杨国红李鼎盛：玩转VR，打造学习场景的“头号玩家” | 新实践新应用 | 自由微信

杨国红李鼎盛：玩转VR，打造学习场景的“头号玩家” | 新实践新应用

From: 杨国红李鼎盛中小学数字化教学 2019-11-23

近年来，我国逐步加快了教育改革的步伐，中小学校也都在优化教学内容、创新教学方式，推动课堂教学不断改革创新。在这一过程中，如何全面提高学生的学习能力、实践能力，教导学生在动脑的同时学会动手，一直是基础教育阶段十分重要的课题。

华中师范大学第一附属中学因时而动，在初中部建设了“标准VR理化生实验室”，尝试将虚拟现实技术融入教育、教学实践中，探索课堂教学新方式。

VR在教育领域的应用

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等发展起来的计算机领域新技术。它拥有其他传统技术所无法比拟的高沉浸度、交互性、创想性等特性。

随着虚拟现实技术的成熟，人们开始认识到其在教育领域的应用价值。早在2010年，就有学者指出：“虚拟现实技术能够为学生提供生动、逼真的学习环境，学生能够成为虚拟环境中的一名参与者，扮演一个角色。虚拟现实技术的应用丰富了学生的想象力，激发了学生的学习兴趣。这对调动学生的学习积极性、突破教学的重点难点、培养学生的技能都起到积极的作用，学习效果十分显著。”

近年来，“VR+教育”的发展尤为迅猛。除了用于提高课堂教学质量及效率，VR技术在实验教学上的应用还具有维护成本低、利用率高、效果好等优点。在基础教育阶段，动手实践操作是学生学习、理解教学内容所必需的活动，而这正是VR实验室最擅长的功能。VR技术可帮助操作者达到最高完成度，同时，VR技术的高沉浸度、交互性与自主性等特点也使其成为数字化教学手段中的最优选择之一。

VR理化生实验室

物理、化学、生物是基础教育中最为注重动手操作的3门课程。在普通实验室中，学生往往受设备、实验环境、实验危险性等诸多因素制约，很难有足够的时间和机会亲自动手实验，或无法深入参与实验教学过程。例如化学、生物实验课中的实验耗材多为一次性材料，费用较高，很多普通学校经费有限，要想让每个学生都能亲自操作实验是比较困难的。

又如在一些化学实验中，由于化学反应较为激烈，操作过程也存在较高危险性，教师一般会让学生观看实验视频，或由教师本人进行实验操作演示，学生只能在座位上观摩。学生因此缺乏学习兴趣，较难真正掌握实验教学的内容。

“培养学生终身学习的愿望和能力”是我校一直以来所坚持的教育方针，而VR技术与教育的结合，有可能在满足学生学习需求的同时，激发他们强烈的学习兴趣，并为其提供更加宽广的思考空间与更加真实的实践环境和体验。为此，学校初中部建设了“标准VR理化生实验室”，并于2017年投入课堂使用。这是一个采用虚拟现实头戴显示设备和多人联机互动技术建设而成的实验室（如图1）。

图1 “标准理化生实验室”内景

实验课程全部依据我国教育部中小学课程教学大纲和实验标准自主研发。实验室的课程库中共包含213个初中理、化、生实验，能够为这3门初中课程提供全面的教学支持，为教师和学生创造全新的沉浸式实验教学环境和体验。实验室配备1套教师机和30套学生机，保证上课时学生人手一套，因而学生有机会独立操作和完成实验。

在虚拟实验室内，所有师生可实现联机实时互动：教师可向学生发放实验器材，演示或监督实验操作；学生可观摩教师和其他学生的实验过程并亲自动手完成实验；实验器材可无限制重复使用，实验过程既能让学生体验燃烧等实验效果，又消除了安全隐患。

例如，在面向九年级第一学期的实验课“测定空气中氧气的含量”中，虚拟实验室可通过VR技术完整还原规范的实验场景、步骤。学生可在虚拟场景中连接直角玻璃导管、双孔橡皮塞等装置，检查装置气密性；亲自动手用弹簧夹夹紧乳胶管；点燃燃烧勺中的红磷，并立即伸入瓶中，塞紧橡皮塞。

在该实验中，装置不漏气是实验成功的关键。如果其气密性不够好，外界空气会进入容器，影响实验结果。学生在完成虚拟实验的过程中，系统内有语音会提醒操作者规范地检查装置气密性，帮助学生更好地理解实验原理，达到实验目的。

同时，由于红磷在真实燃烧过程中会释放出有毒的刺激性烟雾，学生很容易吸入而对健康产生不良影响。通过VR技术搭建的虚拟实验室则能有效规避这一问题，从而让学生放心、大胆地动手实验。

VR在实验教学中应用的优势

实践是孩子们最好的老师，而VR技术则帮助他们在学习过程中真正实现手脑并用、知行合一。“标准VR理化生实验室”实时强交互、深度沉浸等特点极大地拓展了教学内容的深度和广度。在虚拟现实实验室正式投入使用之后，我们发现它在很大程度上实现了我们当初的构想。

第一，对于某些实验现象不易观察、实验周期长的实验，虚拟实验室可直观、立体、动态地展示实验过程，并给予了学生更多的实践时间和机会。

第二，通过虚拟实验室进行生物教学，可以使微观现象放大，从而让学生亲身感受体内的每一个器官，感受血液在眼前循环，使实验教学效果更为直观、真切。

第三，实验室增强了学生的学习兴趣，他们积极主动上手操作，尝试在虚拟实验室中完成理化生实验。两位未曾接触过高中课程的八年级学生在虚拟实验室中很快地完成了高中教材上的化学实验，并表示虚拟实验室不仅真实还原了现实实验室的操作感，讲解方式也更加容易接受，有置身科幻空间上课的体验。

第四，一些化学实验有中毒等危险，学生无法正常动手实践。在虚拟现实实验室中实验者无需真实接触这些危险品，这帮助校方解决了安全问题。

第五，虚拟现实实验室让接受速度较慢的学生可多次重复实验，直至掌握知识，这既保证了个性化教学，又减轻了学校实验费用的负担。一些学生在实验过程中出现误操作，教师也能够在虚拟环境中及时发现和指出问题。多人联机交互实验的特点帮助学生更加及时地发现问题、提出问题，因此在课堂上更加积极主动。

第六，能对学生进行有效的安全教育。例如在预防火灾、溺水安全事故的课堂上，传统教学方式不易让学生真正明白安全的重要性，而让学生亲身到火灾或是溺水环境中体验和学习，也是不可取的。利用虚拟现实技术来进行仿真体验式的授课，则是很好的解决之道。

综上，虚拟现实技术的课堂应用极大地提升了授课者、听课者双方的体验。如今的学生是数字化环境的原住民，他们希望把现在运用的一维或二维的授课展示形式，转变为三维立体和更加真实的情景化教学。将虚拟现实技术应用于现代教学中，能够推动教学实践与教学资源的更新，为提高教学质量提供新的解决方案。我们将借助最先进的现代信息技术，帮助孩子们最大程度地提高自身能力——技术只是手段，培养孩子们自主自立、动手实践的能力才是教育的终极目标。

(作者杨国红系华中师大一附中初中部执行校长、中学高级教师，李鼎盛系华中师大一附中初中部科教处主任、中学高级教师)

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