石家莊市第一中學(xué)19班 張杏林

沉浸式體驗(yàn)設(shè)計(jì)在教學(xué)中的應(yīng)用

石家莊市第一中學(xué)19班 張杏林

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸得到廣泛應(yīng)用，它能有效解決學(xué)習(xí)中情景化及自然交互性的要求，因此，在教育教學(xué)中有著極大的應(yīng)用前景，未來必將更多地參與到我們的教學(xué)過程中，成為行之有效的教學(xué)輔助手段。

沉浸式體驗(yàn)；教學(xué)；應(yīng)用

前言

人們利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR可以創(chuàng)造出虛擬環(huán)境并置身其中，呈現(xiàn)信息是教育過程中的重要環(huán)節(jié)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效呈現(xiàn)知識信息，能夠在不同的學(xué)科領(lǐng)域中給人們提供無限的體驗(yàn)，以此使學(xué)生學(xué)習(xí)知識的過程得到鞏固[1]。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VR也叫沉浸式多媒體或者計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)，是21世紀(jì)重要的發(fā)展學(xué)科，極大地影響著人們的日常生活，它依托計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等，旨在增強(qiáng)人機(jī)交互性，從而實(shí)現(xiàn)視覺、聽覺、嗅覺、觸覺的真實(shí)體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的核心技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)以及可視化技術(shù)。分析數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)以及人機(jī)交互性，在虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中，用戶的沉浸感會得到有效增強(qiáng)。

交互性、沉浸感、想象力是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三大特征。其中，交互性是用戶在虛擬環(huán)境中操控對象的程度以及獲得反饋的自然程度[2]。沉浸感就是用戶在虛擬環(huán)境中感受到的真實(shí)程度，虛擬現(xiàn)實(shí)的漫游功能是其得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，用戶可以從自己的角度投入其中。想象力是用戶在虛擬世界中以自己獲取的各種信息以及自身在系統(tǒng)中的行為為依據(jù)，經(jīng)過邏輯判斷、推理等思維過程，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化展開想象。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的類型

（一）沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

用戶只有戴上傳感跟蹤裝置才可以實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互，例如立體頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服等穿戴式設(shè)備，以及不穿在身上的傳感設(shè)備。這種系統(tǒng)能通過隔離用戶的視覺、聽覺與外界的聯(lián)系，使用戶避免外界的干擾，全身心投入到虛擬現(xiàn)實(shí)中。不同用途的體驗(yàn)器都會使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。例如在思想品德、安全教育教學(xué)中，學(xué)生對社會公德、法律知識以及安全教育中的緊急避險（火災(zāi)、地震等）不能深刻理解，往往感到枯燥、茫然。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以讓學(xué)生有身臨其境的感覺，不但樂于學(xué)，更能在理解中學(xué)、在游戲中學(xué)，有利于養(yǎng)成良好的公德習(xí)慣和掌握有效的避險方法，在火災(zāi)、地震等災(zāi)害發(fā)生時，避免驚慌失措，進(jìn)而及時有效的逃離，防止人身事故的發(fā)生。在一些農(nóng)村邊遠(yuǎn)學(xué)校，沒有網(wǎng)球場、足球場或其他完善的場地、訓(xùn)練設(shè)備設(shè)施，或者因?yàn)殚L時間霧霾及其他極端天氣，影響了他們的體育鍛煉，可以有效利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，足不出戶，就能讓學(xué)生們掌握標(biāo)準(zhǔn)的訓(xùn)練動作，有效增強(qiáng)身體素質(zhì)。

（二）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)也叫做窗口中的VR。利用一般的微機(jī)就能實(shí)現(xiàn)，成本相對較低，功能也相對簡單，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、桌面游戲等應(yīng)用最多。

（三）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)的進(jìn)一步發(fā)展，將分布在各個地方的沉浸虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，依托互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效連接，從而使某種用途得以實(shí)現(xiàn)。例如因特網(wǎng)上的多人游戲MUD就是這類系統(tǒng)的典型應(yīng)用。

（四）混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境相結(jié)合，不僅使構(gòu)成復(fù)雜真實(shí)環(huán)境的開銷降低，還可以在對實(shí)際物體進(jìn)行操作的過程中，感受到亦真亦幻的境界。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的作用

（一）避免教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的危害

在物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有許多難于理解，不易操作的實(shí)驗(yàn)，比如物理教學(xué)中的核裂變、化學(xué)教學(xué)中電子運(yùn)行以及存在有毒、有害、爆炸等風(fēng)險的實(shí)驗(yàn)，這些無法直接觀察、或?qū)θ梭w健康有危害的概念及實(shí)驗(yàn)，通常是以映像、圖片的方式進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生不會直接參與到實(shí)驗(yàn)中，因而理解不深。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下，讓學(xué)生去有效理解、熟練掌握，這種產(chǎn)生危害的顧慮將會消除：在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，學(xué)生能夠放心地“操作”各種具有危險性的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而加深了對所學(xué)知識的理解。

