基于VR技术学前儿童生理认知模块的应用探析
程剑 徐剑
摘要：对学前儿童的生理认知属于形态学实验，对实验室条件要求较高，学前教育实验室难以满足教学需求。文章利用VR技术构建一个与现实全真化模拟的虚拟平台进行研究，所有能在现实实验室中进行的实验步骤都可以转移至虚拟实验室中进行，全方位、立体化展示学前儿童的生理结构，并对其各部分组成进行互动展示，学生可以自主操作，通过该虚拟平台形象、直观地学习学前儿童生理结构特点的知识，以此来帮助学生获得全面的认知能力。
关键词：VR技术；学前儿童；生理结构
随着科技的不断进步，信息技术的发展日新月异，对人们的生活方式产生了深远的影响，同时也改变了人们的思维、学习方式等。因此，教育也走向了一个信息化时代，从传统教学模式到网络化教学模式，从虚拟世界到模拟现实的转变。正是由于虚拟现实技术的发展，让教育的变革又迎来了新的发展机遇。
一、VR技术概述
VR技术，即虚拟现实技术，是多媒体技术的最新应用形式，是一种依赖于计算机软硬件技术，包括多媒体处理技术、图形处理技术、人工智能技术、传感技术及仿真技术等多领域的计算机技术。它主要通过计算机三维实时图形显示、跟踪定位的方式模拟虚拟环境，通过传感技术等实现触觉和嗅觉，从而仿真出一个具有三维虚拟环境，同时拥有触觉、听觉、嗅觉的模拟世界。这个模拟世界可以通过计算机技术实现信息的传递与交互。
VR技术能够模拟出逼真的虚拟环境，同时通过技术实现交互性，从而给人带来一定的沉浸感和相关的感知。我们称这样的特征为“三个I”，即Immersion（沉浸性）、Ineraction（交互性）、Imagination（构想性）。
1.沉浸性
在虚拟环境下，人们有很好的参与感，感觉自己就参与在虚拟环境中，有种身临其境的感受，从而可以有更好的用户体验。相对于被动状态，VR技术的应用可以提升参与者的积极性和主动性，从而真正融入虚拟现实中，给人以最真实的感受。
2.交互性
交互性是VR技术带来的乐趣，可以实现虚拟环境下的人机交互，并且这种交互可以带来实时的反馈。改变以往键盘、鼠标的操作，通过传感器等技术手段实现多元化的交互与体验，实现身临其境的真实感受。
3.构想性
VR技术最大的特征就是通过计算机的相关技术使人感受到虚拟环境下的感知，进而将人带入更加逼真的情境。这也是VR技术希望实现的一种给人的认知。
二、VR技术在教育领域中的应用
VR技术的应用非常广泛，可以应用于航天工业、医学虚拟实验室、虚拟的3D游戏、虚拟的艺术绘画等场景，这些应用对于行业的发展有着重要作用。在教育中，VR技术能够将多媒体技术再提升一个高度，通过將三维空间更加清晰地展现出来，从而使学习可以更加直接、自然地感受复杂和较难理解的领域。VR技术被广泛应用于学习情境的创设，从而让学习更具形象性和趣味性。VR技术又一次给教育带来了新发展，学生可以通过VR多维度的认知来学习和理解复杂的内容。将VR技术应用于仿真实验、虚拟教学及一些特殊的教育，具有明显的优势。因此，VR技术是继多媒体技术、网络技术之后，又一项具有重要意义的教育变革。
1.仿真实验
在一些特殊的实验中，可能存在一些难以解决的问题，如有危险性、特殊性，实验设备昂贵等，这时教师可以通过利用VR技术三维呈现虚拟现实，从而让学生可以完成实验，掌握知识。教师可以通过VR技术构建不同学科的虚拟实验室，虚拟实验室可以有效节省教学开支，让学生在虚拟实验室里高效地学习相关知识，从而收到良好的学习效果。
2.技能培训
虚拟现实技术在教学领域中的技能培训方面有着重要的促进作用，可以让学生在较短时间内获得快速的进步与提高。VR技术可以实现不同技能的培训环境，从而完成技能培训任务。由于VR技术的虚拟环境安全性极高，感受也身临其境般的逼真，给学生创造了良好的学习环境，让学生可以反复学习，以达到培训的要求和目标。
3.学习引导
在传统的教学中，可能会涉及一些复杂的、假设的模型，这对于抽象能力差的学生理解起来比较有难度。而VR技术的应用，可以将上述模型转变为虚拟现实，从而让学生能够更加清晰地、深刻地、形象地学习，掌握相关的模型体系，以完成学习目标。例如，常见的分子理论体系就可以通过VR技术来引导学生探究分子的奥秘，从而启发学生对知识点的理解。VR技术可以让演示更加清晰、直观，让学生获得真实的体验，从而帮助学生学习。
总之，VR技术对于教育改革有着重要的推动作用，让学生的学习更加直接，能够提升学生的学习效率和学习效果。
三、VR技术在学前儿童生理认知模块的应用研究
1. VR技术在学前儿童生理认知教学过程中的优势
