基于虚拟现实技术的高中技术类课程教学模式探究
【中图分类号】G434 【文献标识码】B
【论文编号】1671-7384（2017）06-0056-03
教育部在2003年首次颁布了《普通高中技术课程标准（实验）》，技术教育正式被纳入普通高中教育范畴。通用技术课程作为一门全新的、高度综合的技术课程，定位于培养孩子善于观察、动手实践，并从生活中捕捉和发现实用型新技术应用于生产生活的学科。2016年9月，教育部提出了全面发展学生的核心素养。其中明确指出通用技术学科的核心素养为：技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力。要求学生通过该课程的学习，能够学会或掌握通用技术的基础知识和基本技能，掌握技术及其设计的一般思想方法；具有一定的技术探究、运用技术原理解决实际问题以及终身进行技术学习的能力；形成和保持对技术学习的兴趣和学习愿望，具有正确的技术观和较强的技术创新意识；养成积极、负责、安全地使用技术的行为习惯，发展初步的技术能力和一定的职业规划能力，为迎接未来社会挑战、提高生活质量、实现终身发展奠定基础。
随着科技的进步，教育教学的技术和手段也在不断发展和丰富。传统的教学方式和手段已经无法满足通用技术课程核心素养和课程目标的要求，因此，适时引入新的教育技术手段是十分必要的。本文将虚拟现实技术与通用技术课程内容相结合，以实际教学中对我国古代经典结构的赏析为例，讨论如何实现两者的深度融合，以解决传统教学方式的弊端。
虚拟现实的定义与功能
1. 虚拟现实的定义
虚拟现实的英文名称为Virtual reality（简称VR）。Virtual意味着用户感知到的世界并非真实的，而是由计算机技术虚拟生成的；reality一词的含义是现实，泛指存在于真实世界中的各种事物。两个单词合起来称为虚拟现实，也叫灵境技术。美国是最早进行虚拟现实理论和应用研究的国家。80年代中期，我国开始引进VR技术，并作为国家重点研究项目进行研究。北京航空航天大学计算机系是对VR技术进行研究的权威单位之一，在虚拟环境中物理特性的表示和处理、虚拟环境网络设计等多个领域取得良好发展。
目前，虚拟现实系统主要分为4种，即桌面式、增强式、沉浸式和网络分布式虚拟现实系?y。篇幅所限，本文主要介绍的是沉浸式虚拟现实系统，是将图形工作站和交互设备连接，通过声音、力与触觉等方式，利用2面投影墙，有效地屏蔽周围现实环境，使得学生完全沉浸在虚拟世界中。
2. 虚拟现实的功能
虚拟现实系统的功能非常丰富，本文中所涉及的功能主要包括展示介绍功能、部件拆装功能和轨迹动画功能。
（1）展示介绍
虚拟现实系统的主要功能就是为观察者提供身临其境的真实体验。系统中的古建筑与结构案例向学生展示了我国古代的经典结构设计的过程，介绍了榫卯和斗拱等结构的部件名称和使用方法。让学生有极为直观的感受。
（2）部件拆装
虚拟现实系统可以对案例中模型的不同零部件进行拆卸和组装。这一功能可以让学生了解和体验结构设计和搭建的方式，有针对性地观察经典结构不同组成部分的位置和比例，从而帮助学生从技术角度欣赏到结构的强度和稳定性。
（3）轨迹动画
轨迹动画是虚拟现实系统的独特之处，古代建筑案例中的建筑可以将建筑的整个建造流程以动画的形式展现在学生眼前。特别是椽和柱的搭建顺序、榫和卯的契合方式以及斗和拱的承重分配。
虚拟现实与通用技术课程设计
1. 课程目标
《经典结构的欣赏》是高中通用技术必修2第一单元结构与设计第四节的内容。学生经过之前的学习对于结构的定义、类型、方向与稳定性已经有了很好的理解，并实际动手设计过简单的结构。本节课的课程目标是学会观察结果的实用性和美，以及能够从技术和文化角度欣赏并评价典型结构设计的案例。要求学生能够从结构的功能、强度、稳定性、创新、成本和工艺等角度，对结构设计的优缺点进行评析。还应该具备从历史、民俗和审美等角度欣赏典型结构设计的能力。重点需要观察结构是如何在实现基本功能的同时兼顾其他功能，欣赏独特结构的材料运用，以及经典结构所传递的文化信息、时代特征和民族特征。
2. 课程设计
通常情况下，《经典结构的欣赏》传统教学方式包括展示经典结构的图片资料或视频资料，介绍经典结构的历史背景和建造过程，有些老师还会根据自身掌握的专业知识向学生拓展一些建筑的基础理论。让学生对于我国古代的经典建筑进行思考、讨论和评价。
