从《月球上的足迹》的课件制作与应用看利用VR技术创新课堂教学

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摘 要:本文介绍了虚拟现实技术及其三大特征,并从实际的课件制作和应用的情况分析了虚拟现实技术在创新课堂教学方面的优势。

关键词:VR技术;课堂教学;课件制作与应用

中图分类号:TP37文献标识码:B 文章编号:1673-8454(2009)22-0047-05

1989年,美国VPL Research公司的创始人JaronLanier创造了“virtual reality”这个词,它的引申义是“计算机产生的三维交互环境,在使用时用户是投入到这个环境中去的”,至此虚拟现实技术应运而生(以下简称VR技术)。它的实质是智能化的人机界面交互技术。

一、VR技术的概念及特征

它是利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术,生成三维逼真的虚拟环境。使用者戴上特殊的VR技术头盔、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,感知和操作虚拟世界中的各种对象,并进行实时交互,从而获得身临其境的感受和体会。VR技术的产生为人机交互的发展开创了新的领域,为智能化的应用提供了新的平台。

VR技术的特征:

(1)沉浸性(Immersion)——又称浸入性,指用户感到作为存在于模拟环境中一员的真实程度。最理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假,用户可以戴上头盔显示器和数据手套等交互设备全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中,虚拟环境中的一切看上去都是真的,听上去是真的,动起来是真的,甚至闻起来都是真的,如同在现实世界中的感觉。

(2)交互性(Interactivity)——指用户对模拟环境内物体的可操作和从环境中得到反馈的程度(包括实时性)。

(3)构想性(Imagination)——VR技术具有广阔的可想象空间,可拓宽人类认知范围,可以使人类突破时间与空间的界限,去经历和体验世界上早已发生或尚未发生的事件,可以使人类进入宏观或微观世界进行研究和探索,也可以使人随意地构想客观不存在的或是不可能发生的事物。

二、VR技术应用于教学的理论基础

1.多元智能理论

多元智能理论由美国心理学家加德纳首先提出。现在已经成为许多国家进行教育改革的重要指导思想。在加德纳的多元智能理论中,人被认为具有八种基本的智能,即语言智能、音乐智能、数学逻辑智能、空间智能、身体-运动智能、内省智能、人际关系智能和自然观察智能。每一位学生都有自己比较擅长的领域,有的观察力很强,却不善于表达,有的推理能力很强,却不善于与人交往。然而多元智能理论指出,多元智能不是以整合的方式存在,而是相对独立的,各自有着不同的发展规律。如以上类型的学生,通过利用虚拟现实提供的多维技术充分发挥他们的观察优势,提供相应的学习内容和方法,从而避免他们因为不擅长的技能而不能获得相应的知识。

2.建构主义学习理论

建构主义认为,学习活动不是由教师向学生传递知识,而是学生根据外在环境,通过自己的背景知识建构知识的过程。在这个过程中,学生不是被动的信息吸收者和刺激接受者,他要对外部情境的信息进行选择和加工。因此,建构主义强调情境的作用,将情境看作是意义建构中的基础环节。情境必须有利于学生对所学内容的意义建构。这就对教学设计者提出了更高的要求,也就是说,在建构主义学习环境下,对学生的教学不仅要考虑教学内容,还要考虑有利于学生意义建构的情境创设问题,并把情境创设看作是教学设计的最重要内容之一。虚拟现实技术因其独有的创设真实情境的优势,在给学生带来安全感的同时,使他们自然投入到学习的环境中来,从而促进他们学习。

3.人本主义学习理论

人本主义心理学更多关注的是人的情感、知觉、信念等内部因素。认为学习是学生个人主动发起的,不是被动地等待刺激。个人对学习的整体投入,涉及情感、行为等方面。所以,人本主义学习理论代表人物罗杰斯认为,教学中要使学生整个人沉浸于学习之中,也就是说,在学习中要充分发挥学生学习的自主性,只有把学生的积极性充分调动起来,学生才能全身心地投入到学习中去。学生对学习兴趣浓,目标明确,是十分重要的情感因素。VR技术在创设真实情境的同时,利用视、触觉等多种感官因素来调动学生学习的积极性,不仅能使他们完全沉浸在学习情境中,而且通过互动实现真实性的交互,调动他们的全身心参与,从而促进知识的习得。

