基于VR技术的虚拟现实课程建设研究

蔡雷 李岩

2016年，国家出台多个文件，对虚拟现实技术的应用给予明确的政策支持，被业界称为虚拟现实元年。正是在这一年，北京市第六十五中学虚拟现实实验室建成并投入使用，而后逐步发展为集虚拟现实、3D打印、移动学习技术于一体的北京市高中开放式重点实验室。

作为全国首家在中学建立的虚拟现实实验室，自建立以来，一系列问题摆在了我们面前：虚拟现实技术在教育领域，尤其是中学如何应用？切入点是什么？怎样才能为学生提供更为丰富的教育资源？……基于以上问题，我们从学科融合角度，对中学阶段虚拟现实技术课程的建设路径与方法进行了研究探索。

概念界定

虚拟现实（Virtual Reality）技术指综合运用计算机图形（CG）技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术，生成逼真的虚拟三维环境，人通过硬件和软件，对虚拟的环境进行体验和交互。人在位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D影像传回，使人产生身临其境的感觉。

虚拟现实技术有三个特征，分别是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）。虚拟现实中的“现实”泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，“虚拟”则是指由电脑生成的意思。 虚拟现实中的“现实”（虚拟的环境）大致可分为三种情况：第一种情况是真实世界中的环境，如虚拟故宫;第二种情况是人类主观构造的环境，即用于影视制作或电子游戏的三维动画，如电影《盗梦空间》;第三种情况则是模仿真实世界中的人类不可见的环境，如分子的结构，空气速度、温度和压力的分布等。

课程建设

作为北京市科技教育示范校、北京市金鹏科技团学校和“翱翔计划”课程基地校，我校一直致力于拔尖创新人才的培养。在此过程中我们发现，人才培养对探究能力和创新能力的要求越来越高，对先进教育技术手段，特别是虚拟现实技术与学校教育相融合的需求越来越大。虚拟现实技术相关课程的建设为学校拔尖创新人才培养提供了良好的物质条件。

虚拟现实技术能够构建出高度仿真的虚拟教学环境，让教师和学生在其中开展实验与探究，不仅能够丰富教学内容、提升教学效果，更重要的是能够促进教师教学方式与学生学习方式的变革。与此同时，基于虚拟现实技术的实践操作还可降低实验耗材的成本以及某些爆炸性、危险性实验的风险，能够真正实现“绿色实验”教学的改革与创新。

课程定位

创新人才的培养一定是依托创新课程实现的。调查可知，目前中小学阶段依托虚拟现实技术开发的课程，多是虚拟汽车模拟驾驶、模拟飞行等初级体验类课程，与各学科课程相结合的虚拟现实课程非常稀缺。我校的虚拟现实课程建设，注重学生的创新环境、活动体验、知识探究与创新实践，采取普及与提高相结合的思路：一方面为开展初高中科技与创新课程提供普及性实验课程，另一方面面向热爱动手实践和具有科技创新潜质的学生开展深层次的培优性课程，以“适合学生发展的课程”来引导学生自由发展，从而满足学生个性发展的需求，实现创新思维和创新能力的培养。

课程结构

虚拟现实技术通过构建虚拟学习情境来促进学生自主学习，从而实现核心素养的全面提升。基于此，依托虚拟现实技术的课程建设就需要以学生核心素养的培养为核心目标。我校构建了基础类、拓展类和研究类三类课程——

基礎类课程为普及性课程，通过校内教师自主编写的校本教材，满足全体学生对于VR技术的了解与一般运用的需求，着重培养学生掌握虚拟现实技术的核心知识和基本素养。

拓展类课程主要是将各学科与虚拟现实技术进行有机融合，满足全体学生的个性需求，利用虚拟现实技术的虚拟场景优势，安排高成本、有危险的实验内容，让学生身临其境地体验平时无法观察到的实验效果，从而进一步培养学生探究与综合运用知识的能力。

研究类课程则面向对科技创新有浓厚兴趣、想深入发展的学生，将VR与3D打印、人工智能等高科技技术相结合，用以满足部分学生深入研究的需要，着重培养学生发现问题和解决问题的能力。

三类课程从易到难、由浅入深循序渐进，每一个层次的受众不同、内容不同，最后的课程目标也不同。这样设置课程的好处在于，教师和学生都有一个学习，且是共同学习的过程。

课程实施与管理

虚拟现实课程体系的构建和实施贯穿中学学段全过程。基础类必修课通过初中信息技术、劳动技术，以及高中信息技术和通用技术等课程实施，在完成教学任务的基础上让学生体验虚拟现实技术并掌握虚拟现实设备的基本操作。拓展类课程通过各学科的日常教学来呈现，教师可以借助虚拟现实设备和虚拟现实案例来设置教学环境，改变传统的教学方式，让学生在虚拟的环境中实现知识的学习和应用。研究类课程通过校本选修课和社团活动课的方式进行，学校根据实际情况，使用校本教材指导学生开展深入的学习和探究。

虚拟现实课程的管理通过建立专门的管理平台来完成。教学管理部门可以构建虚拟现实课程超市，形成集课程发布、学生选课、课程过程记录、学习评价以及课程资源开发于一体的综合性课程管理平台。

课程评价

我校构建的虚拟现实课程为教师的教学和学生的学习带来了巨大的变化——

2016年，中考语文作文题《奇妙的实验室》涉及虚拟现实技术。由于我校学生从入学开始就能够接触和使用虚拟现实设备，走出考场时，他们非常高兴地说：“这道题是白送分的，把咱们学校实验室的环境、设备及基础素养课程写出来就是一篇生动的文章了。”在高中的通用技术课上，当教师讲到斗拱的内容时，学生不仅能够看到著名古建筑所使用的经典斗拱结构，还能够根据需要进行建筑结构的分解观察，充分感受经典建筑结构设计的无穷魅力;每天中午及放学后，热衷于科技探究的学生会来到实验室体验和观察发动机拆装、空间站场景、航空母舰模型等虚拟现实案例。学生可以自己确定研究方向，再通过使用虚拟现实设备，在虚拟的环境中进行观察、思考和讨论，并将自己的创意用三维软件设计出来，进行3D打印，最终实现创意到现实的转化。

实践发现，借助虚拟现实技术构建的特色课程可以开阔学生视野，真正激发学生的探究欲和主动学习的热情，有效提升学生的创造能力和动手实践能力，为学校、教师和学生带来了实实在在的改变。

【本文系北京市教育科学规划课题“中学虚拟现实（VR）课程开发研究”（课题编号：CDHB17348）的研究成果】

责任编辑：周丽