• 虚拟现实技术的定义

虚拟现实技术是以传感器技术、模拟计算机图形学、仿真技术、虚拟仪器技术多媒体、人工智能、计算机网络技术、并行处理技术、视觉、听觉、触觉、器官功能等都可以通过接近在自然语言处理中，利用语言和手势等多维空间信息来创建实时交互具有广阔的应用前景。

为了将虚拟现实技术应用于小学课堂，模拟教学环境被称为基于虚拟现实的仿真教学环境，是一种新型的介绍了虚拟现实技术在多媒体教学中的应用，包括软件、教学情境、虚拟实验教学、技能训练、虚拟场景交互等，说明了虚拟现实技术在多媒体教学中有着客观的利用学习内容可以进行教学，充分调动学习者的积极性和创造性，解决教学问题，积极鼓励学习者构建新一代的CAI虚拟现实教学软件作为一种新型的教学软件，应将基于HTML的虚拟现实教学软件有机地结合起来，是软件的基本组成部分，其平面结构与虚拟现实部分相辅相成。

二．沉浸式 VR 设备及教学应用分析

（一）沉浸式 VR 的设备类型

体验者要获得沉浸式的 VR 体验，需要有相应的显示和追踪设备，主要是头戴式显示设备、位置追踪及运动控制设备。目前主流的沉浸式VR设备可以分为主机端VR头盔、移动端VR眼镜以及VR一体机。三种 VR 设备的定义、原理、特点和代表性产品见表1。三种类型 VR 代表性产品及在沉浸感、互动性、功能性、便携性以及价格方面的优劣势对比如图1 所示。

图1  三种代表性VR设备特性与对比

由图1可见，三类设备中，沉浸感和互动性最好的是主机，VR一体机虽在这两个维度的比较中略处下风，但其便携性和价格成为竞争的亮点。 因此，笔者认为 VR一体机和主机 VR 将是今后沉浸式 VR 教育应用的主要设备类型。                                                       表1                                     三种代表性VR设备产品及其对比

（二）虚拟现实实践教学应用模式分析

根据VR 设备类型的特点，本研究提出三种不同的VR教学应用模式，具体分析如下：

1.移动端VR设备和VR一体机应用模式

移动端VR设备和VR一体机的原理是利用双眼视差和陀螺仪实现视觉立体显示和图像旋转定位，通过目视点持续注视热区或按钮实现交互操作。通过该方式可以打开或关闭全景图中嵌入的图像、热点和语音解说等，或者激活内嵌的相关热点等。如图2所示。

图2  小学生在科学课堂上利用VR技术体验沙漠的形成过程

课堂体验时，学生需自备符合配置要求的智能手机并安装相应的 APP，将手机插入到头盔盒子中，带上头盔（或者直接佩戴 VR 一体机）体验。该方案是一种最廉价的解决方案，多用于观看全景图像和全景视频，比较适合基于图像合成的全景场馆或庭审视频等，可以满足在普通教室或实验室内多人同时使用，基本使用模式如图3所示。

图3  移动端VR设备和VR一体机应用模式

2.主机端VR头盔应用模式

使用安全帽监视器和运动控制器的主机端VR系统，浸泡感和交流性最好，能给学生最好的个人体验。但是，头显和控制器等需要连接一台高性能的PC主机，整体造价昂贵，每一套设备只能单人体验，运行需要一定的空间。小学科学课程上课人数较多，一般学校无力投入巨大的财力、设备和空间，大面积推广的难度较大。运行示意图如图4 所示

图4  主机端VR头盔应用模式

3.主机端VR头盔结合大屏应用模式

采用一套VR主机，通过投影输出大尺寸的视频画面。投影将教师从头盔中看到的图像，映射到大屏幕上，学生跟随教师的行进路线和观察视角参观体验，倾听教师的语音讲解。教师进行视觉引领、语音讲解和组织活动，学生看到、听到的均是教师备课时预先规划好的内容，具有较强的针对性，也更加灵活。在这种引领式的教学活动中，教师充当了现场虚拟导游和讲解员的角色，学生通过教师的眼睛观察场景和教师的操作，跟随教师移动视角，听教师讲解，从而学习到操作知识。当然，也可以由学生充当讲解员的角色，通过一个或多个学生带领其他学生参观体验^[3]。该方案的优势是可以采用大班授课，解决多人同时参观体验的问题。缺点是学生在感官上并没有进入VR环境，沉浸感不强，体验性较弱。但与观看视频相比，学生看到的是教师与虚拟场景互动的实时画面，会有较强的临场感。当课堂教学活动设计合理，课前准备充分的情况下，该模式也会取得良好的教学效果。运行示意图如图5所示。