三、VR技术在教育中的应用现状

1.VR技术在美国教育中的应用现状

美国是VR技术的发祥地,大多数研究机构都在美国,而且美国也是最早将VR技术运用于教育的国家。1992年,在美国的东卡罗琳那大学成立了虚拟现实技术与教育实验室。该实验室目的是确认虚拟现实技术在教育方面的适合应用,评价虚拟现实的硬件和软件,考察虚拟现实技术对教育的影响以及其在真实世界中的应用,把虚拟现实与其他教育媒体的效果进行比较。据报道,美国华盛顿大学和美国西屋科学基金会自1994年11月共同发起了一项流动教学计划,使一批装有电脑三维虚拟设备的流动教学车奔驰在华盛顿州,为中小学生提供三维动画虚拟现实教学服务。发起者希望通过虚拟现实新技术,给中小学生们提供更直观、更形象的教学,提高他们的领悟和参与能力。

2.VR技术在国内教育中的应用现状

国内各高校在VR许多领域都进行了相关的课题研究,主要集中在虚拟仿真校园和虚拟教学这两方面,如天津大学于1996年在SGI硬件平台上,基于VRML国际标准开发了虚拟校园;西南交通大学致力于工程漫游方面的虚拟现实应用研究,开发出一系列具有国际水平的计算机仿真和虚拟现实应用产品,在城市规划仿真、驾驶员培训仿真及其他交互式仿真方面取得了突出成果。此外2003年3月,中国科学院计算所开发的“中国手语合成系统”,是国内第一例利用人工智能、计算机图形学等技术,实现用三维虚拟角色任意演示用户指定的中国手语系统,为聋哑教育的发展开辟了新领域。

四、基于VR技术的《月球上的足迹》课件制作

1.课件设计的理念

《月球上的足迹》这篇课文的教学目标除了想让学生理清文章思路,了解人类登月的知识,更主要的是激发学生探索科学的兴趣,培养学生自主探究的学习能力。因此这篇文章的课外拓展阅读主要是为了拓展学生课外知识,激发学生的学习兴趣,培养学生的探索能力,所以本课件的制作也是秉承这一思想。

(1)让VR技术的友好交互性特点与学生学习兴趣完美结合

VR技术具有交互性好的特点,学生可在学习过程中选择自己感兴趣的内容进行学习,充分调动了学生学习的积极性,迎合了不同层次学生学习的需要。

(2)让VR技术的沉浸性特点与学生的深入探索相结合

学生在使用VR课件学习时感觉就像身临真实场景之中,在这个时候教师应该根据教学内容,在课件中适时地、恰当地设置一些富有启发性的问题,充分调动学生的学习积极性,启发其积极思考,并及时强化。启发性问题的设置,可诱发其创造性思维,培养、锻炼其思维的灵活性、发散性、求异性和独创性,促使学生进行更深入的探究。

2.制作工具简介

使用3DMAX软件可以建立虚拟电子实验室各个独立物件的三维模型。3DMAX是美国Autodesk公司推出的功能强大的三维设计软件包,它集三维建模、材质制作、灯光设定等于一身,提供了三维动画及静态效果图完整的解决方案,是一种快捷直观的建模方法。对于一个在3DMAX中创建出来的三维场景,不但可以将它直接导入VRP,而且可以进行各种交互的制作。

