以基于虚拟现实的仿真教学环境来辅助小学科学教学

以基于虚拟现实的仿真教学环境来辅助小学科学教学湖州市凤凰小学徐明夏[摘要]小学科学教育的宗旨是培养学生的科学素养，然而，目前的小学科学教学却陷入尴尬境地。尽管学校重视学生的科学素养形成，但是学生脱离学校就很难进行实验相关的学习和实践，从而使学生的科学学习停留在知识概念的获得上。虚拟现实作为一种新的媒体形式，它的出现无疑将对小学科学教学产生深远的影响，以它为平台构建仿真教学环境，使学生在家中也可以对任何一个实验开展动手实践，不仅能提高教学效果和教学质量，甚至将会导致人们教育思想和教育观念的巨大革新。[关键词]虚拟现实、小学科学、仿真教学环境一、何谓虚拟现实技术虚拟现实技术（简称VR），又称灵境技术，是以沉浸性、交互性和构想性为基本特征的计算机高级人机界面。它综合利用了计算机图形学、仿真技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机网络技术、并行处理技术和多传感器技术，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官功能，使人能够沉浸在计算机生成的虚拟境界中，并能够通过语言、手势等自然的方式与之进行实时交互，创建了一种适人化的多维信息空间，具有广阔的应用前景。二、基于虚拟现实的仿真教学环境的基本构成基于虚拟现实的仿真教学环境，是指将虚拟现实技术作为一种新的媒体表现形式引入教学软件中，对教学情景、教学实验、技能训练等进行虚拟，利用虚拟场景交互性、多感知性和可操作性等优势来表现教学内容，以充分调动学习者的主动性和创造性，解决教学中的重点、难点问题，促进学习者知识积极建构的新一代CAI教学软件。作为教学软件的一种新型表现形式，基于虚拟现实的教学软件应该是基于HTML的平面结构页面与虚拟现实部分的有机结合。虚拟现实部分是软件的精华所在，平面结构则是与虚拟现实部分相辅相成的必要组成。三、小学科学在教学实践中经常遇到的问题小学科学是一门以动手实验为基础的学科，通过实验（演示实验、课外小实验、学生探究实验等）教学来帮助学生了解实验的现象，掌握实验的规律及事物发展变化的过程。但在教学实践中经常遇到一些问题：1．传统实验的预习与复习较难展开，课外无法复制实验室环境，依靠想象预习复习效果不理想，效率过低；2．传统实验教学传递渠道单一，互动性不强：传统教学模式大多是教师先把实验教学中的定理和实验步骤详细地安排好，甚至连结论也预先告知学生，然后由老师讲解（动手做），学生看，内容枯燥，形式单一，不能形成互动和调动学生主动参与的积极性；3．反应抽象的理论及定理，宏观、微观、危险的种种实验，传统实验教学没有有效的辅助工具和仿真环境，难以讲解和表现，例如理化生的各种抽象的定理、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，老师讲解起来非常困难，学生也难以理解；4．部分传统实验过程无法控制，一些反映速度比较快的实验往往是学生没有看仔细就结束了，但由于实验条件的限定又不可能重复地进行演示。四、虚拟现实在小学科学教学中的应用近年来，随着虚拟仪器技术、仿真模型技术、网络技术的飞速发展，通过计算机与网络来构建虚拟实验室，在计算机上实现的模拟实验已经成为现实。它可以增强并扩展实验教学的功能，借助数字化校园来实现实验教学的开放与共享，提高实验效果，降低实验成本。把虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃，就教育理论而言，虚拟现实能实现人的临场化，参与者与虚拟环境是互相作用、互相影响的一个整体的两个方面。它营造了自主学习的环境，由传统的以教促学的学习方式。代之以由学习者通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识和技能的新型学习方式。应用虚拟现实技术即可营造虚拟学习环境，这种虚拟的教学环境构建的学习环境，是弥补当今课堂教学不足的有效手段。在教学中利用虚拟现实技术创建仿真教学场景表现教学中的重点、难点问题，可以提供给学习者以第一人称的感觉，学习者是整个场景的主宰者，他可以充分调动自己的主动性和创造性，根据已有的知识对新知识进行积极的意义建构。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：1.利用虚拟现实技术构建虚拟实验，辅助实验教学利用虚拟现实技术实现建立理、化、生、地等各种虚拟实验室。