基于VR的混合式移动学习

GXF360 2019-12-06

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一、VR与教育结合应用现状

目前在教育方面，国外的一些教育出版商已经进行了一些与VR技术相结合的尝试。随着虚拟现实与教育出版领域的密切结合，出现了丰富的、多元化的幼儿教育产品，由此掀起虚拟现实在教育界尤其是在改革传统教育教学方式方面的一股热潮。但在国内，虚拟现实在教育领域的应用研究少之又少，与教育的结合仅仅局限于医学、化学、体育等几个学科，并且仅在最近两年才开始兴起，发展还不够完善、不够成熟。

二、VR与教育教学关系解析

1.虚拟现实与教育结合优势分析

虚拟现实(Vritual Reality，VR)的核心是运用计算机技术，结合相关科学技术生成一个虚拟场景，逼真地还原现实世界的事物和环境。用户可以借助VR眼镜、摇杆等设备，在创设的虚拟环境自然地进行交互作用，使用户达到难辨真假的感受和体验[1]。将虚拟现实与教育教学相结合，可以实现教学中人与机器的交流，同时在某种程度上还能实现教学的游戏性，让教育真正做到寓教于乐，进而构建优良的学习情境，有效地激发学生的学习兴趣。虚拟现实系统具有“3I”特性，即沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和构想性(Imagination)[2]。首先，学生能够在虚拟现实创设的灵动情境中，根据教师提出的问题，积极思考并独立探究，由传统意义上的接受学习转向发现学习。其次，通过VR教育让学生学习更主动。学习过程中不仅有人与人之间的社会互动，还有人机互动，倡导自主合作学习的同时激发学生学习的能动性。最后，在虚拟现实充满构想性的情境中，激发学生探索未知事物的好奇心和兴趣，充分发挥学生的创造性思维。

综上所述，虚拟现实进入课堂教学，结合游戏化学习、情景化学习、在线教育等多种手段，能够优化课堂教学，进一步激发学生主动探究学习的兴趣。

2.VR所支持的新型教学模式

利用虚拟现实开发学习资源，学生能够进行基于项目的学习和基于问题情境的深度学习[3]。新媒体联盟《地平线报告》(2016基础教育版)中提出移动学习的概念，移动学习具有便携性和灵活性的特点，支持学习者随时随地无缝学习[4]。本研究中基于虚拟现实的混合式移动学习，是指通过虚拟现实项目的设计与开发，在支持的移动学习同时融合多种新兴教育教学模式，包含有网络学习、微课、数字化学习等，通过创设信息化虚拟环境将传统学习的优势与网络化学习的优势充分结合。

三、基于VR的项目设计与开发

基于虚拟现实的项目设计与开发，本研究以小学语文为例，开发了赵州桥虚拟现实项目，开发过程如图1所示，主要包括需求分析、数据搜集、学习设计、媒体开发、作品发布五个阶段[5]。

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图1 赵州桥虚拟现实项目开发过程

1.赵州桥虚拟现实项目的需求分析

《赵州桥》是小学语文三年级的一篇文章。在课程教学中，教师大多采用传统课堂的师生授受学习方式，学生只能通过课本上的图片或者网上搜集到的视频作为学习参考资料，教学方式单一，缺乏创新性。有部分教师希望采用新兴智慧课堂教学模式，增强自身教育教学能力，但相关技术不够精湛，给教学资源的设计与开发带来困难。另外，此阶段学生处于三年级，对于传统的语文学习模式与方法耳熟能详，因此，他们期待更直观、更有趣味性、更开放、更个性化的学习方式和新的尝试。

2.赵州桥虚拟现实项目的数据搜集

首先，通过全景网搜索到赵州桥的360°全景视图，对赵州桥的周围场景有了细致的了解后，绘制简单草图。之后通过网站搜索赵州桥各个方位的细节图片，以求后期建模达到对赵州桥周围风土人情完全还原的效果。

3.赵州桥虚拟现实项目的学习设计

在2008年，“智慧地球”理念被首次提出之后，又有学者相继提出“智慧校园”的概念和应用思路，因此以培养高智能和创造力人才为主要目标的智慧课堂教学模式应运而生。根据上述观点，基于VR的混合式移动学习融合智慧课堂教学理念，将面对面的传统课堂教学与运用多媒体计算机和网络学习的优势结合起来，将课堂教学分为课前、课中和课后三部分，并分别对这三部分进行学习设计。

