虚拟现实技术在历史教学中的应用

2019-06-10陈华明吴建平方芳徐溪溪欧九瑜

软件导刊 2019年2期

陈华明吴建平方芳徐溪溪欧九瑜

摘要：虚拟现实（VR）技术能通过创设情境与体验虚拟世界，克服抽象历史知识的教学难题，在教学过程中通过对临场感的控制提升学习效果。根据虚拟现实技术在教学方面的优点，结合历史教学现实需求，探索其在历史教学中的应用，以便正确选择需借助虚拟现实技术开展的教学内容。凭借视觉、听觉、触觉和嗅觉等多感观整合促进历史深度学习。文献综合分析发现，建构主义学习理论情境教学与混合式教学可为虚拟现实教学应用提供理论基础，其理论可引导虚拟现实教学与传统教学方式有机结合，最终提升教学效果。

关键词：虚拟现实技术;历史教学;建构主义学习理论;深度学习;情境教学;混合式教学

DOI：10. 11907/rjdk. 181641

中图分类号：G434文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）002-0190-04

Abstract： Virtual reality （VR） technology can overcome the teaching difficulties of abstract historical knowledge by creating situations and experiencing virtual world， and improve the learning effect by controlling the sense of presence in the teaching process. According to the advantages of virtual reality technology in teaching， combined with the actual needs of history teaching， we explore its application in history teaching with the purpose to choose the right virtual reality teaching content. The integration of visual， auditory， tactile and olfactory senses promotes the deep learning of history. Based on the comprehensive analysis of literatures， it is learned that constructivist learning theory's situational teaching and blended teaching can provide theoretical basis for VR teaching application. Its theory can guide the organic combination of VR teaching and traditional teaching methods， and finally improve the teaching effect.

Key Words： virtual reality technology; history teaching; constructivist learning theory; deep learning; situational teaching; blended teaching

0 引言

历史文物、历史场景、历史人物及历史事件等可通过虚拟现实技术“重现”，给历史教学带来创新的可能。近年来虚拟现实技术发展愈加完善，在教育领域的应用研究也逐渐增多。从近3年的研究趨势看，其应用领域范围大幅扩展，涉及医学教育、实验教学、仿真教学、虚拟场景、虚拟校园等，但其中虚拟历史的研究较少。国外VR视频开发主要关注科普文化方向，其次是在游戏及自然科学、物理、医学课堂方面的研究，对于历史教学没有形成系统研究。虽然有一些虚拟现实技术的教育研究已转向历史课堂，但总体研究量还不能达到质变效果。历史教育不仅能培养爱国情怀，还能提升人文素养、发展思维能力、端正价值观。历史教育具有重要意义，但常规多媒体课件已经无法满足历史教育的要求，教学日渐增长的媒体依赖性需要有更加先进的技术提供支持，虚拟现实技术在历史教学中的应用给历史教学改革带来全新风貌，将历史教学中的抽象问题进行虚拟现实设计，以现有技术是可以实现的。综上所述，研究需在遵循客观规律的基础上，以建构主义理论为指导，将虚拟现实技术优势应用于历史教学中才能行之有效。

1 应用状况

1.1 国外教育研究状况

虚拟现实技术最早起源于美国，从模拟仿真物理现实开始， 1929年Edwin Link发明了飞行模拟器，随着计算机技术的发展，虚拟现实技术也在逐步酝酿中[1]。1985年有学者将虚拟现实技术模拟人体用于医学研究与教学活动;1992年美国东卡罗林纳大学建立虚拟现实技术与交易实验室（VREL），考察虚拟现实技术对教育的影响及在真实世界中的应用[2]。随着技术日渐完善，加州Infinite Z公司开发了由计算机与虚拟现实显示器组装的Z Space，其配备的触控笔工具可操纵虚拟物体，教学过程中学习者可与虚拟心脏进行互动。此外，全球第一款VR显示设备发明者Tom Furness于2016年启动了“VR+教育”事业，并借助AR/VR应用交流社区Virtual World Society建立VR内容创造者与金融支持联盟，将大众休闲的客厅变成知识交流的教室[3]。

