高中VR实验室的建设探索与实践

高中 VR 实验室的建设探索与实践 一、引言 虚拟实验作为传统实验的重要辅助教学工具，能够突破客观条件 的限制，实现难以完成的实验教学过程，帮助学生获得更近于真实的感 性认识，有利于提高学生的学习及创新能力。目前，市场上专门针对教 与学的 VR 实验少之又少，且大多数以演示型实验为主，缺乏动手操 作实验和 DIY 实验，交互性欠缺。同时，操作复杂，缺乏人性化设计， 满足不了辅助实验教学的需求。而虚拟现实实验室能够在满足实验教学 功能及体验度的前提下，最大程度上节约实验耗材。提供实时互动、自 由动手实验、全程语音提示、在线答题及分析等多种功能， 满足学校课 堂实验教学的需要。 二、虚拟现实概述 ㈠虚拟现实技术实验室 虚拟现实（Virtual Reality ,VR），也称为实境，是一种可以创 建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、 具有视、听、触等多种感知的虚拟环境，用户通过各种交互设备，同 虚 拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿 真和 信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术。 ㈡虚拟现实系统的构成 作为虚拟现实技术的载体，虚拟现实系统具有缜密的组成和较高 的结构复杂度，归结来说，可将其分为两大部分：以数字软件为基础的 虚拟环境生成系统、以硬件为基础的人机交互系统。 1.虚拟环境生成系统是虚拟现实技术的主体部分， 它依托于数 码工作站式的计算机硬件， 主要涵盖虚拟现实图形数据库及三维数 字模型生成软件等， 能够根据产品功能或者展示要求产生所需的、 具有 6 个自由度的场景和设计实例， 通过虚拟现实浏览器可全方位观 看其造型、 材质、 色彩及结构等。 虚拟环境模型的建立既可以通过 三维软件进行数字建模， 还可以通过逆向工程(RET) 进行环境的反 求。 2.人机交互技术是虚拟现实系统的显著特征， 集中体现在视觉、听 觉、 触觉三大方面。 人机交互系统使得数据不再是单方向强制性地传 递给用户， 用户可以借助外延设备实现与虚拟环境的双向信息交流， 并将用户的口令或者所做修改以实时的方式显示出来。 虚拟 现实中的人机交互系统依靠数据手套、 头盔显示器、 音响及多维跟踪 器等设备， 使处于虚拟环境之中的使用者产生立体式“沉浸感”，使用 户的动作和操作更加真实与自然， 体现出人机交互系统的多通道属 性。 ㈢虚拟现实技术的主要特征 1、虚拟现实技术的主要特征是：操作者能够真正进入一个由计 算机生成的交互式三维虚拟现实环境中，与之产生互动，进行交流。 通过参与者与虚拟仿真环境的相互作用，并借助人本身对所接触事物的 感知和认知能力，帮助启发参与者的思维，以全方位地获取虚拟环境所 蕴涵的各种空间信息和逻辑信息。 2、虚拟现实的实质性特征：沉浸/临场感和实时交互性是虚拟现 实的实质性特征，对是空环境的现实构想是虚拟现实的最终目的。 3、虚拟现实技术的先进特性：虚拟现实技术的先进特性使得该 项技术应用于各行各业的模拟仿真研究中，并切实有效地指导了生产实 践。随着虚拟现实技术的成熟，人们开始认识到虚拟现实在教育领域的 应用价值，在实验教学方面具有利用率高，易维护等诸多优点。近年来， 国内的许多学校都根据自身的教学需求建立了虚拟现实技术实验室。 三、虚拟实验室建设的意义及必要性 1.有效改进实验教学方法 实验教学是物理、化学、生物课程学习里一个非常重要的组成部 分，而且实验对于物理、化学、生物学习的意义就像运动对于健康的 意义一样，是增益、促进和加强的。如每一个物理理论的提出又何尝 不是千百万次实验的结果呢，也正是在各种实验过程中，实验现象和实 验结果里，物理理论才发挥它特定的价值和意义。所以，如何更好地操 作、完成和呈现实验，是教育界、学校和教师重视和追求的。如果物理、 化学、生物学习抛弃了或降低了实验教学的要求，是学生XXX以及社会 的巨大损失。 “基础教育 VR 实验室”能够有效规避现行物理实验课堂教学存在 的一些问题，比如实验器材昂贵、难护理、易耗损，某些实验危险系数 高、无法实现、条件苛刻、效果不理想、周期长，学生参与度低、互动少、 兴趣不高等。虚拟现实物理实验室里，实验器材一应俱全， 可以无限重复 使用，不需要专人看管和维护器材，对于各种各样的实验都可以呈现， 而且是完全模拟真实世界，实验效果更能得到保证， 还避免了危害人身 健康和安全事情的发生。虚拟现实实验室相比于课堂教学，更新颖，更 情景化，更具有互动性，所以更能吸引学生的兴趣，提高学习的参与度、 学生的动手能力、实验教学的学习效果。更重要的是，集成平台可以实 现班级管理，一对一指导学习，学习效果储存跟踪等网络云服务。因而， 虚拟现实实验室是课堂教学的有益补充，能够本质上提高物理、化学、 生物学习的质量和效果。 2.推进教育信息化改革 教育信息化有两层含义：一是把提高信息素养纳入教育目标，培 养 适应信息社会的人才；二是把信息技术手段有效应用于教学与科研， 注 重教育信息资源的开发和利用。教育信息化的核心内容是教学信息 化。教学是教育领域的中心工作，教学信息化就是要使教学手段科技化、 教育传播信息化、教学方式现代化。