VR技术在风景园林专业实验教学体系建设中的应用
摘要：随着信息技术的快速发展，智慧教育已成为教育改革的重要方向。VR技术以其独特的沉浸式体验和交互性优势，为实验教学带来了革命性的变革。通过深入探讨智慧教育背景下，VR技术在风景园林专业实验教学体系建设中的应用，旨在为风景园林专业教育工作者提供新的教学思路和方法，为学习者创造更为丰富和真实的学习环境。
1智慧教育概述
1.1智慧教育的内涵
目前，国内外关于智慧教育的内涵尚未形成统一的认知，国内外学者从不同角度对智慧教育进行阐述。斯滕伯格[1]、钱学敏[2]等学者强调从教育的目的出发，为获得智慧而开展教育，培养有智慧的人。祝智庭等[3]认为，智慧教育的核心在于构建智慧环境，并借助智慧教育手段，培养具备高智能和创新能力的人。智慧教育是一种以先进信息技术为支撑、以个性化教育模式为核心、以开放共享教育生态为目标的新型教育理念和实践，旨在通过整合和优化各种教育资源和教育要素，为教育者和学习者提供更加优质、高效、智能的教育服务和学习体验，推动教育的全面变革和创新发展。
1.2智慧教育的特点
1.2.1技术驱动。智慧教育以信息技术为核心驱动力，通过引入各种先进的技术手段和工具，推动教育模式的创新和教学方式的变革。
1.2.2数据支撑。智慧教育注重数据的收集、分析和应用。通过深入挖掘和分析学生的学习行为、成绩表现等数据，为教师提供科学、准确的教学决策支持，为学生提供个性化的学习指导和反馈。
1.2.3个性化学习。智能教育注重针对学生的兴趣、能力与需求，为学生提供有针对性的教学资源与途径[4]。在智能学习平台和学习管理系统，学生能自由地选择学习的内容、进度和方法，从而达到“因材施教”的目的。
1.2.4互动与合作。智慧教育倡导师生之间、学生之间的积极互动和合作。利用各种互动工具和平台，促进师生之间的交流、讨论和协作，培养学生的团队协作和沟通能力。
1.2.5开放与共享。智慧教育倡导教育资源的开放和共享。通过构建开放的教育资源平台，促进优质教育资源的汇聚和共享，打破地域和学校的限制，让更多的人享受到优质的教育资源和服务。
1.3智慧教育的发展
智慧教育的发展正在经历从初步探索到逐步成熟的过程。在探索阶段，教育工作者开始尝试将信息技术应用于教学实践中，如雨课堂、SPOC、慕课等，取得了一些成果。随着技术的不断进步和教育理念的更新，智慧教育逐步发展，教育工作者开始深入研究信息技术与教育的深度融合，探索智慧教育的内涵和发展路径。杨昀潮等[5]提出5G专网赋能教、考、评、管智慧教育，有效提升了教学质量和校园管理水平。刘卉等[6]采用虚拟现实（VirtualReality，VR）的化学元宇宙技术与有机化学课程相结合的方式，以学生交互式模式进行学习，提高了有机化学课程的教学质量和学生的创新能力。
目前，智慧教育已经在全球范围内得到了广泛关注和应用。各国纷纷制定相关政策，推动智慧教育的发展，各类学校和教育机构也积极探索智慧教育的实践模式，取得了显著成效。例如，利用大数据和人工智能技术，教师可以对学生的学习情况进行精准分析和个性化指导[7]；借助虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术，学生可以身临其境地体验各种学习场景等[8]。基于VR技术的实验教学体系，可以为学生提供更加开放、自主的学习环境。学生可以在虚拟环境中进行自由探索和创新实践，有利于培养他们的创新精神和实践能力。通过构建基于VR技术的实验教学体系，可以让更多地区、更多层次的学生享受到优质的教育资源，促进教育公平与普及。
2教育领域下的VR技术概述
2.1VR技术原理