其它发达国家也非常重视虚拟现实技术的教育应用。如英国第一个教育虚拟现实技术工程主要研究虚拟现实技术软件包[4]。诺丁汉大学进行了桌面虚拟现实技术输入及输出设备、虚拟现实技术装备小型化与推广性方面的研究[4]。日本虚拟现实技术主要在建立大规模VR知识库及虚拟现实游戏方面较为突出。东京大学与研究院等学术机构在VR不同领域进行了较为深入研究[5]。数百家教学机构利用Second Life向学生提供学习机会，在虚拟环境中参观大学、访问名胜古迹[3]。除各大科技巨头的热情投入外，大学及研究机构也展开了全面研究。目前国外建设虚拟现实课堂在技术方面已经成熟。

1.2 国内教育研究状况

1996年天津大学国际标准虚拟校园成为国内最早开发的虚拟现实技术应用，西安虚拟现实工程技术研究中心为国内最早开展VR技术实验的机构[4-5]。北京航天航空大学在VR视觉接口方面有一定研究成果，代表作品是分布式飞行模拟应用[6]。此外，浙江大学在建筑虚拟规划、虚拟设计方面均有应用，哈尔滨工业大学以人机交互为研究重点，清华大学以“临场感”研究为主[7-8]。

目前，北航、清华、浙大等高校与工业信息化部等部门及电子工业标准化研究院、高科技公司联合研究VR技术教学应用，并在校内建立了虚拟现实技术实验室，着手新一轮科学研究与技术开发[6]。国内企业如新东方、乐视公司合作欲打造英语课堂虚拟现实教学，安妮股份以虚拟现实技术儿童教育产品开发为主，百度则计划2017年在贫困山区学校构建虚拟现实教室[9-10]。一些公司还成立了VR科普教育研究室，并开展“VR创客基地”研究，其中涉及历史文物科普。

2016年8月30日，《关于请组织申报“互联网+”领域创新能力建设专项通知》[11]指出，我国要建设虚拟现实/增强现实技术及应用实验室。国家主席习近平2016年在杭州出席二十国集团工商峰会开幕式时，在题为“中国发展新起点，全球增长新蓝图”的演讲中也指出虚拟现实技术的教育应用。2016年4月14日，工业和信息化部发布了《虚拟现实产业发展白皮书5.0》，全面阐述了国内外虚拟现实产业发展状况，并指出：教育文化也是虚拟现实技术一个重要领域[12]。因此总体方向是将技术、设备、工具的使用与教学改革相结合，利用技术、设备与工具探索、创设适应信息时代特点的新型教学环节，创新教学模式，切实提升教育现代化水平。

2 建构主义学习理论依据

2.1 人工创设学习方法

建构主义学习理论强调通过技术支持下的系统方法创设人工学习环境，虚拟现实技术正是创设环境的大师。虚拟现实技术通过创设问题情景，引发学生对知识本身的兴趣，产生认知需要，激发探究动机等。例如目前较为流行的做法是将VR视频资源整合到头戴一体设备中，应用网络技术建立控制视频播放的一体化平台，通过无线局域网链接上传资源，打造虚拟现实环境的人工创设学习方法[12]。在坚持以学习者为中心的条件下，学习者沉浸式地进行信息加工处理，教师引导学习者进行深入学习[13]。历史教学中学习者在掌握原有知识（教师讲解）下，通过虚拟现实历史知识主动建构模型。

皮亚杰认知发展理论认为知识既非主观的也非客观的，而是个体与环境交互作用中逐渐习得的结果[14]。在學习过程中知识不是被传递的，而是学习者自我建构的。在历史教学中对于历史的理解因人而异，通过对抽象历史知识的虚拟现实，每个学习者都会有自己的理解，而非仅背诵历史文字，谈及历史千篇一律。