光纤传感检测技术的基本原理，是利用部分物理量的敏感特性，通过将外界物理量转换为光信号的方式来实现对于道路桥梁工程的无损检测。在我国，光纤传感检测技术经过了三十余年的发展，在许多领域都有着广泛的应用，尤其是对于道路桥梁检测而言，能够对工程钢索索力、混凝土内部应力以及应变特性等进行检测。而且与传统传感器相比，光纤应变传感器的类型丰富，轻便灵活，也不会受到被测对象情况和外界环境因素等的影响，更能够适应一些相对恶劣的特殊环境，如高压、腐蚀等，具备较强的实用性。当然，因为光纤应变传感器的市场价格相比较一般传感器高出很多，导致光纤传感检测技术在道路桥梁检测方面并没有能够得到普及。

(1)翻转课堂式的课前学习材料设计。翻转课堂式的教学模式即学生在上课之前完成知识的学习，课堂成为学生知识内化吸收的场所[6]。在课前学习资料的选择上，研究发现处于小学阶段的学生对于视频更加感兴趣，动的画面能够让学生学习时不易走神，注意力更能集中。但也存在一些问题：一是大多数教师通过QQ/微信群将录制好的视频分享给学生，常会受到网速或格式的限制；二是对于学生的课前预习情况教师不能准确了解，究竟哪些学生学习了视频、哪些学生没有学习，教师不得而知。综上所述，学生在课前学习资源上更希望通过观看视频的形式，而教师更希望能够获得学生学习情况的反馈信息。因此，本研究在课前学习材料的设计上，将课前视频生成一种二维码图片，并加入趣味性登录界面设计和点赞系统。学生只需扫描二维码即可观看，并且在观看完成后，记录学生的观看情况与学习后的体验信息，有效地解决了视频传输的格式限制和学生信息搜集的反馈问题。教师通过后台记录的登录信息了解哪些学生参与了学习，通过显示的点赞数量了解学生的喜爱情况。通过这种方式，学习材料更有趣味性，学生在学习中更加主动，教师可及时地获取学生的课前反馈信息，增强教育的智慧性。

青铜峡市7个镇不同作物硒含量变幅在0.001～0.293 mg/kg，其中螺丝菜的硒平均含量最高，为0.103 mg/kg，白菜的最低，为 0.002 6 mg/kg。参照国家富硒稻谷、《宁夏富硒农产品地方标准》和安康市《富硒食品硒含量分类标准》中的作物硒含量，所检测的215件农产品中49.30%达到了富硒标准。

3.思想政治理论课实践教学实施“项目教学法”有利于提升教师能力，培养教师的综合素质。思想政治理论课的课堂教学主要采用案例教学法、讲授法等一系列常规教学方法，教师只要做好课前准备工作即可。而思想政治理论课的实践教学实施“项目教学法”的话，虽然是以学生为主体，教师只是起到辅助作用，但为了调动学生积极性，首先应具备良好的组织与协调能力，同时在项目实施过程中也应给学生提供一些切实可行的建议与方法，这就要求教师也应当有较强的实践能力与经验。同时为了增强实践教学效果，教师必然也会积极探索教学改革的方法，平时会主动加强业务学习，为了应对这一具有挑战性的教学模式其教学水平与能力也会有较大提升。

(2)课堂探究式的数字化学习资源设计。自主探究性学习强调学生在教师引导下充分发挥自己的主观能动性，调动自己的多种感觉器官，主动地获取知识，课堂的主角是学生。但目前课堂探究技能的培养方法比较单一，特别是针对小学生探究性学习的培养研究尤其缺乏。而数字化学习资源是指可以在多媒体或网络环境下运行的多媒体材料，它经过数字化处理，能够通过自主、合作、创造的方式激发学生寻找和处理信息。综合上述理念，课堂探究式的数字化学习资源设计，需开发基于电脑端的虚拟场景项目，其功能包含：一是赵州桥虚拟场景漫游，将赵州桥以及周围实景完全还原，支持学生沉浸性的探究式学习体验；二是赵州桥细节场景展示，课文中对赵州桥细节描写语句很多，通过此功能将课本上单一的二维图片以三维形式立体呈现，满足学生近距离探究赵州桥细节部分的需求；三是项目介绍功能，满足学生对具体操作功能和键盘使用方法了解的需要。

