VR交互技术在中小学拓展课程中的应用

俞祥龙（北京城市学院）

第一章 VR虚拟交互技术的概念

一、什么是虚拟交互技术

对于虚拟交互技术而言，其属于计算机人机交互界面的一种，主要特征在于沉浸式、交互式以及构想式。具体来说，在计算机的效应下，虚拟环境被设定出来。此处所述的虚拟环境，是指为了达成促使人们切身感受到虚拟环境的目的，将真实的环境输入电脑，或者在软件程序的帮助下设计出特定的三维空间继而获取的最终效果。将虚拟交互技术进行广泛的推广与深入，对于针对诸如数量相对较多的抽象数据展开工程学方向的分析工作而言是一种优势较为明显的改进。此外，该技术还可应用于其他各个方面，并为使用者提供较为可观的利益收益。

总而言之，虚拟交互技术的概念可总结为使得计算机和用户两者获取交互联系的方法。

二、虚拟交互技术的种类及特征

（1）虚拟交互技术的种类

考虑到使用者如何参与的方法有所差别，可以将虚拟交互系统区别成如下几种：增强式以及分布式虚拟现实、沉浸以及桌面虚拟交互等。

对于桌面虚拟交互（或窗口VR）而言，其发挥效用主要依靠的是图形工作站以及计算机等，使用者针对所产生的虚拟环境获取最为直观的感受依靠的则是计算机屏幕，此外还需用到自然交互以及立体图形等方法，所形成的场景可称之为三维汽车立体空间。为了达成和虚拟环境获取交互联系的目的，需要选取应用到多个输入装置，比如力矩球、鼠标、键盘以及扫描仪等。该类别技术的突出优点在于较为经济，在教育方面应用较广；主要特点是实现成本低，应用方便灵活，对硬件设备要求极低，为了增强效果，可以在桌面虚拟现实系统中借助立体投影设备，增大显示屏幕，达到增加沉浸感及多人观看的目的。对于针对虚拟现实了解相对较少、透彻程度相对不足的初学者而言，桌面虚拟现实系统比较适合这部分人群，在上下文中所涉及到的也是该类型的虚拟交互技术。

（2）虚拟交互的主要特征

虚拟交互的主要特征有：多感知性、浸没感、交互性、构想性。

对于交互性虚拟现实系统而言，该概念所涉及人机交互突出特点是与自然环境极其相近，人们不但能在鼠标以及键盘等传统设备的帮助下实现交互的目的，还能选择声音命令、动作扑捉、数据手套以及激光定位等较为先进的方式实现交互的目的，此外包括预测、建模、影像、动画、评估以及仿真等各种各样的设计均可以获得系统的支持。虚拟环境能对用户的输入作出反应，同时可以通过监控软硬件装置来作用用户和被用户作用。交互性是多感知性、浸没感和构想性的基础,也是提高中小学实践教学重要方法。

本项研究结合桌面虚拟交互系统和交互性主要特征，提出了虚拟交互技术在中小学汽车设计教学中、实验教学等中运用，在中小学教学中具有开创性的意义。

第二章 基础教学中虚拟交互技术应用的国内外现状

一、国外VR虚拟技术在教育行业的应用

据报道，圣泽维尔学校的850学生通过虚拟现实技术学习了关于太阳系的知识，学生搭上了太空飞船并且探索了太阳系每一个星球。在课程结束后，学生们迫不及待地向朋友分享交流他们的经历，有学生表明自己第一次亲身体验虚拟现实，这种体验让他学到了很多知识，同样也让他感到这种教学非常有趣。

二、国内目前VR教育的状况

目前，关于VR+教育的构想已在国内实现，高盛曾作出预测，截至2025年，VR教育产值有望达到7亿美元，并将覆盖K-12和教学软件领域，VR和教育的结合被认为在未来有着具大的市场。当下，乐视与新东方达成了合作意向，以“沉浸式教学”切入教育领域，背靠网龙的华渔的思路则是从易用的编辑器入手，打造开放平台，创业公司巧客互动思路则是制作各类VR教学内容，此外慧科教育预计会和暴风进行合作开展相关的人才培养计划，积极培养具备应用性的新型有用人才，为VR的产业化发展提供助力。

但是，国内VR公司虽然多，相较于国外布局教育VR的公司基数小。究其原因，综合国内外VR发展历程来看，国内VR依然在硬件和技术方面落后于国外，大部分国内VR软硬件技术尚未成熟，用户体验不好，使得VR教育难以一时间大规模应用与普及。不过有理由相信，在技术持续发展的助力推动下，硬件性能会不断向着趋同的方向发展，内容与内容之间的交互行为会引发良性竞争不断产生，VR的产业化进程会持续深入推进，市场前景广阔。