维果斯基心理发展理论认为促使学生心理发展的知识构架存在于社会-文化-历史中，其强调对历史的理解，可见历史教学对于人的发展至关重要[14]。该理论强调学习需要协作，虚拟现实技术下的历史教学通常需要学习者交流学习体验，分享学习成果，并且在虚拟现实环境中学习者通过与虚拟历史人物交流扩展学习范围。

斯皮诺认为复杂知识的学习是“盲人摸象”，要从不同的视角去学习，最终构建完整的知识体系[13-14]。历史教学要基于不同的教学目标从多个视角去理解，如对于历史人物项羽和刘邦的学习要求有不同历史视角。虚拟现实技术可以创设不同的历史环境，使学生从不同的背景了解历史。

2.2 混合式学习理论

实践证明，用单一理论指导混合式学习或混合式教学无法得出研究结果。在基础理论确立后也需要结合实际教学环境进行多种理论共存的研究。比如，教学最优化理论强调教学效果与教学时间最优比例，教学过程用较短时间达到良好效果，即学习者在知识与能力、过程与方法、情感态度与价值观等方面获得和谐发展，用合理时间取得较大效度，符合虚拟现实技术直观呈现抽象知识的性质。行为主义理论认为学习是刺激-反应的联结，通过反复刺激可以达到学习目的，而虚拟现实技术中的虚拟场景区别于传统教育的刺激，强烈的代入感有助于增强学习者记忆。认知主义学习理论强调学习者发散性思维，通过思考总结、信息加工最终使有意义的学习发生[12]，而虚拟现实技术的想象性指学习者对所见所闻进行思考，主动习得知识。

3 历史教学虚拟现实需求

3.1 历史教学技术需求

传统历史教学通过书本文字传播知识，教学效率得不到保障，而且课堂枯燥单一，多媒体课件大多沦为对文字的搬运，已经无法适应现在学习者学习要求，也无法满足学习者生日渐新奇的求知欲望。虚拟现实技术利用计算机图形系统、各种控制接口设备，生成可交互的三维仿真环境，提供沉浸式学习环境。增强现实技术将电子信息叠加于现实世界中，不仅可高度模拟现实世界，还可在虚拟环境中“接触”模拟的实体。传统视频局限于单一平面内，信息接收者通过平面像素变化获取信息，而虚拟现实技术不仅可以从视觉上将学习者带入其中，还可从听觉、触觉、嗅觉等带来多方位感知[15]，使学习者更深入地了解历史。

3.2 加工抽象知识需求

历史教学中，教师难以用普通多媒体课件教授比较抽象的知识，学习者掌握难度大。对于一些特殊场景，如文物、古建筑等难以用文字描述到位，即使用图片或其它多媒体也不够生动形象，原始居民的生活场景、居住建筑、使用的器具等需要通过模拟仿真才可在较短的教学时间内达到教学效果。VR技术为学生发展发散思维提供了丰富资源与便利空间，最大限度地发挥了学生主动性、积极性。启发式教学方法与现场教学相结合，将抽象的历史知识以虚拟现实的方式呈现在教学中更便于理解，可极大改进历史教学效果。

3.3 提高学习效率需求

虚拟现实下的历史教学可提高学习效率。传统历史教学强调背诵，学习自主与及探究性不足，无法满足教学要求。虚拟现实技术可创建逼真的历史环境，让学习者注意力高度集中，有助于对知识的理解，从而提高学习效率。

3.4 促进教育公平需求

历史教学由于地域、文化、资源差异存在发展不均衡现象。虚拟现实技术教学地域性不强，并且相较于大型科技馆、展馆、实地考察，虚拟现实投入成本低，容易实施。虚拟现实直观地展现历史知识，可以使不同文化背景的学习者具有相似的学习体验，教学资源不再单一地靠教师传播，有益于教育均衡发展，解决教育公平问题。

