基于VR技术的初中数学课堂教学思考

    摘? 要 以初中数学课堂教学为例，就VR技术的具体应用展开探讨，希望能进一步发挥VR技术的作用，增强课堂教学实效。

    关键词 VR技术;沉浸式教学;初中数学;投影与视图;几何;三视图

    中图分类号：G633.6? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）05-0026-03

    1 前言

    初中数学知识点多面广，也有一些比较抽象的内容，不少学生学起来感到吃力。如何进一步优化教学方法，提升教学效能，是广大教师普遍关心的问题。基于VR技术的沉浸式教学可以通过调动学生的视、听、触等感知能力，使学生在身临其境的环境中获得虚拟体验，进而改善学习效果。

    2 VR技术概述

    VR技术的内涵? 虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种能够创建虚拟世界的计算机仿真系统，可构建多元信息融合的三维仿真环境，用户可借助特制的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互，从而产生身临其境的体验。

    VR技术在初中数学教学中的应用优势

    1）优化课堂教学。在初中数学教学中使用VR技术，可以将枯燥的理论建构成虚拟的三维场景，营造轻松、愉快的课堂氛围，学生可以在虚拟的场景中亲自体验数学的奥秘，充分激发主观能动性，学习起来更轻松，记忆更深刻，从而有效提升课堂教学效率。

    VR技术对于帮助学生理解立体几何问题效果尤为显著。如有一圆柱体，在其底面的A点有一只蚂蚁，在另一个底面上与A点位置相对应的B点有一块糖，蚂蚁想要尽快吃到糖，它应该怎样走才能保证所走的路径最短？对初中生来说，解决该问题需要一定的空间想象能力，但将问题编辑成VR脚本之后，就能将抽象的数学问题转化为可知可感的三维场景，有效降低学生的理解难度。

    该数学问题涉及的主要元素包括蚂蚁、圆柱体以及A、B两个点。由于该问题和速度有关，在编辑脚本时可以添加一块计时用的秒表。圆柱体的高度与底面直径、蚂蚁的爬行速度等参数均可通过程序来设定。确定以上元素后，即可建模生成场景，并制作成VR教学系统。在教学过程中，可让学生在VR生成的虚拟环境中观察蚂蚁爬行的过程：先让一个蚂蚁从A点爬到B点，记录爬行痕迹，同时用秒表记录所用时间;再让多只蚂蚁以相同速度从A点爬向B点，但是每只蚂蚁的爬行路径不同，分别记录每只蚂蚁所用的时间。最后，在VR中将圆柱体展开，学生就能直观地观察到不同蚂蚁的爬行路径，很容易就能得出最短的路线。

    2）激发学生兴趣。在传统的初中数学课堂教学中，教师的教学活动以讲授为主，“一块黑板、一支粉笔”就是最主要的教学工具，虽然偶尔也使用多媒体设备，但学生理解知识点时依旧存在一定难度，课堂气氛也比较沉闷，教学效果不够理想。在初中数学课堂教学中使用VR技术，能以动态的方式呈现教学内容，进而有效激发学生的学习兴趣。如教师可利用VR技术创设场景，通过画面、声音、三维图像来呈现问题，这样更有利于学生理解。这样的教学模式也更容易让学生爱上数学课，活跃课堂氛围。

    3）具化抽象知识。初中数学中含有一定的平面几何知识点，这对学生的空间想象能力提出一定的要求，不少学生觉得平面几何知识晦涩难懂、枯燥乏味。在以往，教师利用板书演示几何内容，难以让学生对抽象图形产生直观理解。而运用VR技術可以构建虚拟的几何图形，降低知识理解难度，让学生对几何知识点产生更细致的了解。

    如在教学正方体的11种平面展开图时，要想同时搞清楚11种图形的展开方式是有一定难度的。而在虚拟VR环境中进行演示，让学生从不同角度观察这些图形的展开方式，然后亲自动手操作一下，尝试以不同方式展开或还原一个正方体，他们就能轻松地掌握正方体的11种平面展开图，加深对知识的理解。