第三章 基于中小学拓展课程的VR虚拟交互设计

一、虚拟交互技术在教学中的应用

虚拟交互技术具备逼真的视觉环境、听觉环境、触觉环境和运动环境，画面生动，色彩鲜艳。桌面虚拟交互体验，可以强烈地刺激大脑皮层，从而引起兴奋， 集中学生学习的注意力，使学生对所学内容记忆深刻，并最终熟练掌握。它应用于中小学汽车教学主要表现在以下两个方面：汽车课堂教学的现有问题，汽车课堂教学现有问题的解决。

1.汽车课堂教学的现有问题

汽车课堂教学是中小学拓展课程教学的主要方式，也是虚拟交互技术运用于教学的主要目的。根据不同的学校，虚拟交互发挥着不同的作用，主要有以下方面的应用：汽车物体的设计，汽车立体空间的设计，汽车虚拟场景的构建。

（1）汽车物体的展示

将汽车实物展现在课堂上在当下是一种较为常见的现象。在日常教学活动里，如若使得学生能够充分的在三维层面里了解到汽车信息，一般选择的方法如下：1）实物展示。该方法具有着相对较为久远的历史，但较为实用，不足之处在于考虑到学生与学生之间位于教室的不一样的地方，尽管汽车的实物掌握在老师手上，但学生的视角伴随着其所在地点的不同而不同，所造成的观感也就不同；此外考虑到实物的大小受到局限，位置较远的人看的相对较为模糊。2）采取投影仪的方式向学生们展示图片。该方法的不足之处在于学生们只能了解到图片所能展现出来的汽车部位，如果汽车有图片未能展现出来的地方，学生便不可能了解到。3）在keyshot以及Rhino等软件的帮助下进行汽车实物模型的设计，继而将其进行旋转操作，这样一来学生们便可多方面全方位的了解汽车，效果较为理想和全面。该方法的不足之处在于所设计的模型以及动画已经构建完毕，只能按照一定的程序进行顺序展示，使用者除了对其进行播放以及停止操作外并不能进行其他操作。

（2）汽车立体空间的展示

对于汽车立体空间而言，其具体含义为在历史上或者现实里确切有的一类汽车空间。在教学工作开展的活动进程里，学生们有时候应当对汽车空间具备一定的了解，不过考虑到实际情况，使得学生们和汽车空间实现真实交流是不太现实的，当条件不允许时，采取的方法一般是老师向学生们用语言勾勒出相应的轮廓，通过学生的想象了解到汽车空间的有关状况。

（3）汽车虚拟场景的构造

对于汽车虚拟场景而言，其具体含义为在不一样的地点以及时间，在虚拟交互的作用下将实际的汽车场景展现出来。在条件相对落后的过去，如若想要创造学习情境，能够选取的方法为录像、图片乃至语言等，学生的主动接受性较差，即便老师们想方设法地为学生展示录像以及图片等，学生的认识与老师的教学目标有时候也会背道而驰。

2.汽车课堂教学现有问题的解决

在虚拟交互技术的效用支持下，大小体积和实物相等的三维模型能够被设计出来。举例来说，选择Rhino软件开展建模工作，渲染器选取的软件类型为keyshot，进行播放选取的播放器类型为VRML以及QUICKTIME VR等。如在中小学拓展课程中画一辆汽车是如果展示360度的立体效果，是教学中的一个重点同时也是一个难点。在这种情况下，可以选择Rhino软件将汽车的若干面勾勒出来，再引导学生从多个视角展开研究，这样做的优点一是能够充分满足学生内心随自己的心意学习的想法，二是免去构建实物的麻烦。此外在汽车的外形、颜色以及位置等其他方面的教学活动中，桌面模拟交互技术都可以被充分应用起来。以下是系统构成：

通过虚拟交互技术，所达成的效果不仅体现在学生的意识空间里，还能够促使学生们用眼睛、耳朵乃至手去感受。举例来说，在为学生展开如何设计汽车的相关课程时，考虑到汽车具有着悠久的发展历程，如何将汽车发展历史介绍给学生，使他们进行外观设计，内部构造设计的学习呢？为了充分达成这一目标，在中小学拓展课程中，计算机技术以及相应具备的现实主义特点效用被充分发挥出来，进而使得数字化汽车被设计出来并应用。

通过虚拟技术的应用，学生们会得到设身处地的真实感受，汽车会在他们面前真实的呈现出来，并在向导的指引下进行漫游行为。可以想象到这种再造汽车对学生的吸引力，学生可以身临其境地观察汽车结构特点，而且从各个方位去看都是那么的美丽、匀称。有了虚拟交互技术，在家就能够随心所欲的发现汽车美的梦想得以实现。

如果采用虚拟交互技术，让学生进入虚拟汽车场景，让学生自己体会不同的汽车不同的功能，去游览不同汽车在不同场景中用途，然后再对照课文，我想效果一定会很好的。如果有条件，采用沉浸的虚拟交互，让学生戴上头盔，面对虚拟的汽车场景，进行不同声音试验，从而加深对不同汽车的不同地方用途的理解。