4 虚拟现实技术教育应用科学性

4.1 技术

综合国内外研究状况来看，虚拟现实技术日渐成熟，其应用范围小到分子建模、流体实时仿真，大到建筑仿真、虚拟校园建设。对于在历史教学中的应用，如历史古迹恢复、文物模拟、历史事件再现等，虚拟现实技术可提供强大的技术支持[16]，如《清明上河图》VR视频、大明宫复原图、圆明园建筑复原等案例足以证明虚拟现实技术的成熟[17]。目前虚拟现实技术在历史教学中的应用有完善的体系架构，结合多种理论的优点，解决当下多种教育问题具有一定的科学性。

4.2 政策与社会环境

符合政策指向、适应社会发展是在实践中得出的科学观念。近年来随着虚拟现实的发展，特别是教育领域应用取得的成果离不开政策支持。美国三届总统均提出重点发展虚拟现实在教育领域的应用，并且投入大量研究经费;日本更是大力提倡虚拟现实进入中小学教育研究;世界多国在本国虚拟现实教育应用领域均取得了一定成果。巨额商业资金进军教育市场进行虚拟现实产品研发，抢占未来教育发展一席之地。在这样良好的社会环境下，发展虚拟现实教育应用是可行的。

4.3 研究热度

教育发展及技术进步都离不开广大学者们积极、深入、长久的研究，虚拟现实技术历经数十载发展，在教育领域的应用研究呈现百花齐放的盛景。自虚拟现实元年后研究又一次达到新高，如今研究热度有增无减。

5 历史教学内容选择

虚拟现实技术教育领域研究状况指引了研究方向，本文在相关理论指导下分析了研究可行性，最终通过历史教学需求分析定位教学内容选择。综合研究所得经验，历史教学中部分抽象内容可以用虚拟现实的方式呈现。历史学科具有过去性、丰富性、综合性等特点，其内容不能试验或者重演，但可以再现历史情景[18]。

5.1 历史文物与历史古迹重建

历史教学涉及丰富的历史文物，但许多历史文物仅以老旧的照片呈现在学生面前，或者通过教师用语言描绘图片激发学生想象。例如历史课上介绍古滇王国青铜器“牛虎铜案”时，大部分学生认为它是一件巨大的青铜器，然而它仅70多厘米长。在一些条件好的学校或许可以通过参观等途径进一步了解，但大范围实施比较困难。虚拟现实技术通过其强大的三维图形表现力，可以将文物立体地呈现在学习者面前，学生既可以通过头戴设备进行物体图像虚拟、重建历史文物，也可以VR/AR结合增加触觉感受。

在历史古迹重建方面，虚拟现实技术建模可以将多种样式的历史资料用丰富、生动的虚拟模型仿真出来，进而再造历史景象，使历史教学突破时空限制，把千百年前以至上万年前的中外历史现象重现在学生面前，学习者戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员，进行实时交互，感知、参与虚拟世界中的各种历史现象，从而获得身临其境的感受和体会，形成深刻的印象与认知[18]。通过计算机技术模拟的虚拟现实，可全方位真实展现历史文物或历史古迹。如通过圆明园虚拟现实模型，学生利用头戴一体设备可看到其真实图景;一些青铜文物、古建筑均可借助虚拟现实技术还原其形态。学习者与虚拟环境相互作用、相互影响，在原有知识基础上与信息、环境交融建构知识体系，场景的刺激、信息的再次加工促进有意义的学习发生。

5.2 历史事件场景再现

历史事件在历史教学中必不可少，一些非常有价值的历史事件通过简单的文字描述难以凸显其深刻性，虚拟现实技术可重现历史事件场景，如郑和下西洋、黄海战役等可通过虚拟现实技术再现历史时刻。历史事件通过影视素材往往可以产生极强的表现力，学习者在视、听、触觉的刺激下能够深入其中，同时VR技术还可增添更加生动的触觉及味觉等。与文物、古迹不同的是历史事件场景再现增加了声音，并且以动态形式表现出来，学习者代入感强烈，然而历史事件动态场景再现难度较大、成本也更高。