图5  主机端VR头盔 +大屏应用模式

三．小学科学实验在教学中存在的问题

小学是实践实验基础的课题。实验（实证实验，卓越的实验，学生的探索实验等）、实验纪律、事物的发展变化过程，但是教育实践有几个问题；

1.一些实验环节，学生无法进行有效的课前预习和课后复习，一些具体的实验环境只能在实验室进行，课外无法进行虚拟操作与演示。

2.传统的科学实验教学的方式与渠道呈现单一性，缺少与学生的互动：传统的科学实验教学主要是老师先把实验教学中要运用到的定理和实验步骤整理好，有的实验结论也预先与学生进行讲解然后进行实验演示，学生进行观看，内容对于思维灵活的学生来说较为枯燥，形式太过单一，并不能有效的和学生进行互动，不能有效的调动学生学习的兴趣和主动性，使学生感受不到科学实验的乐趣和意义； 对于一些抽象的理论，定理或者一些危险的实验，传统的教学并不能进行通俗易懂的讲解和操作。因为对于教学来说并没有具体的工具和逼真的环境来进行实验，比如物理、化学、生物的各种抽象的定理、公式及规律、化学学科的危险实验、物理学科中无法有效地表现出声波、电场的性质、万有引力作用、牛顿第一定律等一些抽象的规律、原理，没有实验老师是很难把这一系列原理讲清楚，学生更是难理解这种抽象知识；

还有一些实验的过程进行的速度无法进行人为控制。对于一些现象较快的实验，一般学生还没有看清楚就已经结束了，但是因为实验条件的限制很多实验又不能反复进行操作，所以一堂课下来学生的吸收率或者真正懂得了实验原理与过程的学生只占少数。

四．虚拟现实在小学科学教学中的应用 

近年来，随着虚拟设备技术、模拟模型、网络技术的快速发展，虚拟实验室的强化和实验教育功能的扩展，实施了公开共享实验。数码化校园教育应用虚拟现实教育是教育理论、教育技术发展的一大飞跃，虚拟现实可实现人马参加。虚拟环境是相互作用和影响的两个方面，它可以自主学习环境，促进传统学习方式的教育，让学习者应用虚拟现实，为教师创造虚拟学习环境，使学习环境成为虚拟学习环境。

利用虚拟现实技术模拟科学实验场景来突破在教学中所遇到的的重点和难点，可以让学生感受以自己为主体的感觉，在虚拟的实验环境中感受到真实的实验效果，可以充分的调动学生的学习主动性与积极性，从而开发学生的创造能力，对新知识有了更深刻的认识与吸收，也使教师在教学过程中变得轻松容易。基于虚拟现实的仿真教学环境在教学中的应用主要体现在以下几个主要方面：

（一）利用虚拟现实技术构建虚拟实验，辅助实验教学 

虚拟现实技术被用于模拟物理、化学、生物等抽象科目的实验室。（目前，所有可用的虚拟实验室均可在互联网上使用，简单完成小学理科教育参与的实验），在“实验室”里，学生完全可以发挥自己的主要作用，用手操作。与以往的研究室相比，虚拟实验室具有以下四个优点。

第一，可以打破某些实际因素的限制，比如研究所、资金、各种实验设备。通过虚拟现实技术，这些问题可以得到很好的解决。

第二，有效地解决在上课过程中遇到的时间和空间的限制。通过使用虚拟现实技术，学习者不仅可以从多个角度和侧面观察这些物体，还可以分析物体的内部结构。几十年甚至几百年都可以观察到的一些变化和原则，通过虚拟真实模拟技术可以向学习者呈现在非常短的时间内。

第三，在虚拟实验室进行实验，可以将一些真实实验在操作中的危险系数降为0。比如大多数化学实验，危险系数较高，稍微有一点小失误就会引发安全事故问题，所以为了降低危险系数，很多化学老师会违背实验本身的原理来进行操作。但是在虚拟实验室中，不仅可以让学生充分发挥主体作用动手实验，还可以把一些较为难懂的原理或者过程速度较快的实验进行反复操作与观看直到学生掌握。例如，化学模拟实验可以通过添加组件、搭建反应装置、点亮酒精灯进行浓缩盐水蒸发实验。

（二）利用虚拟现实技术突破教学重点和难点

虚拟现实技术可以将教学中的重难点清晰呈现并有效突破。其应用主要表现在以下两个方面:

 第一，在学习者面前可以再现现实生活中无法直接观察的自然现象。学习是艰难的，有趣的虚拟世界是完美的划时代的。比如，为了说明阳光直线传播的原因，大多数学生无法理解其原理，但是由于虚拟现实技术所呈现的日食情景，学习者根据自身的需要和理解状态，根据太阳、地球、月亮的任意位置可以对位置进行多角度。宇宙诞生的时候光的传播方向和影一起，侵蚀象观察一样的现象的出现。其次，它使抽象的原则和知识更加鲜明，帮助学生掌握学习过程的抽象概念。例如，在第六年级的材料与结构一课中，学生可使用虚拟现实技术从不同角度观察三维形状，并具体地实现抽象化。

（三）利用虚拟现实技术创设教学情景，突破教学瓶颈 

虚拟现实创造的场景具有强烈的潜入和相互作用。学习者在实际世界中发挥作用，专心学习，掌握高品质、高效的知识点，对知识学习和综合学习者很有帮助。在宇宙课上，虚拟学习者可通过虚拟的方法观察场景，实现直观指导的目的，打破语言描述瓶颈。