虚拟仿真技术对学生兴趣激发的实践效应研究
黄 曼
六安市轻工中学
摘要：新冠病毒传播的特殊性，现有的线下教育体系面临严峻的挑战。幸运的是，在信息技术高度发展的今天，教育信息化已进入深度建设区，互联网等技术的高度发展，让线上教育成为了习以为常的事儿。线上教学局限于场景等原因，教学有效性无法得到保障。因此如何提高课堂的有效性成为每个教师迫切解决的难题。而虚拟现实技术以其特有的交互力，沉浸感赋予课堂更多的想象空间，能够切实提高教学的有效性，本文以十三五、十四五期间，虚拟现实技术在教学活动中的应用进行研究，并对学生理解与掌握进行深度调研，以实现虚拟现实技术在教学活动的最大效用。
关键词：虚拟现实 、智慧课堂、在线教育
正文：
一、虚拟现实技术的教学活动中发展
随着5G+新基建应用的发展与布局，虚拟现实技术的逐渐走向人们的视野中。尤其2020年新冠的爆发，让人们正式注意起线上教育的应用，然而在众多自然应用中，我们发现线上教育的应用未如人意。然而在全球性风险时代，线上教育仍会作为现阶段教育补充。在众多的现代教育课题中，虚拟现实技术即VR技术，其原理在于通过计算技术利用空间平面拟合三维虚拟世界[1]，同时利用三维成像原理，依靠特殊处理的镜片，营造让人置身其中的三维环境，其可以实时、无限制地观察三维空间的事物。虚拟现实技术在应用初期主要应用于交互的电子游戏中，随着传感技术、5G技术、电子信息技术的大力发展，虚拟现实技术逐渐应用于各行各业，教育技术的大力发展也为虚拟现实技术提供了良好的基础。我国教育部意识到VR教育的重要性，于2016年颁布《教育信息化“十三五”规划》，主张促进信息技术与教育教学深度融合的核心理念和应用驱动，标志着VR教育作为信息化的一个方面受到国家政策的大力支持。在《“十四五”国家信息化规划》中，明确要求，要“提升教育信息化基础设施建设水平，构建高质量教育支撑体系”，回顾教育技术的发展，我国特色教育体系的完善与成熟，信息化、智能化教育系统，孕育而生、管理信息系统和网络教学系统，集中化管理，科学化教学分析，打破了资源壁垒，极大提高了教学管理能力。其中在2020年度教育信息化教学应用实践的20个项目中就有8个是关于虚拟现实技术在教学活动中的应用。利用VR打造教育新模式，支持学校建设智慧校园和课堂，进一步推进VR更好地服务于教育，已成为当今教育技术发展的重要课题。
二、虚拟现实技术在教学活动中的应用现状
1、虚拟现实技术在教学活动的应用方式
美国视听教育家戴尔“经验之塔”理论，提出学习者只有积累到一些具体经验，在理解真实事物的抽象表现形式的基础上，才能有效地参加更加抽象的教学活动，即从实际经验的参与者、真实事件的观察者、间接事物的观察者到更加抽象的应用[2]。而现代文明发展出来的虚拟现实技术能够很好给予学习者更容易的操作环境，通过技术对现实、想象世界进行全面的仿真，为学生提供更直观、具象化的学习环境，便于学生对事物的直接观察，可创设更具动感的教学环境，从而丰富了我们的教学手段和实践方法，在一定程度上解决了教学情景难以表达、硬件设备使用受限等困境，有利于激发学生的学习兴趣。目前我国的虚拟现实教学技术尚处于多发的初级阶段。以其应用的技术方法可以分为三种，一、仿真现实，即对真实物理环境进行的三维仿真虚拟，常应用于历史、生物等学科，如古迹遗址、动植物形态等由于地理环境限制无法直接观看的教学活动。二、模拟现实，对于真实存在，但因某种原因无法切实呈现的场景，其主要针对物理、化学、微生物等危险性较高或观测成本较高的原理或现象，如核聚变、蛋白酶作用原理、闪电等教学场景的构建。三、创造仿真，指现实生活中不存在、以后也不会存在的超现实或想象仿真，在这模式下，学生能够突破时间、空间的突破，去自己创造或沉浸在创造下的场景中，获得逼真的学习体验，加深对课文理解。