5.3 虚拟历史人物

虚拟现实技术可创设个性化学习环境，使学习者与历史人物面对面交流[20]。在三维建模的基础上将历史人物放置于特定场景，学习者进入后可与历史人物交流，还可结合虚拟历史古迹，创设如岳阳楼一样的场景，与古人吟诗作对，尽情发挥学生才能;或者与先进人物一起座谈、进行答疑，如伟大的科学家、思想家等，通过与其交谈寻求答案、实现精神升华，从而達到学习知识、实现思想教育的目的[18]。学习者与历史人物一同参与历史事件，可以进入本位角色，从而更加易于理解人物遭遇。历史教学中许多内容可通过虚拟现实技术加强教育效果，让学习者真正融入到丰富多彩的历史教学中，尤其对新技术依赖强烈的现代教学更凸显了虚拟现实在教育领域应用的优越性。

6 技术促进历史深度学习

对选择的历史内容以虚拟现实与传统教学方式结合的形式，促进历史知识深度学习。深度学习3个领域（即认知领域、人际领域、自我领域）的不同学习表现可通过虚拟现实技术实现。

6.1 认知领域

历史教学要求让学习者理解、掌握知识并且能够将知识迁移[20]，且能够创造性地应用知识解决问题。基本历史常识及一些简单的记忆可通过普通教学完成。而获得批判性思维与解决问题的能力需通过虚拟现实技术使学习者“身临其境”感受历史，并且通过真实的历史构建自己的知识观，进而改变认知结构。

6.2 人际领域

虚拟现实情境下的学习环境能促进学习者有效沟通，学生在教学后能以故事的形式对历史事件进行描述，并针对一些历史人物作出不同的评价。在讨论中形成协作学习，从而对存在的问题获得多维理解。

6.3 自我领域

虚拟现实学习形式能够提高学习者学习兴趣，明确学习动机，直接促进学习的参与。在教学过程中学习者积极参与学习，通过学习动机的促进，使学生注意力更加集中，促使学习者主动学习。在形成自我监控及指导的自学能力下使学习者学会学习，为扩展其它学科知识打下基础。

7 结语

虚拟现实技术在历史教学中的应用建立于建构主义学习理论基础上，根据历史教学需求合理选择历史教学内容，从而实现历史知识深度学习。历史教学中难以用文字或常规多媒体表达的历史知识可通过虚拟现实技术生动形象地进行描述，同时不排斥传统教学中教师讲授的形式。教学中心可在学习者与教师之间进行切换。虚拟现实技术同样突破了时空限制，可缩小教育差距、促进教育公平。综上所述，虚拟现实的仿真世界可提供多感官的强烈交互，给教育者与受教育者带来新体验，虚拟现实技术的应用有助于改进深度学习的教学设计。

参考文献：

[1] 赵沁平. 虚拟现实综述[J].中国科学：信息科学，2009，39（1）：2-46.

[2] 张晗. 虚拟现实技术在医学教育中的应用探讨[J]. 西北医学教育，2010，18（1）：48-51.

[3] 福建信息职业技术学院科协. 2015-2016年虚拟现实学科发展报告[J]. 海峡科学，2017（8）：77-83.

[4] 李建荣，孔素真. 虚拟现实技术在教育中的应用研究[J]. 实验室科學，2014，17（3）：98-100+103.

[5] 姜学智，李忠华. 国内外虚拟现实技术的研究现状[J]. 辽宁工程技术大学学报，2004（2）：238-240.

[6] 许微. 虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J]. 现代商贸工业，2009，21（2）：279-280.

[7] 杨江涛. 虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J]. 信息通信，2015（1）：138.

[8] 党保生. 虚拟现实及其发展趋势[J]. 中国现代教育装备，2007（4）：94-96.

[9] 刘园. VR技术在教育领域的研究与应用[J]. 电脑知识与技术，2016，12（16）：207-208.

[10] 《广播与电视技术》编辑部. 发改委将人工智能/AR/VR纳入“互联网+”建设专项[J]. 广播与电视技术，2016，43（9）：84.

[11] 温晓君. 虚拟现实产业发展白皮书[N]. 中国计算机报，2017-08-28（008）.