（二）破除時空的局限性

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，空間的局限性將被破除，無論是宇宙天體還是原子、粒子，學(xué)生都能深入它們的內(nèi)部實(shí)際觀察。例如在虛擬發(fā)電廠內(nèi)部，學(xué)生通過對各個發(fā)電機(jī)組部件及其相互聯(lián)系的考察，能夠切實(shí)了解整個發(fā)電過程。這一點(diǎn)電視錄像媒體以及實(shí)物媒體都達(dá)不到良好的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也能將時間的局限性打破，那些必須經(jīng)過幾十年甚至上百年才能觀察到的變化過程，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下，只需要較短的時間就能使學(xué)生觀察得到。例如對于孟德爾遺傳這一生物學(xué)定律，當(dāng)使用果蠅進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，常常需要長達(dá)幾個月，可是運(yùn)用虛擬技術(shù)只要一堂課就能得到有效解決。又如學(xué)生在政治、歷史的學(xué)習(xí)中，他們對傳統(tǒng)的政治、歷史枯燥的填鴨式教學(xué)膩煩，并不能去理解和系統(tǒng)的記憶，運(yùn)用沉浸式教學(xué)模式，可以讓學(xué)生與歷史、政治人物、事件親密接觸，加強(qiáng)理解和記憶。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新媒體形態(tài)，因?yàn)槠渚哂幸欢ǖ募夹g(shù)門檻、經(jīng)濟(jì)成本、學(xué)習(xí)成本，所以當(dāng)前傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備還沒有得到大規(guī)模的普及，在課堂教學(xué)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍然處于嘗試階段，那些經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)的組織、高等院校等才具備購買完整的教學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案，同此對相應(yīng)地配套教學(xué)資源進(jìn)行有效開發(fā)，這些都制約了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用[3]。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的普及以及頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡價格的降低，以智能手機(jī)和VR顯示器為基礎(chǔ)的沉浸式教學(xué)方案以其低成本、便攜式以及部分或完全沉浸式體驗(yàn)使其得到有效推廣，其中沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)以及混合現(xiàn)實(shí)前景更為廣闊。根據(jù)沉浸式虛擬VR技術(shù)，國外有Ocular Rift等只要與電腦有效結(jié)合即可使用，在我國則有暴風(fēng)魔鏡，只要與智能手機(jī)相聯(lián)系就能體驗(yàn)。利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用的設(shè)備有微軟的Hololens全息頭盔、谷歌的Magic Leap設(shè)備。以智能手機(jī)為硬件設(shè)備，結(jié)合優(yōu)質(zhì)3D音視頻資源或者學(xué)習(xí)型應(yīng)用軟件，通過虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡的方案，極大促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)。但是廠家出于對商業(yè)利益的考量，這種方案的應(yīng)用范圍還不廣泛。

（一）具體應(yīng)用

1、虛擬教學(xué)

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，教師教學(xué)將更加方便，學(xué)生也能擁有更加豐富的學(xué)習(xí)資料和學(xué)習(xí)方式。例如在數(shù)理化教學(xué)中，因?yàn)榇嬖诤芏喑橄蟾拍睿沟媒處熆陬^講授和學(xué)生學(xué)習(xí)時都存在一定困難，直接影響教學(xué)效果。而學(xué)生在虛擬環(huán)境下觀察，會增強(qiáng)自身理解掌握問題的能力。在英語教學(xué)中，如果脫離實(shí)際情境，將會出現(xiàn)學(xué)生死記硬背的現(xiàn)象，這會導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情下降。因?yàn)檫@種情況下，學(xué)生沒有辦法體驗(yàn)具體場景，語言是孤立的，學(xué)習(xí)的效果也就大大降低，在沉浸式虛擬技術(shù)的支持下，會形成一種逼真的國外生活交際場景，學(xué)生在其中可以進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，教師只要提供輔助語音解釋、文化講解等就可以達(dá)到良好的效果。

2、虛擬實(shí)驗(yàn)

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，可以成立各種虛擬實(shí)驗(yàn)室，隨著教學(xué)內(nèi)容的變化，對虛擬設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)更換，這種方法不但能有效節(jié)約成本，還可以促進(jìn)實(shí)踐訓(xùn)練與技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)，對學(xué)生來說，在生動逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境下，學(xué)習(xí)的興趣和效果也會大大提高。

3、虛擬校園

與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程教育相比，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使學(xué)生身處一種生動逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境中，并在其中扮演重要角色，真正成為學(xué)習(xí)的主人；充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對重點(diǎn)、難點(diǎn)等進(jìn)行有效突破。

（二）應(yīng)用進(jìn)展

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持學(xué)習(xí)環(huán)境的創(chuàng)設(shè)，支持技能實(shí)訓(xùn)，促進(jìn)語言學(xué)習(xí)，支持特殊兒童教育。其中虛擬環(huán)境的創(chuàng)設(shè)有虛擬仿真環(huán)境設(shè)計(jì)、構(gòu)建主義活動設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)體驗(yàn)設(shè)計(jì)。例如洛倫佐專門針對七至十二歲的自閉癥兒童，有效設(shè)計(jì)了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，運(yùn)用這一系統(tǒng)，他們能夠在公共場合進(jìn)行社交訓(xùn)練；同時利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動確定他們的情緒狀態(tài)，相應(yīng)進(jìn)行訓(xùn)練方案調(diào)整。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在技術(shù)、教學(xué)方面仍然面臨著一定的挑戰(zhàn)，但隨著對這一技術(shù)的日益發(fā)展和完善，使其在教學(xué)中的應(yīng)用更加深入和有效。

五、結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，在教育教學(xué)中的應(yīng)用，能夠有效突破教育教學(xué)中存在的瓶頸，為開拓教學(xué)方式的多元化提供了新的視角，使傳統(tǒng)教學(xué)格局得以拓展，教學(xué)發(fā)展有了新的實(shí)現(xiàn)平臺和發(fā)展空間。

[1]李鴻.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用[J].大家,2010,3:264-264.

[2]謝承霖,周涵粟.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用[J].儷人:教師,2015,3: 267-267.

[3]臘國慶.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用研究[J].宿州教育學(xué)院學(xué)報,2015,3:93-94.