2、虚拟现实教学应用模式与兴趣激发方式
以虚拟现实的实际应用模式，可大致分为三类，一种是观察类的应用沉浸，一种是实操类的虚拟实验中心，另一种就是常见的创造类虚拟仿真教学。虚拟现实技术在中小学教育中应用方式常见于观察类的应用沉浸，应用于自然科学等观察类学科，也有部分创造类虚拟仿真教学，多见于人文社会学科，依靠多方面的感官刺激，帮助学生更真实的感受到虚拟现实情境的存在，帮助学生构筑具象实物，提升对自然现象的深度观察能力，并深入联系课堂，增加教学活动的趣味性，激发学生对学科的兴趣。虚拟现实技术在职业中学教学活动的应用以实训为主，采用现实仿真与模拟现实的方式，依靠3D建模在虚拟的应用环境当中不同生产状况下的技术实施流程，学生可以突破时间与空间局限，构筑实训基础环境，提高理论与实践的转化能力。虚拟现实技术在大学课堂中已有较为成熟的教学应用。早在20世纪初就有我国就已研发出了第一套基于虚拟现实技术的“几何光学设计实验平台”[3]。基于虚拟现实技术的，主要以观察类的应用沉浸为主，通过现实的情景模拟沉浸，让学生触达工学结构原理的本质，能够有效帮助空间思维能力差的学生理解结构原理，深受学生喜爱。
三、虚拟现实技术对学生兴趣激发的效果
知之者不如好之者，好之者不如乐之者[4]，兴趣能调动学生积极投入课堂，激发学生主动思考。在国内外教育研究中，经过实践验证了兴趣对学习活动的强大驱动力的效果验证。在诸多的虚拟现实技术在教学活动中的应用也表明良好的虚拟课程设计确实能够最大程度激发学生的兴趣，进而直接促进学生课堂学习的效果。不同的学龄段学生对虚拟现实技术的接受度不同，其产生的作用也有所不同，本文通过研究虚拟现实技术的应用，并对比虚拟现实技术对学生参与度、知识短时记忆与长时记忆保留程度、学生反思思维等维度，研究虚拟现实技术对学生兴趣激发的效果。
1、虚拟现实技术在中小学教学活动中应用效果
在中小学虚拟现实技术的应用中，比较突出的是四川省成都市金牛区教育局在2020年牵头教育信息化教学项目“金牛区虚拟实验教学共同体”。在对教学成果进行对比研究发现，采用虚拟现实技术教学活动课堂学生所学知识的短期掌握与长期保留度均较其他不采用虚拟现实技术的课节有明显的分值占比。在相同时间采用不同内容方式的教学实验的同一班级两批次学生，在课堂结束后进行及时检测，接受虚拟现实技术的教学活动的学生，其测试平均成绩比接受普通常态教学活动学生的高出31.7%。接受虚拟现实技术教学活动的学生课堂参与度更高，同时对于采用虚拟现实技术教学活动的课程兴趣度更高，更善于在课堂中提出自己的困惑与见解，也更能在课后生活中发现课堂知识的应用。
2、虚拟现实技术在不同学科中的教学应用效果
在众多虚拟现实技术的教学应用中发现虚拟现实技术的应用以工学学科为主，针对部分如化工、物理、医学类较为危险或现实伦理因素无法实现的实验，可通过虚拟现实技术实现教学实验的虚拟，可锻炼学生的动手操作能力，增强学生对学科的即时反馈，提升学生学习的积极主动性、专注度，以达到更好的教学成果。根据现有的虚拟现实技术应用样本进行分析，将学科分为工科操作性学科、自然观察类学科、社会人文类学科、医学应用类学科，在对样本进行深度效应检测，发现自然观察类学科的应用效用最大，学生知识掌握程度、课堂参与程度最高，在相应的随堂测试中与中期检测成绩有明显提升。其次为社会人文类学科，工学操作性学科与医学应用性虽在学生参与度、课堂测试中有明显提升效果，但实际的操作中仍表现不甚明显，尤其现实操作可控因素复杂的课堂，学生的再试验水平难以保证。