VR技术在学生学习学前儿童生理结构的过程中起着非常重要的作用。学前儿童生理结构涉及很多的知识内容，如细胞结构、骨骼结构、肌肉分布及血液环境等，这些内容在传统的教学中，只能在课堂上借助教材插图和实验在显微镜下了解，或者通过视频来了解学习。在此层面上了解的图像，大多都是二维的，但是通过VR技术，能够将学前儿童的生理结构构建成三维的，对于学生的学习更加形象、生动。学生可以身临其境地看到鲜活的学前儿童的生理结构，感受神秘的身体结构，这种感官效果能更好地帮助学生理解抽象的知识点。
VR技术在学前儿童生理认知教学过程中的应用有以下三个优势。
（1）立体层次感强。
VR技术构建的学前儿童生理结构可以给学生带来更好的体验，三维效果的展示，让学生更加全面、清晰地了解结构体系，同时VR技术能够支持多层模型的构建，将学前儿童生理结构全方位、多层次的展现，让学生零距离的接触，不受空间限制的自行学习与体验，给学生留下更加深刻的印象，从而提高学习效率。
（2）逼真的画面效果。
虚拟现实通过真实画面的再现，能更加清晰地看到一些微观的事物，同时能清晰地实现学前儿童生理结构的工作原理，这在以往的教学中是难以实现的。VR技术实现的逼真画面比一般的视频更有真实感，有更加逼真的体验感，同时VR技术实现仿真的效果能够给学生带来更多的感受，从而更好地帮助学生了解知识结构，掌握学习内容。
（3）丰富的交互方式。
VR技術实现的虚拟现实，不仅在视觉感官上有了更加逼真的效果，VR技术构建的虚拟结构环境还可以设置更多的交互功能，如学前儿童生理结构的骨骼基础如何构建等情境再现，都增加了学生学习的趣味性。正是这些虚拟的构建及操作，可以在学习过程中增加游戏环节、情境环节，让学生的学习不再枯燥，而是有趣的学习，从而最大限度地调动学生学习的积极性。
2. VR技术在学前儿童生理认知模块的构建
VR技术能将现实实验室中进行的实验步骤转移至虚拟实验室中进行，全方位、立体化地展示学前儿童生理结构，并对其各部分组成进行互动展示，学生可以自主操作。通过该虚拟平台能够为学生的视觉感官系统提供景象增强的功能，从而使学生在虚拟交互学习中与自身的所见所闻相结合，能更加形象、直观地学习学前儿童生理结构特点的相关知识。
构建VR虚拟现实实验室的首要任务，就是构建虚拟实验室的3D模型。此过程分为DVS3D，Unity3D，VRP Builder等软件的学习；实验室参数及设备参数的收集；虚拟实验室3D模型的构建三步。第一步，需要学习VR模型开发语言和相关开发软件的使用，选择与购进VR硬件设备所配套的软件开发；第二步，确定开发的实验室类型，实地勘测获取相关参数；第三步，根据收集到的参数研究并构建出虚拟实验室的VR模型。
四、对VR课程教学的反思
VR技术给教育带来了又一次的变革。VR技术构建的虚拟现实可以更好地引导学生的学习，VR技术带来的逼真画面，包括视觉、听觉，甚至嗅觉，让学生可以真实感受到身体结构带来的震撼，从而激发学生的学习兴趣，提升学习效率。文章只是对于学前儿童生理结构虚拟环境构建的初步研究，还有很多需要改进之处，而VR技术全面应用于本课程的教学还是存在很多困难的。
1. VR资源不足
首先，VR技术在本课程的应用需要VR教学资源的支持，但是目前VR资源都非常有限，免费的更加稀缺。如果每节课都要通过VR技术虚拟现实完成，需要大量的VR课程的开发，但是VR课程的开发又依托于软硬件，这些都需要投入大量的资金，也需要大量的相关人才，对于VR技术在本课程教学的全面应用有很大的阻碍。其次，在终端方面，硬件设备仍然需要进一步改进，如VR眼镜，需要解决长时间佩戴不舒服的问题，这些局限性都有待解决。
2.教师关于VR技术专业化培训存在问题
VR技术的应用对于专业教师的综合素质有了更高的要求。一般教师都没有对VR技术进行培训过，因此VR技术在教学上的普及还需要一个很长的过渡时期。由于VR课程制作好以后比较难修改，这就要求教师能有更好的学习能力，而很多教师的信息化能力不足，也不能积极地去掌握一门新的技术。因此，VR技术在教学中的应用还需要教师的专业化学习。
3.教师教学设计上的转变
VR课程教学与传统教学有很大的不同，教师必须真正做到“以学生为主体，以实践为中心”的教学思路。例如，教学重、难点的把握对教师提出了更高的要求。在VR课程中，如何运用，如何引导学生去观察和发现问题，掌握新知识，从而在整体上掌握学习内容。教师需要时间去转变，实现VR技术在教学中的应用，以学生为主体，激发学生的学习兴趣。
基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目——基于VR技术学前儿童生理认知模块虚拟平台的构建（171237）。
参考文献：
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