VR技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术[9]，利用计算机生成三维立体的模拟环境，通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中，实现用户与该环境直接进行自然交互[10]。其核心原理主要包括显示原理、跟踪原理、交互原理、渲染原理4个方面，显示原理是指VR技术通过头盔显示器（HMD）将用户的视野完全占据，呈现出360°全景的立体图像。跟踪原理是指VR系统通过跟踪用户的头部、手部等身体部位的运动，实时更新用户在虚拟环境中的视角和位置，这种跟踪通常通过外部传感器（如光学传感器、超声波传感器等）或内部传感器（如陀螺仪、加速度计等）实现。交互原理是指VR技术允许用户通过手势、语音等方式与虚拟环境进行自然交互，通常需要通过各种输入设备（如手柄、手套、位置跟踪器等）来捕捉用户的动作，并将其转化为虚拟环境中的相应操作。渲染原理是为了实现高质量的图像显示和流畅的交互体验，VR系统需要强大的图形处理能力，通常通过高性能的图形处理器（GPU）和优化的渲染算法来实现。GPU负责实时生成和更新用户视野内的三维图像，而渲染算法则负责根据用户的视角和位置动态调整图像的渲染方式和质量。
2.2VR技术在教育领域的应用现状
随着科技的飞速发展，虚拟现实（VR）技术已经融入居民日常生活，且在教育领域的应用尤为引人注目。VR技术以其独特的沉浸式体验和交互性，为教育带来了前所未有的变革和创新。通过使用中国知网检索“VR教学”，得到1998－2024年VR教学学科分布图（见图1），可知VR教学在计算机软件及计算机应用、教育理论、高等教育等相关学科应用广泛。从基础教育到高等教育，从理论学习到实践操作，VR技术都展现出巨大的潜力。VR技术以其全新的设计理念和技术支持能力，为高校开展教学活动提供了崭新的途径。
VR技术在教育领域的应用正变得越来越广泛和深入，给学生提供了一种全新的学习感受[11]，学习内容、路径、方法等都由学生自己选择，实现真正的个性化学习。VR技术还打破了时间和空间的限制，让不同地区、不同学校的学生共享优质教育资源[12]。通过虚拟现实技术，学生可以在家中或其他地点参与到远程课堂中，与教师和同学进行实时互动和交流，有助于缩小教育差距，促进教育公平。尤其在实践教学中，VR技术能给学生提供一个接近现实的实习环境，不仅可以提高学生的动手能力，还可以降低实验成本和安全风险。此外，VR技术还可以激发学生的创新思维和想象力，通过构建虚拟的创新实验室或创意空间，学生可以自由发挥创意，进行各种创新尝试，有助于培养学生的创新意识和创新能力，为未来的科技发展和社会进步培养更多创新型人才。
3VR技术在实验教学中的应用现状
随着“智慧教育”理念的兴起，虚拟现实（VR）技术作为教学辅助工具在实验教学中得到了广泛应用。然而，在实际应用过程中，VR技术在实验教学中也面临着一系列的问题与挑战。
3.1硬件限制与内容开发不足问题
VR技术的实验教学应用首先受到硬件设备的限制，高质量的VR设备，如头戴式显示器（HMD）、位置追踪器等价格昂贵，增加了教育机构的采购成本。同时，硬件设备的便携性、舒适性和耐用性也是需要考虑的问题。与硬件限制相对应的是，VR教育内容的匮乏。目前，针对实验教学的VR软件和内容相对较少，且质量参差不齐，开发高质量，符合教学需求的VR内容需要专业的团队和大量的时间投入。另外，由于VR技术的更新迭代速度较快，开发内容容易过时，进一步加大了内容开发难度。
3.2用户体验与适应性问题
VR技术提供的沉浸式体验对于某些用户来说可能会造成不适，如眩晕、头痛等，这可能与用户的生理特征、使用习惯以及VR设备的性能有关。此外，用户在使用VR设备时还需要适应全新的交互方式，对于一些缺乏经验的用户来说可能是一个挑战。