虚拟现实主流应用技术可大致分为半沉浸式、完全沉浸式，分布式交互虚拟，其在教学活动均相应的应用研究。现有的完全沉浸式技术应用较为成为也是教学活动中较为常用的方式。分布式交互虚拟应用基于技术限制，现有的应用规模尚不够成熟，但随着元宇宙等虚拟技术的发展，分布式交互虚拟将会迎来应用的大爆发时代。就现有的应用研究来看，完成沉浸式的教学活动应用效果较好，学生的代入感更强，课堂参与度更高，拥有沉浸式虚拟现实技术加持的学科更易受学生喜爱并自觉增加课外扩展学习。半沉浸式则次之，分布式交互虚拟则未展现其应有的技术效果。
目前主要的虚拟教学在北上广等一线城市及高效已有较为成熟的应用，其教学方式在于通过构建虚拟的试验台，创造出一个安全可操作的环境，让学生动手参与操作，一方面通过学以致用，增加学生对知识的理解，另一方面，能够保证学生的安全，降低试验损耗，提高学生动手操作能力。创造类虚拟仿真教学，主要应用于艺术及文学、思政教学活动中，如博物馆，通过对史前文明的创造构建，以使学生对文明及文化的发展有更深一步的发展。具有传统实验教学所不具备的优势，在解决复杂实验做不好、抽象实验不好做、危险实验做不了等问题上能够做到全面覆盖。但虚拟教学应用的效果也依赖课程设计与技术实现，好的虚拟现实教学吸引学生注意力，提升学生课堂专注度，增强学生对教学课程的掌握能力，对学生学习兴趣的提升有显著作用。
四、虚拟现实技术在教学活动中应用不足
虽然虚拟现实技术对于教育教学是非常适用的，能够有效激发学生的学习兴趣，在十三五至十四五的虚拟现实技术在诸多学科的应用中，以认知观察为主的自然学科等观察类课堂应用效果最佳，其次以物理、化学等注重实验探究性学科应用最广，而人文类学科的应用最为短缺。但在实际的应用中虚拟现实技术对于网络环境稳定性、带宽等性能要求较高，主要在基建成熟完备的地区有较多的应用基础。主要的虚拟教学的应用实验区分布在一二线城市，而农村及偏远地区则无法享受。展示出区域性不足；现有的教育应用集中于工学学科应用，对人文类学科的应用重视度不高，容易造成学生非自觉性片刻，形成学科性偏移；目前的虚拟仿真教学课程的设计难度较高，对教师的专业技能有一定的门槛，导致虚拟仿真教学出现课程匮乏。具体表现以下几个方面。
五、虚拟现实技术应用效果总结与推广建议
虚拟现实技术的应用对于兴趣正向激发作用有较强的相关性，使抽象知识具象化，增强学生主体体验，激发学生的学习动机和创新潜能。在众多教学应用课例中，化学、物理、自然科学等探究性学科更受学生喜爱，在虚拟现实技术教学实验活动下的学生则逐渐凸显了对相应学科的热爱，并学会积极主动寻找课外读物与自然发现，并联系学习，与教学老师进行更深一步地对知识的探索，拓宽知识体系的宽度，激发学生深度思考能力，好的虚拟现实课程对于学生空间构建能力、反思能力有明显的辅助提升作用。
但目前的虚拟现实技术在教学活动的深一步应用尚需要对网络基础再投入，加大交互技术、仿真技术等一系列关键技术的研究公关，降低课程设计难度，推动虚拟现实教育产品的规模化生产，降低教学活动的应用成本，同时组织计算机、心理学、人类工程学等专家共同开发研究虚拟现实课程，提高虚拟现实课程的连续性、趣味性，深入探究虚拟现实技术在教学活动的应用，为未来的教育元宇宙化提供强有力的应用基础。
注释和参考文献：