借助虚拟现实技术，教师可通过现有的建筑结构案例带领学生进入虚拟建筑的内部，了解整个建筑的结构。也可以通过虚拟现实系统的部件拆装和轨迹动画功能模拟结构设计和搭建的整个过程，给学生带来身临其境的体验，从而激发学生的学习积极性与探究欲望。课程设计流程如图1所示。
首先，用虚拟现实系统中的“永城殿”案例来引入课程，带领学生体验经典结构的魅力。使用虚拟现实系统向学生展示保留最完整的古代殿堂，由外而内地介绍每一个部分，包括结构的构成与装饰花纹的寓意。让学生对于整个建筑的结构进行整体的欣赏。在欣赏的过程中，教师适时提出问题，要求学生记住该案例最吸引你的地方。
然后，学生就老师提出的问题进行分组讨论，记录并汇总答案。学生带着问题的欣赏是非常有针对性的，不仅可以激发学生的学习兴趣，同时还可以对自己印象深刻的内容进行描述和思考。教师对于分组讨论的结果进行归纳，并引导学生提出评价建筑的角度。
接下来，打开虚拟现实系统中的“结构建筑”案例，展示“大木作”“转角斗拱”“柱间斗拱”和“柱头斗拱”，如图2所示。在进行虚拟展示的过程中向学生介绍榫卯结构和不同类型斗拱结构的理论知识与历史背景，帮助学生切实体会斗拱的构成方法和受力方式、认识榫卯结构的使用功能和不同种类。使用部件拆装功能将整体结构进行分解，让学生直观地了解“什么是斗，哪个是拱”，充分体验“何为榫卯，怎样连接”。与此同时，可以使用轨道动画的功能向学生展示古代建筑结构的虚拟搭建过程，帮助学生了解结构搭建的顺序。体验完毕后，学生从技术和文化两个角度，针对之前归纳的经典建筑评价体系做出讨论和修改，并在教师的帮助下形成最终的评价标准。
最后，学生欣赏“故宫全景”案例，根据经典结构评价标准对故宫内的宫殿和凉亭等经典建筑结构进行评价。教师对学生的评价做出点评，同时总结本节课的知识点，强调经典结构评价标准的使用方法。
3. 技术手段
沉浸式虚拟现实系统最大的特点是可以为40名学生提供同步的教学讲解和展示，且由于使用洞穴式的屏幕布局，能够有效避免其他真实环境的干扰，现实感极其强烈。在展示的过程中，教??操作手柄和主视角眼镜介绍和展示案例中的知识点。在动手实践环节，学生可以轮流进行操作体验，观看结构组成部件、练习拆卸和装配、实现轨道动画的虚拟过程。虚拟现实技术作为本节课的技术支撑为学生带来了身临其境的真实体验。通过三个虚拟案例，将经典结构的组成部分和搭建过程展示给学生。
4. 评价与反思
将虚拟现实技术应用到通用技术课前后对比，教学效果反差十分明显。笔者作为通用技术一线教师感觉非常强烈。传统教学过程中，教师使用多媒体技术激发学生学习兴趣的有效性越来越差。在信息过载的现代社会，学生每天接触各种形式的多媒体信息多如牛毛，且大多数以娱乐为主。因此，以介绍知识为主要内容的多媒体信息很难吸引学生的眼球。
使用虚拟现实技术三个内容不同却又主题相关的案例进行教学，能够最大程度地确保学生有持续的课堂关注度。在引入环节使用“永城殿”案例，能够激发学生的学习兴趣和探究欲望，从技术角度和文化角度让学生有非常感性的认识。教师提出如何对经典结构进行评价的问题，让学生思考。“结构搭建”案例让学生持续关注结构搭建，并细致了解我国经典结构搭建的技术过程和历史文化，实践动手进行虚拟搭建。通过小组讨论的形式尝试建立经典结构评价体系。“故宫”案例让学生根据自己提出的评价体系对我国经典建筑进行评价，巩固所学知识。整个过程以学生探究式学习为主，教师引导式教学为辅，真正实现探究式学习。
讨论与展望
虚拟现实技术作为新兴技术能够最大限度地激发学生的兴趣、引发他们的关注。虚拟现实系统提供的3D效果和真实感能够抓住学生的兴奋点，从而保证他们对所学内容的持续关注。让学生在不知不觉的真实体验中了解知识，理解和掌握所学内容。与此同时，虚拟现实系统还能够为学生提供现场虚拟实践的机会，让学生能够学有所用、融会贯通。
通用技术学科作为技术类学科，强调的是学生的实际动手能力。通用技术课程的基本目标是促进学生全面而富有个性的发展，进一步提高学生的技术素养。因此，通用技术教材中的许多内容都可以借助虚拟现实技术带给学生全新的学习体验，让学生在体验中实践、在体验中创新。虽然在现阶段，由于各种原因虚拟现实技术尚未在学校实现普及，虚拟现实与学科教学的融合也仅仅停留在探索和讨论阶段，距离全方面覆盖尚有一段距离，但是，随着科技的不断发展和教育改革的不断深入，虚拟现实技术在教育教学中的应用必将更加广泛。技术实践类课程作为先行者，需要努力探索，寻找虚拟现实技术与教育教学的融合点，为虚拟现实技术的学科全覆盖贡献出自己的力量。
（作者单位：北京市第六十五中学）