(3)课后扩展延伸的移动学习资源设计。根据艾宾浩斯遗忘曲线，人大脑对新生事物的遗忘规律要经历一个“先快后慢”的过程，因此在整个课堂教学的课后扩展延伸环节，设计一个更能激发学生主动回顾的趣味性学习资源显得尤为重要。移动学习具有移动性、可携带性、无线性的特点[7]，因此学生可以随时随地进行课后扩展延伸学习。综上所述，根据课后扩展延伸的移动学习资源设计，开发有赵州桥的虚拟现实场景App应用软件，学生只需简单安装，无需网络即可在任何时间、任何地点探索体验，配合VR眼镜的使用更能展现栩栩如生的3D视角。

4.赵州桥虚拟现实项目的媒体开发

赵州桥虚拟现实项目的媒体开发充分体现混合式移动学习理念，包含虚拟现实场景的开发、功能页面的设计开发和网络资源的开发三部分。

(1)虚拟现实场景的开发。利用前期对赵州桥搜集的图片资源在尽量做到对实景完全还原的基础上，贯彻美学设计理念，整个项目是一个由桥、台阶、水台、桥头碑文、长廊组成的环形结构。虚拟现实场景的开发是项目开发的核心，包含两部分：一是模型的开发。在Maya中对赵州桥及其周围景物进行三维建模，其中对景物的贴图特别是桥头碑文的贴图为Photoshop处理的图片，以达到逼真效果。建模完成后，以Unity 3D可以识别的FBX格式依次命名发布。二是场景的开发。主要在Unity 3D中完成，具体操作包含三步：一是地形搭建。运用Unity 3D自带的地形编辑器Terrain，根据虚拟环境的“占地面积”进行地形的搭建。二是场景的设计与搭建。导入在Maya中创建的三维模型进行场景的搭建，场景搭建完成后进行植被的设计并加入水流、天空盒以及风向效果。三是人物与音乐的设计。场景人物可通过键盘控制，多视角触发碰撞检测，更好地满足人机交互的模拟体验。音乐的设计上，选取符合赵州桥主题的纯音乐，带有按钮控制音乐开关。

(2)功能页面的设计开发。为将虚拟现实与课程教学高度整合，弥补传统教学的不足，本项目设计与开发更为人性化的功能界面。主界面显示四个按钮分别进入四个场景(如图2所示)：一是项目介绍。对本项目背景、功能以及操作介绍的说明，方便教师和学生对项目的快速了解和熟练操作。二是教学示例。基于赵州桥项目录制的虚拟场景漫游视频配有课文朗诵音频，音频是以课文原文为背景进行录制的，教师可在课前播放以顺利将学生引入学习情境(如图3所示)。三是赵州桥细节。以第一人称视角通过移动鼠标或者键盘展现赵州桥细节部分，这一部分只包含桥，满足学生个性化学习需求，学生可对赵州桥的结构、搭建特点进行细致观察，为培养未来的桥梁建造师打下基础(如图4所示)。四是探秘赵州桥。这是本项目的核心，通过键盘对人物操控以第三人称视角进行场景漫游(如图5所示)。

图2 人性化的功能界面

图3 教学示例视频页面+网络平台二维码

(3)网络教学资源的开发。网络教学资源的开发是为解决上述课前学习视频传输和学生反馈信息获取的问题，本项目利用专业Html5交互动画制作云平台，进行Flash动画设计与后台数据库搭建，使学生课前学习资源更具趣味性。首先是通过Flash动画设计进行界面开发，包含有四个界面：学生登录界面、赵州桥动画界面、视频播放界面和点赞界面；其次进行视频资源加载：将视频资源上传到平台，通过视频加载功能添加视频播放界面；最后进行数据库搭建与发布：在登录界面加入表单功能，并为其添加数据服务，给点赞页面加入控件，完成后给作品命名并点击发布，会自动生成二维码(如图3所示)。学生登录观看视频后，后台自动记录用户数据(如图6所示)。

在实现上，首先假设存在一个分布式的数据记录账本，这个账本只允许添加，不允许删除。账本底层的基本结构是一个线性的链表，这也是其名字“区块链”的来源。链表由一个个“区块”串联组成，后继区块记录前导区块的哈希值。新的数据要加入，必须放到一个新的区块中，而这个块（以及块里的交易）是否合法，可以通过计算哈希值的方式快速检验出来。任意维护节点都可以提议一个新的合法区块，然而必须经过一定的共识机制来对最终选择的区块达成一致。