3.3教学设计与方法创新问题
将VR技术融入实验教学需要创新的教学设计和方法。传统的实验教学模式可能无法直接应用于VR环境，因此，需要教育者探索新的教学策略和评估方法。要求教育者不仅具备专业知识，还需要掌握VR技术和相关的教学技能。
3.4社会接受度与政策支持问题
尽管VR技术在实验教学中具有巨大的潜力，但其在社会上的接受度仍然有限。一些人可能对VR技术持怀疑态度，认为其可能对学生的学习和健康产生负面影响。因此，推广VR技术在实验教学中的应用还需得到社会的广泛认可和支持。同时，政府和教育机构也需要出台相应的政策来推动VR技术在教育领域的发展。
4基于VR技术的实验教学体系建设
4.1实验教学体系架构设计原则
实验教学体系架构设计原则包括以学生为中心、技术与教育融合、灵活性与可扩展性、安全性与可靠性4个方面。实验教学体系设计应始终以学生为中心，满足学生的学习需求和发展目标。技术与教育融合原则体现在VR技术与教育内容的深度融合，技术应服务于教育目标，而不是简单的工具或噱头。通过精心设计的VR实验，帮助学生深入理解科学原理，掌握实验技能，同时，体系应易于更新和升级，以适应科技发展和教育改革的步伐。在VR实验环境中，学生的安全和健康也是首要考虑的因素，实验教学体系应确保VR设备的安全使用，避免对学生造成身体或心理上的伤害，同时，体系应具备高度的可靠性，确保教学活动顺利进行。
4.2实验教学体系建设内容
需建设配套的VR实验室，配备高性能的VR设备和周边配套设施，如头戴式显示器、手势识别设备、位置跟踪系统等，为专业师生提供沉浸式的虚拟实验环境。针对风景园林专业不同课程的教学需求，需加强教师团队与技术人员合作，开发出针对专业特色的实验教学软件及课程素材。软件可结合课程内容，设计丰富的虚拟实验场景和操作任务，使学生在虚拟世界中就能完成真实的实验操作。教师不仅是知识的传授者，还成为学生探索虚拟世界的引导者和协作者，学生则通过自主学习、合作探究的方式，在虚拟实验中发现问题、解决问题，从而培养创新能力和实践能力。为了确保VR实验教学效果，还需建立完善的评估与反馈机制[13]，通过定期的问卷调查、学生作品展示、教师评价等方式，收集师生对VR实验教学的意见和建议，以便及时调整教学策略和优化教学资源。
4.3实验教学模式的创新
在智慧教育背景下，基于VR技术的实验教学模式拟实现沉浸式学习环境、个性化学习路径、协作式学习体验3个方面的创新。在沉浸式学习环境方面，通过VR技术，学生可以身临其境地进入虚拟实验室，与实验设备和实验对象进行直观、自然地交互，不仅能极大提升学生的学习兴趣和参与度，还有助于学生更好地理解和掌握风景园林实践原理和操作方法。在个性化的学习路径方面，虚拟现实技术可以让教师依据学员的需要与能力定制一条适合学习路线[14]。在协作式学习体验方面，通过VR技术，学生可在虚拟环境中进行协作式学习，可以共同观察实验现象、讨论实验问题、合作完成实验任务，有助于培养学生的团队协作精神和沟通能力。
5结语
在智慧教育的浪潮中，VR技术以其独特的沉浸式体验和交互性为实验教学带来了革命性的变革。尽管VR技术在实验教学中展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍然存在一些技术限制，如设备成本高昂、佩戴舒适度不佳、图像分辨率和刷新率不足等，一定程度上影响了VR技术在实验教学中的广泛应用。未来，期待通过技术的不断创新、教育政策的持续推动以及教育者与学习者的共同努力，将VR技术更好地融入实验教学体系，实现教育信息化新的跨越。