VRP经过中视典公司5年时间的研发,目前已经发展成为一个以VRP引擎为核心、衍生出5个相关三维产品的软件平台。VRP-BUILDER 虚拟现实编辑器是其中的一个组成部分,主要用于三维场景的模型导入、后期编辑、交互制作、特效制作、界面设计、打包发布的工作。目前中视典公司只在网上发布了一个共享版本,这个版本是对用户免费开放的,使用者可以随意下载,但是功能却受到很大的限制,其他任何版本的软件都是需要购买的。所以本课件的制作主要用3DMAX建模,用VRP共享版的软件来进行交互制作,功能上还有待进一步完善。

3.课件的设计结构及过程

课件的设计结构(如图1所示)主要分为两个部分:场景建模和交互制作。建模包括模型构建、材质贴图、灯光设置、摄影机设置,以及把多个模型整合到一个场景中。交互部分有对场景的细微编辑、动作编辑和后期整合。

五、课件在课堂教学中的应用

1.课堂效果实录

为评价本课件在课堂教学中的真实效果,这里采用弗兰德斯互动分类表(FICA)对课堂教学15分钟予以记录。

弗兰德斯互动分类如表1。

利用表1对甲、乙两个班课堂教学的记录如表2、表3(以秒为单位)。

分析:在表1、表2中,两个班教学中教师主导的教学方式仍占相对优势。乙班课堂主要使用教师主导取向的教学方式(第⑤、⑥、⑦类,占66.9%),学生自主取向的教学方式用得极少(第①、②、③类,仅占10.1%),而甲班课堂虽然教师占有重要地位(占46.2%),但学生的主导性还是很强(占36.4%),并正逐渐向以学生为主导的教学方式转移。甲班的课堂留有很多时间给学生思考(④类,占6.2%),同时也把很多时间留给学生自主发言(⑨类,占13.8%),乙班则未留时间与机会让学生发表自己的意见和看法。

课堂教学过程中学生行为观察记录如表4。

从图2中的曲线上看,采用这些课件在甲班进行教学时,学生的注意率在整节课的45分钟中都比较高(最低为75%),这说明这种教学方法能保持学生的注意力。从曲线的形状可以看出,在这一节课的前半部分,学生的注意率一直很平稳,但在30~35分钟的时间段,出现了最低点,接着又迅速回升至最高点。这是为什么呢?原来前半节课学生的积极性很高,但由于人的注意力保持是有限的,经过前半节课后,学生稍感疲惫。此时,教师让学生自己动手操作了这个课件,一下调动起所有学生的积极性,因而注意率迅速升高。而乙班由于没有采用此课件进行教学,仅仅是一般的讲授课堂,所以学生的注意率得不到很好的提高。

2.应用效果分析

(1)以主动式情境认同创新课堂教学

这里所说的认同感主要是指自我认同感,即个体对自我现况、生理特征、社会期待、以往经验、现实情境、未来希望等各层面的觉知,统合而成为一个完整、和谐的结构。而情境认同就是自我认同中个体对自身所处环境的知觉统合。

沉浸感是VR技术最明显的特征之一。基于VR技术构建的虚拟环境可以使用户达到难以分辨真假的程度(例如可视场景可以随着视点的变化而变化)甚至超越真实(如实现比现实更逼真的照明和音响效果等)。本课件力求构建逼真的虚拟月球场景,学生在使用时完全沉浸在虚拟的月球基地中,亲身体验身处月球的感觉。学生通过控制鼠标或者键盘上的方向键就可以任意地在虚拟的月球基地中漫游,当靠近一座建筑时还会自动弹出相关的介绍文字资料,为学生展示该建筑的相关信息,有很强的吸引力。

(2)基于三维图形创新课堂教学的观察角度

图形在教学中表现出了独特的优势,不管是用于演示还是讲解,使用图片或者图形都会让课堂气氛变得生动活跃。图形能够引导学生从中读出更多的信息,获取更多的知识;能培养他们应用不同的方式,从不同的侧面去解释图形中的内容的能力,并寻找图中信息与相应知识的最佳结合点;而且能够训练他们用自己的双手、按自己的理解去绘制需要的图形,从中体验、掌握信息迁移的方法和技能。然而传统的二维图形仅仅能提供给学生一个外形特征,要从多个侧面去了解、观察这个实物的话,需要花费很大的精力,尤其是对识图能力较差的学生来说,则是一个非常困难的事情。对于VR技术而言,这些都将不再是问题。学生不仅可以看,而且可以亲自动手对虚拟实物进行翻转和近距离地观看,对实物的某些特性和功能就能够得到很好的掌握、理解和操作。学生在使用课件的过程中,会遇到自己感兴趣的事物,就像建筑物可以和现实生活中一样。