    再如，圆锥的侧面展开图是扇形，且该扇形的弧长是圆锥底面圆的周长。通过VR教学的方式给学生进行演示，能够使抽象知识具象化，大大降低学生的理解难度。

    3 基于VR技术的初中数学课堂教学策略：以“投影与视图”为例

    教学理解? “投影与视图”这节课的教学旨在让学生了解简单几何物体的三视图，学会从三个方向观察几何物体，培养学生的空间观念和几何思维，同时培养学生对事物进行客观、准确评价的能力。在具体教学过程中，教师应重点引导学生“判断简单物体的视图”，尝试画一画简单物体的主视图、左视图及俯视图。由于现实生活中学生对物体的认知都是从立体图形开始的，因此在教学中可先从立体到平面，再从平面到立体。更重要的是让学生亲自动手操作并开动脑筋想象，寻找物体的三个视图之间的关系，能够根据三个视图初步判断物体的形状，然后做进一步的分析。

    教学困惑? 三视图的教学看似简单，实则不然，在实际教学过程中无论是学生还是教师，都会遇到一些困惑。

    1）教材中给出的很多物体都是采用的“斜二测画法”，虽然给学生的感觉较为立体和真实，学生也能清楚地看到整个几何体的左视图，但当亲自去画物体的三视图时，一旦涉及由多个正方体组合而成的较复杂几何体，往往会画错被遮挡的部位。实际上，据笔者了解，不仅初中生容易犯这方面的错误，很多高中生也存在同样的问题。究其原因，有些物体的摆放位置本身就不“正”，观察此类物体时，并不总是从斜二测的角度去观察，也有可能是其他的角度。再者，“看得见的线用实线，看不见的线用虚线”也是一个较难理解的知识点，比如圆锥的俯视图是圆加上中心一点，大圆柱掏出一个小圆柱的三视图中左视图和主视图都是长方形加虚线。

    这些内容仅凭学生在脑海中进行想象无疑是非常困难的，倘若在教学中能设法让这些几何体在学生眼前随心所欲地转动，并按照学生的想法去呈现特定角度，就能有效避免上述问题，进而达到事半功倍的效果。

    2）部分学生对于三视图刻画立体图形的原理不够了解。三视图之间的关系可以简单概括为：主俯长对正，主左高平齐，俯左宽相等。在画三视图时，通常将俯视图画在主视图下方，左视图画在主视图右方。对于这样的教学要求，学生往往知其然而不知其所以然。在教学中，如果能够给学生提供一个动态的观察过程，直观地感受三视图的形成，上述教学难题也就迎刃而解了。

    VR技术的应用? 针对上述几点教学困惑，笔者尝试运用VR技术进行教学，取得了较好的教学效果，具体操作过程如下。

    1）多角度观察几何体。上课伊始，教师首先创设教学情境，让学生用VR游览过山车，身临其境地感受VR带来的视觉冲击，并逐渐适应VR设备。其次，教师让学生在虚拟导游的引领下游览白金汉宫，在游览过程中向他们提问：“同学们，你们通过VR看到了哪些东西？有没有你熟悉的立体图形？”在提问中引导学生观察周围的几何物体，并与学生展开互动。

    2）掌握三视图的原理。通过上一环的互动，学生对VR教学产生浓厚兴趣，并将注意力集中到观察几何物体上来。此时，教师在VR场景中展示正方体、长方体、球、圆柱体等简单几何体，学生可通过VR手套操作这些几何体，如移动、翻转等，从各个角度观察这些几何体的平面轮廓，并说出这些几何体对应的平面图形。教师提问：“同学们，请从不同角度观察长方体的轮廓，然后说一说它与棱长之间存在怎样的数量关系？”