（目前网上已有能下载并能使用的虚拟现实的化学仿真实验室、物理仿真实验室、电学仿真实验室等，能完成小学科学中所涉及的各类相关的实验。）在“实验室”里，学习者可以自己动手做各种实验。与现实实验室相比虚拟模拟实验具有以下四个优势:其一，可以解决在学校教学中因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的不足的矛盾。其二，可以彻底打破时间、空间和客观条件的限制。利用仿真技术，可以彻底打破空间的限制，大到宇宙天体，小至原子分子，从宏观到微观，学习者不但可以走近这些物体进行多角度、多侧面的观察，还可以对物体的内部结构进行剖析。利用仿真技术，还可以突破时间的限制，一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实仿真技术，可以在很短的时间内呈现给学习者观察。其三，在虚拟实验室做实验，可以避免真实实验或操作所带来的各种危险。如很多化学实验，具有一定的危险性，稍不注意就会引发安全事故，所以很多时候老师都选择改变实验性质，违背了教学的本意。仿真技术的出现，不仅可以放心的让学生动手参与整个实验，而且其实验成本低还可以反复实验直到掌握。如：可利用化学仿真实验，通过添加组件，搭建反应装置，点燃酒精灯运行实验，从而进行浓盐水蒸发的实验。2.利用虚拟现实技术呈现教学难点，解决教学难点在教学中应用仿真技术可以直观的呈现教学中的难点问题。这方面的应用主要表现在以下两个方面:其一，再现实际生活中无法观察到的自然现象或事物的变化过程，为学习者提供生动、逼真的感性学习材料，帮助学习者解决学习中的知识难点。如用光的直线传播解释解释日月食的成因时，一般的学生都难以理解，那么用仿真技术的日月食成因的场景，学习者可以任意选择不同的角度来观察宇宙发生日食时太阳、地球、月球三者的任意位置以及光线的传播方向和阴影的产生等现象，宛如在太空中自由探索一般。其二，使抽象的概念、理论直观化、形象化，方便学习者对抽象概念的理解。如在六年级的材料和结构，学生利用仿真技术可以通过不同的角度观察复杂的三维立体形状。3.利用虚拟现实技术发散学生思维，培养创新精神利用虚拟现实技术可以对学习者学习过程中提出的各种假设模型进行虚拟，通过虚拟学习者可以直观的观察到这一假设所产生的结果和效果，并判断其在现实中的可行性。一方面会促进新的设计思想付诸实践，另一方面将实验成本节省验证时间。这有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。如电路灯学习中学习者可以将自己的设计作品进行虚拟，对结果进行验证和分析。如：四下《电》单元的电路设计，可以利用电路仿真实验来验证自己的设计。连接正确，小灯泡发光，错误不发光，且并联比串联亮灯实验现象都能进行验证。4.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设的场景具有较强的沉浸性和交互性，学习者在浏览时能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心的投入到学习环境中去，这非常有利于学习者的技能训练和知识的学习与巩固。如在宇宙教学中，用虚拟现实技术虚拟学习者到太空遨游的情景，让学习者自由与场景中虚拟的进行观察，可达到直观的教学目的，突破言语描述教学的瓶颈。五、虚拟现实的发展前景现在，越来越多的计算机公司和研究小组着手开发支持多用户共享场景的浏览器，虚拟现实技术正朝着多用户方向发展，通过一定的编程控制可实现多用户共享一个场景，目前一些基于VRML浏览器已经可以支持简单的多用户系统，如SONY的CommunityPlace。因而可以用仿真技术建立虚拟教室，使学习者在回到家以后，可以通过浏览器进入这个“教室”，随时向教师提问问题，并可与“教室”中的其他学习者展开讨论，进行协作学习，这意味着在不久的将来，不同的学习者在虚拟的实验室里可以进行协同操作，共同设计和完成实验，从而彻底解决学生脱离学校无法进行科学实验、科学探究等。参考文献[1]孙秋冬郭维芹常大俊.虚实结合实验环境的创建[J].上海第二工业大学学报,2006,23(3):223-228.[2]郭建才《虚拟现实技术及其在远程教学中的应用》.《中国电大教育》.1999年6月[3]石明贵史红星《关于教育多媒体软件的开发》.《中国远程教育》.2000年1月[4]徐红.网络虚拟实验室建设的研究[J].实验科学与技术,2007(8):132-134,147.[5]李文瑜.一种基于Web环境的虚拟实验室[J].实验技术与管理,2004,21(3):105—108.