(3)激发学生主动学习的兴趣,创新课堂教学被动的接受方式

对于学生来说,他们对新生事物敏感好奇、求知欲强。凡是奇特的、变化着的、矛盾着的、能给予他们强烈刺激的事物,都能引起他们的求知欲、好奇心,也较容易引起他们的兴趣,而VR技术本身的虚拟性可以将一些平时现实生活中很难看到的现象、很难接触到的事物呈现出来,以此来满足学生的好奇心,激发他们学习的兴趣。VR技术为学生建构了比较真实的三维场景,以VR技术为载体的教学,学生的学习兴趣被强烈地激发出来,教师和学生通过基于虚拟场景的教学课件联系在一起,互相学习和评估,教师的现场作用不再如以往那样显著,打破了以往教学教师必须出现在课堂中的现象。也可以说,传统意义上教师的部分任务由学生来承担,学生真正成为教学对象的主体。

(4)集实验教学于一体,创新课堂教学单一的教学模式

应用基于虚拟场景的实验教学课件进行教学,相对于原来的传统教学形式它更能为学生提供学习和实验的机会,以灵活、方便的形式为学生所接受,学生不拘泥于课堂的单一教学模式,能够自己主动选择教学的时间、地点和进度。

本课件设计了一个在月球上模拟地球自然状况的小型实验室,学生通过设置一些影响动、植物的相关因素来保证实验室的正常运作,如温度、湿度、氧气、压强、PH值等等,按照课本所学的知识,科学地调节相关参数才可以达到理想的实验效果。具体表现:①形成假设:学生在进入课件进行学习时,在教师的引导下会产生疑问,提出一些假设。②设计实验:根据教师的进一步引导,学生可以设计一些实验来解决相应的问题。③分析实验结果:通过学生自己设计的诸多实验最终将问题解决,得到一些相关的数据后,在教师的指导下分析数据。

(5)创设安全的心理环境,以多种感官输入创新课堂教学的探究性

实践证明:要让学生有探究的欲望,首先就要有安全的心理环境。而创设情境、为学生提供安全的心理环境正是VR技术的优势。学生在虚拟的情境中学习,一切以自己的需要、兴趣出发,在与教师平等交往中展示自己的能力,进行独立的练习和思考,提出问题、解决问题,在宽松、自由、平等、和谐的氛围中进行学习。此外,丰富的信息输入可以为学生探究学习铺平道路。为此,本课件除了具有文字的展示以外还配有语音教程,强大的交互功能满足学生的个性需求,在生动活泼、主动参与的学习过程中培养学生的探究能力,使学生真正成为学习的主动者,充分发挥学生的想象力。同时,全新的教学系统能满足不同学生的好奇心,学生在学习中会发现和遇到一些新的困难和挑战,这反而能更好地刺激学生进行有效探索的学习,从而最大限度地开发了学生的学习潜力。

六、结束语

VR技术是一项发展潜力很强的高新技术,它具有虚拟的高逼真性、交互的人性化、构想的拓展性,它的出现必然会在工作、学习、生活、国防等广泛的领域内发挥极其重要的作用。在现代的教学中,对于提高学生的注意力、拓展学生的学习潜力、培养学生的自主学习能力、丰富学生的想象能力等各方面都能起到很好的促进作用。尽管VR系统的硬件设备还比较昂贵,VR技术尚未能普及,但是,随着VR技术的不断发展和完善,设备成本价格的不断降低以及网络的普及,我们相信它必将会丰富我们的生活,促进我们的学习。

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