    在学生充分观察的基础上，教师适时地对三视图的概念作出总结：“对于同一几何物体，我们从不同角度观察可以得到不同的平面图形。通常情况下，我们把从正面看到的图形叫作主视图，把从上方看到的图形叫作俯视图，把从左方看到的图形叫作左视图。”与此同时，引导学生用VR观察三种视图相互转化的过程。由于VR所展示的转化过程是连续的，学生在观察之后很容易就掌握了三种视图之间的关系。在这个过程中，学生的困惑也得以消除，之所以“将俯视图放在主视图的下方，将左视图放在主视图的右方”，是为了更好地展现平面图形的边长与几何体的棱长之间的对应关系。

    在学生初步掌握三视图的基础上，再为学生展示三棱锥、四棱锥等简单几何体。学生可用VR手套拨动这些几何体，认真观察它们的三个视图，然后亲自动手画一画。

    3）从直观返回抽象。通过上一环节的学习，学生对几何体的三种视图已经有了较为直观的认识，接下来应让学生从虚拟返回现实，在直观认识的基础上建立起对几何体的抽象认识。

    首先，在VR中用几个简单几何体搭建出一个较复杂的组合几何体，让学生从不同角度翻看该几何体，并在本子上画出该几何体的三种视图。

    其次，学生认真观察三种视图，在头脑中还原该几何体的立体原貌，并重新在VR世界中将其搭建出来。

    最后，增加学生的操作难度，随意选取现实世界中的一个规则几何体，画出该几何体的三视图，让学生根据三视图在VR中搭建出对应的几何体。

    4 应用VR技术辅助初中数学课堂教学的体会

    树立科学的理念? 对于教师来说，一切教学活动都要围绕学生这一主体来进行设计，教学的方式必须与学生的学习规律相契合。教育可以有多种不同的方式，只要是符合学生认知规律，并且有利于激发學生潜能与兴趣的教学方法就是好的方法。教师应当打开自己的教育视野，敏锐地捕捉和发现身边可用的教育资源，将其运用到教育工作之中。VR技术作为一门新兴技术，已经在各行各业表现出巨大的发展前景，在教育领域的应用也已经开始崭露头角。VR技术对于学生理解数学知识尤其是立体几何相关知识点具有很大的帮助，教师应正视VR技术在数学教学中的应用价值，在有条件的情况下要积极加强对VR技术的研究和应用，不断实现教学方式的创新与突破。

    系统化的教学思维? 真正的教师是不会仅仅满足于把课本上的知识传授给学生的，而是根据学生的认知能力和知识水平系统地安排教学内容，为丰富和完善学生的数学知识体系提供有力支持。以三视图的教学为例，该部分知识点只是立体几何知识的一部分，而从小学到初中再到高中的立体几何知识是呈螺旋上升结构的，学生在步入高中阶段后还会进一步学习立体图形的表面积、截面等相关知识。因此，教师在利用VR技术进行教学时，应注意前后知识点的相互呼应，既要与前面学过的知识点相互衔接，又要为后面的学习做好铺垫，从而体现数学知识的系统性、条理性。

    5 结语

    综上所述，本文以“投影与视图”这节课的教学为例，从教学理解、教学困惑、VR技术的应用三个方面详细论述了基于VR技术的初中数学课堂教学策略，多角度入手，旨在提升VR技术在初中数学教学中的应用水平，促进初中数学教学质量的提高。

    参考文献

    [1]陈惠.融合现代信息技术的数学智慧课堂探索：以《公顷和平方千米》教学为例[J].福建基础教育研究，2017（12）：

    94-96.

    [2]李琼仙.小学数学课程与信息技术的融合教学[J].科学咨询，2017（31）：123.

    [3]孙道静.运用多媒体教学 创设数学问题情境[J].课程教材教学研究：中教研究，2016（1）：85.

    [4]本刊编辑部.张宏伟：构建全景式数学生活[J].当代教育家，2016（5）：16-25.

    [5]李丽萍.高等数学慕课教学中引入VR的必要性[J].新校园，2017（8）：129-130.

    作者：刘涛，淄博市临淄区教学研究室，中学一级教师，研究方向为教育管理、深度学习、教师队伍成长、教育信息化、课业负担、校本课程（255400）。