在確定科普主體的前提下編寫科普文案，內容準確、文字通俗易懂，以深入淺出的方式結合實景講解科學知識；三是最關鍵的線上科普游學的實施。

線上科普游學主要分四步完成：第一，線上以VR的形式對本次科普游學的主體、線路和關鍵點做好引人入勝的簡介。第二，在VR實景中導覽全局，為線上游客介紹主干路線。第三，根據實際情況設計活動環節。比如，對于比較靦腆的游客可提出問題讓其在實景中尋找答案，對于較活潑的游客可以跟隨其一起在實景中探索未知。第四，在活動的最后進行總結、點評，并接受線上游客的意見反饋。根據反饋意見，對VR實景作品查漏補缺，更新完善。與此同時，根據線上游客的真實感受，適當調整線上科普路線和科普語言的表述方式。

（四）文創產品

文創產品即文化創意產品，來源于文化創意產業。近年來，隨著人們更加注重精神層面的滿足感，人們在文化方面的消費水平也不斷提高，許多文創產品一經推出就因其獨具匠心受到廣大群眾的喜愛，同時也引起社會各界的關注與討論。目前，文創產品并沒有一個統一的概念，魏鵬舉教授在《文化創意產品的屬性與特征》一文中認為，文化創意產品取材于文化，包含了文創內容和外在載體兩個部分。魏教授認為文創產品是指將有文化內涵的物質或非物質經過再設計創造，最終形成的具有現代意義的產品。另外，高小康教授在《文化產業創意與策劃》中認為，文創產品是人類通過勞動創造出來的滿足人們精神需求的商品[10]。

綜合學者對文創產品的定義，筆者認為文創產品是指在有形或無形的文化中找到其所蘊含的文化資源，通過現代設計手段進行創新設計，創造出創意與實用兼備的產品。所以文創產品具有文化性、創意性、精選性、地方性和愉悅性五種特性。

為了提升VR產品的附加價值，增加線下的交流互動，使科普教育更加豐富多彩，有必要將VR產品與文創產品的制作聯系在一起。這既能帶動實體制造業，也能拉動當地第三產業的經濟增長。文創產品就像一張名片，既可以宣傳環保理念，呼吁人們保護自然，愛護地球家園，又可以發掘地方文旅資源，提升當地的旅游知名度。

項目組結合長治市濁漳河段的VR科普產品，挖掘其中的文化資源，設計了如下文創產品：

書簽。使用白色硬紙片，以荷花為靈感設計書簽邊緣，書簽長寬分別為120 mm和40 mm，正面設計有龍爪槐小圖案（長治市市樹為國槐，龍爪槐是國槐的芽變品種，此次拍攝的VR產品中就有龍爪槐）、“長治歡迎您”字樣以及鳶尾花，書簽背面有勵志名言以及VR產品二維碼。

剪紙。盤星藻具有特殊的對稱結構，分為單角盤星藻、四角盤星藻、短棘盤星藻、雙射盤星藻等類別，這里以單角盤星藻為例。取一正方形紙張，中間對折兩次，畫上單角盤星藻結構的四分之一，將空白處剪掉，一個單角盤星藻剪紙作品就制作完畢了。在制作過程中，制作者可以了解到單角盤星藻的結構特征，有一定的教育意義。

（五）VR全景科普產品案例

具體VR全景科普產品案例如圖1、圖2所示，可掃描二維碼獲取。?

圖1 濁漳河黃碾鎮段VR全景科普產品? ? ? ?

圖2 長治學院動物標本館VR全景科普產品

四、VR教育科普的推進建議

（一）政府

政府應引導市場分析，組織人員進行VR教育產品的設計、研發，鼓勵開展VR教育講堂，并進行VR教育的實踐應用。

通過經費支持、政策鼓勵使VR教育進入公眾視野，完善產業鏈、建立研究團隊，支持面向特定學科的VR教學系統構建與應用示范等工作。尤其是通過拍攝VR實景并開發相應的文創產品，可以提升城市知名度，拉動地方旅游經濟發展；還可以通過科普游學喚起全社會的自然保護意識。

（二）學校與教師

要想讓VR技術走進現實，教師和學生要成為領頭人，教師知道教學的痛點以及如何表現才能讓課堂更加生動，而學生知道什么樣的課堂更加有趣。學校對于新技術要持開放態度，積累經驗之后再擴大推廣范圍。

從目前長治學院生命科學系的課程實踐來看，VR教學在多門課程中都發揮了突出作用。尤其在自然地理學及生態學綜合實習這兩門課程的教學中，已有的VR教輔工具牢牢吸引了學生的注意力。學生歡迎VR技術進課堂，更歡迎VR技術帶來的課堂教學模式的更新。

建議建立不同學科（或者交叉學科）、不同層次，尤其是自然地理、生態環境方面的VR智慧科普系統，推進教育與科技的融合，從而促進高效教育模式的發展。

（三）教學VR的商業開發與教學改革

目前，市場上還沒有出現專門設計、生產與學校教育配套的VR產品的公司。雖然現在使用VR技術進行課程教學的學校和單位寥寥無幾，但“星星之火，可以燎原”，就像十幾年間PPT逐漸取代了板書。在全面普及網絡的現代社會，VR教學也可能會在不久的將來取代PPT教學。VR教輔工具是學生與教師交流的平臺，其在一定程度上能倒逼教學改革，促進教師端正教學態度，使教師真正回歸“講”的藝術。

在不遠的未來，可能會出現教師向VR公司提交VR教學設計訂單，VR公司按照訂單制作VR教輔工具的場景。雙方各盡其能，教師鉆研教學與科研，公司改進產品功能，以此實現雙贏。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 劉家懌.VR技術發展現狀與未來趨勢[J].中國新通信，2016，18（10）： 81.

[2］ 牛健壯，任祥鈺，牛崢，等.基于VR平臺的體育精品課程建設與實踐：以足球課程為例[J].體育世界（學術版），2017（6）：105-106.

[3] SHNEIDERMAN B， PLAISANT C.用戶界面設計： 有效的人機交互策略[M].5版.張國印，李健利，汪濱琦，等譯.北京：電子工業出版社， 2011.

[4］ 王廣新，李立.焦慮障礙的虛擬現實暴露療法研究述評[J].心理科學進展，2012，20（8）：1277-1286.

[5］ 王庭照，許琦，趙微.虛擬現實技術在特殊兒童教學與訓練中的應用研究[J].華東師范大學學報（教育科學版），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］ 馬沖宇，陳堅林.基于虛擬現實的計算機輔助語言教學：理論、方法與技術[J].外語電化教學，2012 （6）： 28-33.

[9］ 金山，鐵軍，張桂萍，等.濁漳河流域南源濕地植物生物多樣性研究[J].山西大學學報（自然科學版），2016，39（3）：512-518.

[10］ 秦鵬.山西永樂宮壁畫文創產品設計[D].長沙：中南林業科技大學，2019.

［責任編輯：劉鳳華］