教育信息化，要求在教育过程中较 全面地运用以计算机、多媒体和网络通讯为基础的现代信息技术，促进 教育改革，从而适应正在到来的信息化社会提出的新要求， 对深化教育 改革，实施素质教育，具有重大的意义。 教育信息化的技术特点是数字化、网络化、智能化和多媒体化， 基本特征是开放、共享、交互、协作。以教育信息化促进教育现代化， 用 信息技术改变传统模式。教育信息化的发展，带来了教育形式和学习方式 的重大变革，促进教育改革。对传统的教育思想、观念、模式、内容和方 法产生了巨大冲击。教育信息化是国家信息化的重要组成部分，对于转变 教育思想和观念，深化教育改革，提高教育质量和效益， 培养创新人才具 有深远意义，是实现教育跨越式发展的必然选择。 “基础教育 VR 实验系统”项目无疑是当前教育信息化改革的践行 者，对于改进高中物理、化学、生物实验教学方式方法，提高其科技化 水平，提升学校和机构的信息化配备，有着直接的作用和意义。作为新 一代信息技术关键领域的虚拟现实技术，其在实验教学领域的运用，意 味着实验教学集数字化、网络化、智能化和多媒体化的特征于一体，同 时 VR 实验室兼具开放、共享、交互、协作属性，是教育信息化改革 实践的标准化探索。 3.助推优质 VR 课程内容的发展 相关数据研究院根据互联网公开数据和监测数据，结合相关用户调 查取样，分析出国内学校对于 VR 硬件设备的关注点分布情况得出， 学校最关心的是内容的优质度（见图 3）。几乎绝大多数的学校都对 VR 内容的多样性、优质程度抱有较大关注。和一般的视频内容不同， VR 内容的制作需要比较高的技术和成本，所以国内的 VR 课程内容普遍 还不是十分成熟，因而和校急需优质 VR 课程内容和课程开发团队。 用户对 VR 实验室的关注点分布 高体验 VR 硬件是行业基础，优质 VR 课程内容则是学校建设虚拟 现实技术实验室的核心。环顾目前市面上推出的 VR 课程内容，我们发 现都或多或少存在内容单一不全面、不系统、缺乏互动、数量少， 或 者产品内容为 3D 视频和全景视频，又或者画面粗糙质量差。这些问题 都极大地影响了使用者的体验效果和对 VR 的正确认知。 建设虚拟现实实验室覆盖高中阶段物化生所有实验，分年级分章 节系统化呈现，所有实验均由教师和学生自主操作完成，强大的技术 研发团队确保了产品质量的高效和稳定，是实至名归的实验课堂教学配 套系统。它的开发运用和推广，能够带动 VR 教育内容产品更加优 化、更加符合学生和学校需求。但是强大的技术研发团队是学校不具 备了，只能在学校 VR 实验室建设初期就和市面上的技术公司达成合 作，技术公司提供技术，学校提供内容，强强联合。 四、虚拟实验室的优势 1.实验教学是中学物理、化学、生物教学的重要组成部分，然而， 一 些实验由于危险性过大、微观现象难以观察、实验过程较为复杂、实验破 坏性较大、实验环境要求比较极端等原因，传统的实验室条件下无法完 成，所以，学校对能起到辅助和补充教学的物理、化学、生物虚拟实验 室需求迫切。 2.虚拟实验作为传统实验的重要辅助教学工具，能够突破客观条 件的限制，实现难以完成的实验教学过程，帮助学生获得更近于真实的 感性认识，有利于提高学生的学习及创新能力。目前，市场上专门针对 教与学的物理、化学、生物的实验少之又少，且大多数以演示型实验为 主，缺乏动手操作实验和 DIY 实验，交互性欠缺。同时，操作复杂， 缺乏人性化设计，满足不了辅助实验教学的需求。 五、虚拟现实技术实验室的使用 1.学校教学科研：建设教学、科研、技术人员结构合理的虚拟 仿真实验教学团队，形成一支教育理念先进，学术水平高，教学科研能 力强，实践经验丰富，勇于创新的虚拟防真实验教学和管理队伍。 2.发挥学校学科专业优势，开展实验教学：结合黄石市第一中学的 课程进行开课，发挥学校学科专业优势，积极利用企业的开发实力和技 持服务能力，充分整合学校的实验教学资源，丰富教学实验内容， 学生 在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。 3.校企合作：高效管理学校的实验资源，实现学校与企业的实验资 源共享，满足学校的多学科、多领域的虚拟仿真实验教学的需求。探索 校企共建共管的新模式和新途径，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学 服务支撑体系。由企业方派专业技术工程师进行教师和学生的授课。 六、黄石市第一中学虚拟实验室的组成 1.总体设计框架 2.详细设备清单 2.1 硬件设备 ①VR 系统控制器教师端（教师工作站） ②VR 系统控制器学生端（学生工作站） ③VR 实验室标准显示部件 ④触控一体机 ⑤43 寸 VR 创客一体机 2.2 软件资源 ①VR 实验室系统软件 ②虚拟仿真实验室系统软件 ③VR 系列教育教学软件（资源） ④VR 编辑器 ⑤定制化软件/服务 七、结束语 虚拟现实技术实验教学是提高学生实践创新能力的重要途径， 云计算、人工智能技术、虚拟现实技术、物联网、大数据等技术为虚 拟现实实验教育提供了强有力的技术支持。随着现代信息技术的发展， 更多基于虚拟现实技术的实验资源将会被设计开发出来，虚拟现实技 术实验教学在教育中的作用会益发凸显。 二〇二〇年一月十一日