探析VR虚拟现实技术在教学实验中的应用

孙瑜

摘要：随着新课标的出台，创新教学成为教育改革的重要任务，传统的实验教学因空间和时间局限以及费用高等问题难以有效开展，近些年来，VR虚拟现实技术兴起，并逐步应用于多个领域，本文简述了VR虚拟现实技术的概念及特点，并在此基础上探析了VR虚拟现实技术在教学实验中的应用。

关键词：VR虚拟现实技术 教学实验 应用

我们在学习知识过程中离不开实验的指引，教学实验是日常教学活动中关键的一环，通过实验，能够让我们理论联系实际，锻炼我们的动手能力、培养分析问题以及解决问题的能力，在实验摸索过程中，提升了我们对课堂上所学知识的理解，激发了同学求知欲和学习兴趣，让课堂氛围变得更加活跃，学生在课堂上的注意力和积极性也会得到提高。然而，传统的教学实验因为场地、经费以及耗时等问题在实际开展过程中的效果并不理想。与此同时，随着计算机科学技术和通信技术等的不断发展，以VR虚拟现实技术为典型的计算机科学技术不断发展并突破了一定的技术瓶颈，应用范围逐渐拓展，利用VR虚拟现实技术开展教学实验也成为各个学校教学创新的一个重要举措。

一、传统实验室开展教学实验的不足

（一）投资费用比较高

传统的实验室一旦开展实验，不但要购买大量的试剂、耗材，设备，还要对实验室以及设备进行维护与保养，因此这对于一般科研经费较少的学校来说，实验成本导致的投资费用比较高。

（二）传统教学实验对时间和空间的要求较高

笔者发现，大多数学校的实验楼和教学楼不在一块，我们在上实验课之前，都要提前去实验室准备实验，而教学实验也仅仅只有45分钟或者60分钟的课堂时间，有些教学实验在规定的时间内是无法完成的，如果拖堂，又会影响其他文化课的时间。所以，传统教学实验由于时间和空间的限制不易取得较好的效果。

（三）传统一些教学实验无法真正有效开展

部分实验存在一定危险性，实际操作性较差，但如果不开展，学生又无法真正理解其中的理论知识。比如做食品的微波消解教学实验，就需要用到大量的高浓度强硝酸，而硝酸具有强腐蚀性，稍有不慎，就会威胁生命安全。

二、VR虚拟现实技术简介

（一）VR虚拟现实技术的概念

VR虚拟现实技术是人工智能研究领域的重要课题之一，又被成为是人工模拟环境技术，它主要基于视觉、触觉等感官，实现环境的交互和交互。VR虚拟现实技术的研究离不开人工智能、图像技术、多媒体技术、传感技术以及人机对接技术等，正是在这些技术高度融合与集成的基础上，VR虚拟现实技术能够模拟出一个虚幻的“真实”环境。

（二）VR虚拟现实技术的特点

VR虚拟现实技术的特点包括：交互性、构想性以及沉浸性。在仿真的环境中，用户可以借助交互设备，与虚拟的对象进行交互，比如，在仿真的实验室里开展微生物等教学实验。而在这一切互动的过程中，所有的仿真对象都是在个人的認知与感觉的基础上构建起来的，构造的现象是现实中无法想象的，比如牛顿第一定律的理想环境是在真空状态下研究物体的运动状态的，这在平常实验教学中是无法完成的，基于VR虚拟现实技术的构想性，在模拟的真空环境下就可以研究物体的运动变化；在这一系列的交互过程中，能够让用户无法辨别构造的世界是否是虚拟的，让用户“沉浸”在构想的世界中，一切交互都让用户感觉是真实的。

三、VR虚拟现实技术在教学实验中的应用

（一）VR虚拟现实技术为教学实验提供多种感知的类型

在VR虚拟现实的环境中，人们可以通过视觉、触觉、听觉等所有感官感受来感知虚拟环境的变化。在理想的状态下，虚拟环境能够提供人们在现实环境中所能感知的信息。诸如在物理教学实验方面，虚拟环境侧重的是机械运动以及触觉等方面的感知，而在生命科学以及化学中，则相对侧重的是味觉、嗅觉以及视觉等方面的感知，比如在虚拟的生物环境中，可以不通过显微镜，就可以身临其境地将自己置身于微生物的世界中，观察不同的微生物的形态特点、代谢方式等。

（二）VR虚拟现实技术增强教学实验现场感知能力

VR虚拟现实技术在教学实验中的应用之一，即是该技术具备现场感知能力。通过VR虚拟现实技术构建一个仿真的环境，用户所体验到的环境真实感极高。基于这种现场感知的属性，用户能够在这种环境中，真实地感受到与现实情况一样的变化。比如，在仿真的真空太空中，用户置身于其中，身体会因没有地球引力而漂浮起来，用户之间的讲话也需要通过介质来传递，这些所有的现场感知均与现实太空中的一模一样。

（三）VR虚拟现实技术实现学生与试验场景的交互

在虚拟技术的环境中，学生可以通过交互设备与试验对象进行交互，在交互的过程中，用户能够感受到操作的真实性，进而实现研究者与课题实验的深度互动，并得出实验结果。比如，用户在虚拟环境中观察微生物，能够像现实显微镜环境那样感受到微生物的繁殖过程。由此可见，在仿真的环境中，用户可以通过交互设备，完成传统教学中不便开展的教学实验。同样的，在交互的过程中，我们会对教学实验的过程以及相应的理论知识掌握的更加透彻，比如，我们平常在书本上看到的微生物照片就没有置身于VR虚拟的微生物世界中“亲眼”看到的微生物印象深刻。

（四）VR虚拟现实技术实现了教学实验中自然物理形态

自然物理形态，就是物体在真实环境中所表现出的形态自然变化，比如物体受力会改变运动状态等。在仿真的环境中开展教学实验，我们可以通过传感设备对虚拟环境中的实验对象进行操作，当操作者发出相应的指令，这些指令通过传感器传递给实验对象，VR虚拟系统在接收到传感器信息后，会提供出相应的反馈动作，能够给观察者呈现三维立体的感知变化，由此能使观察者更为全面的感知和理解实验过程。

四、结语

综上所述，VR虚拟现实技术基于其自身能够提供多种感知类型、临场感知、实现交互以及自然物理形态等，而广泛地应用于实验教学中，避免了传统实验教学的费用高、空间与时间限制等方面的不足。笔者相信，随着VR虚拟现实技术不断地突破技术瓶颈，必然更加有效地推动教学实验质量的提升。

参考文献：

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（作者单位：山东省潍坊实验中学）