图1 系统构成示意图

二、虚拟交互技术在中小学拓展课程中的意义

对于中小学生而言，其突出的特性在于具备较为广泛的兴趣和求知欲望、好动以及年龄小等。中小学教学必须针对每个学生的特点开展教学活动。目前中小学教学的主要问题是“ 灌鸭式”教学，这种集体统一教学模式具有体系完整，知识掌握度比较高的优点。教学的首要目的是让学生成为一个独立的正常的人，而不是培养掌握了很多知识的复读机器。提高素质和掌握知识很重要，但方式方法却有很多，应该根据学生自己的特点来组织学习，所谓因材施教，而不是批量化生产。对于中小学生而言，如若想要具备成熟的学习习惯，耐心的长时间教育是必不可少的，而使得学生具备良好的兴趣更是重中之重。虚拟交互技术对于改革传统教学方式具有明显的优势，主要体现在以下三点：

（1）虚拟交互技术创建真实的情景，实现形象化教学，促进智力和能力的发展

汽车设计教学中需要很多直观的图片加以说明，虚拟交互技术可以提供更加真实和逼真的图像、视频，也可以设计很多虚拟的汽车设计的应用场景，更利于学生的学习兴趣。

虚拟交互技术有利于右脑的发育。有分析人员提出，人脑的右半边和左半边分别负责处理的是总体形象思维以及抽象思维，当下对学生实行的数学以及文学等教育需要依靠的是左脑，使得左脑太过劳累，相应的右脑则开发程度不够，不利于学生整个大脑的健康。在此背景下，教育工作者们可以选取具备充足趣味性的方式使得学生们对所学目标的系统结构进行思考、学习、探讨，在此过程中学生的右脑得以充分利用，进而有效的开发锻炼了学生们的智力。

（2）虚拟交互技术能激发创新意识

通过虚拟交互技术，数量庞大的模型、场景以及形象可以被灵活真切的表达出来。举例来说，在教师开展如何设计汽车的教学活动里，如若将在历史上占据一定地位的汽车发明采用虚拟交互技术对学生们展现出来，课堂效果是立竿见影的。虚拟交互技术还可以仿真各种汽车历史模型，创设逼真的场景，使学生沉浸其中。通过利用VR技术使知识的传递变得有趣，课堂充满了诱惑力，促进学生进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。

对于虚拟交互技术而言，简单的教导技能是远远不够的，最重要的是创造意识的培养；授人以鱼不如授人以渔。所以，与教导知识相比，选取设立模型、绘画等方法教育学生思考更为重要。对于中小学生而言，其表达能力相对欠缺，对于画画的学习能力相对较强，和直白的语言相比，画画更能使得学生表达出内心的真实想法。换言之，画画对于学生右脑的培养是更加有效的。

（3）虚拟交互技术能够实现学生学习方式、教师教学方式以及师生互动方式的改变

通过虚拟交互技术，能够促进老师在教育活动中成功扮演合作者、参与者、指导者以及学习朋友的角色。对于老师而言，教导学生学习的方法，对于引导其自觉自发的去学习知识、处理面对的各种问题是极其重要的。将教学活动的中心由老师转移到学生身上，从各个层面改善学生自主学习的态度以及能力，使得学生更加具备个性多样化的特点。将教学模式进行充分的改进与完善，能够使得学生以及老师之间的关系更为融洽，促使教育工作者开展的教学活动更富有针对性，更为灵活、直接以及便捷。

第三章 总结

将虚拟交互技术开展推广和深化工作，将使得教育工作者的教育效果以及思维不断更新。在虚拟交互技术协作以及情景化学习的应用特性被进行实施的背景下，以往难以解决的问题会找到适宜的方法，大教育将会在学校在学生中间普及。

中小学拓展课程虚拟汽车设计拓展课程开设，解决了教学重难点的落实问题。在信息技术的支持和帮助下，汽车模型图将会得到更为细致的展现，色彩将会更为充分，学生与老师之间的交流将会更加密切、直观，学生释放出的信息将会更加迅速、准确的为老师所掌握、分析和处理，课堂效果更为显著和良好。针对学生学习特点，通过反复轮回播放的形式，强化示范演示，缩短平时演示的时间，给予孩子更多时间的创意，真是一举两得！

以往的教育模式是存在诸多弊端的，学生只能被动的去接受老师所传输的知识，不能自主的充分发散自己的思路，且答案都是约定俗成的。学生只能根据教师的语言和课本文字进行再现想象。在这种情况下，学生在学习方面的主观能动性受到阻碍，就会产生厌恶学习的态度。当下对于国内环境而言，虚拟交互技术的研究相对并不深入，不过未来的发展可期。我们有理由相信，具备创新性的虚拟交互技术会因其展现出的各方面优势，在教育工作中将会扮演更为亮眼的角色。