中小學虛擬實驗室數(shù)字化的自我革命
目前正轟轟烈烈的進行中小學課程改革。中小學課程改革的核心理念，就是要強化學生的自主探究性學習，讓學生通過自主探究性學習，掌握新的知識，獲得新技能，培養(yǎng)科學探究的能力。在課程改革的新形勢下，理科教學中實驗教學的地位顯得更為重要。許多的知識、規(guī)律不再是由教材直接給出后通過教師灌輸給學生，而是要求讓學生通過探究性實驗來再發(fā)現(xiàn)，這就對理科實驗室提出更高的要求。
早前的數(shù)字化教室就是一個多媒體教室，一位老師、一臺電腦控制臺,一套投影設備，上課的課件換成PPT或者投影課件，就是所謂的數(shù)字化的教室；后面有了電子白板、納米黑板，以及后面帶觸控功能大型液晶黑板可以對PPT切換的同時還可以做板書標記手勢，插入錄播或者互聯(lián)網(wǎng)課程視頻以及圖片等動作，這是原有普通教室的升級，實驗內(nèi)容不再僅僅需要教師現(xiàn)場演示，可以通過多媒體來播放重現(xiàn)實驗結(jié)果。這個階段學生的自主探究性學習能力其實并沒有得到釋放,學生依然存在被動接受知識的問題。最后課程還是需要去實體實驗室去操作才能將課程的實驗目的講清楚。
這期間實驗室設備開始電子化，還不是我們想要的數(shù)字化，雖然我們說這是“數(shù)字化探究實驗室”，實驗室添置的小學、初中、高中教學所需的帶有傳感器、采集器、無線智能傳感器的電子實驗儀器成為實驗室主角。
簡單的說實驗就是理化生實驗采用電子傳感器來完成。比如傳統(tǒng)物理實驗的牛頓第三定律，傳統(tǒng)方式是采用兩個彈簧秤對拉看刻度基本相等，而“數(shù)字化探究實驗”采用兩個力傳感器對拉，通過兩根USB線將傳感器數(shù)據(jù)傳入電腦，然后同軟軟件可以以數(shù)字和曲線的形式顯示出力的大小變化曲線和數(shù)據(jù)是相等的和對稱的，并且可通過軟件進行曲線的擬合。電子化的探究實驗室是對傳統(tǒng)實驗的一個非常好的補充，在傳統(tǒng)實驗一些只能定性無法定量的實驗以及一些微小或瞬間數(shù)據(jù)的測量上，這類型電算化實驗室能發(fā)揮出一定的作用。從實用的角度結(jié)合小學、中學、高中理化生電子傳感實驗裝置，為學生科技普及方面確實做了很多的工作。
現(xiàn)階段的數(shù)字化實驗室其實和虛擬現(xiàn)實（VR）設備的研發(fā)軌跡重合的，教育行業(yè)很早就受益這方面的新技術，動態(tài)影像通過數(shù)字技術輔助教學，我們都可以認為是數(shù)字化的一個實現(xiàn)方式。VR所將實驗對象的二維影像三維化，同時能夠?qū)⑦@些教學資源保存在智慧化校園的私有云上，這是還只能算第一步。下一步是如何讓這些三維虛擬資源具備完整的物理化學屬性，讓學生可以有可能自己來操作實驗。
需求大的教備市場，應用案例必然多，第一個吃螃蟹的開荒者值得我們尊敬！
VR對于教育實實在在的普惠，原因在于應用場景豐富。VR虛擬仿真資源可為傳統(tǒng)教育中典型的實驗教學創(chuàng)設復雜的、多樣的實驗條件以及情境，賦予虛擬現(xiàn)實仿真模型完整物理生化的屬性，實驗允許學習者在可能預見不同的情境中創(chuàng)造性應用所學知識，反復試錯求真，多次實驗實現(xiàn)不斷強化探究的效果，節(jié)能環(huán)保并不會增加實驗室的耗資。
鳳凰創(chuàng)壹的VR虛擬現(xiàn)實創(chuàng)新實驗室綜合解決方案是一款為中小學校、校外教育基地設計開發(fā)的用于滿足青少年自主探索、安全實驗的軟硬件一體化產(chǎn)品，滿足多地區(qū)、多學校和多學科專業(yè)的VR虛擬現(xiàn)實實驗創(chuàng)新教學的需求。通過虛擬現(xiàn)實技術，依托國際先進的桌面級便攜式一體化虛擬現(xiàn)實設備，深度集成VR、AR、MR等多種新興技術，學生可親自操作，并反復觀察VR實驗體細節(jié)。
完美支持人機交互、師生教學和學生互動，徹底打破虛擬和現(xiàn)實的邊界，學生在身臨其境的自主探索中，打破課堂壁壘進行自然探索；以前難以實現(xiàn)的地理、歷史及理化生、科學、生物實驗，學生能更主動地學習，更深刻地理解，更長久地記憶，實現(xiàn)綜合素質(zhì)的拓展和科學精神、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，讓VR技術真正服務教學、助力教育創(chuàng)新發(fā)展。結(jié)合VR實驗室的整體環(huán)境建設、特色師資培訓及其他配套服務，幫助中小學、校外教育基地提升辦學特色，打造創(chuàng)新品牌。
例如，以前覺得生物很難，因為很多東西無法觀察到。有了這么逼真的VR模型，讓學生理解生物知識就容易多了。高精度的人體各個系統(tǒng)的模型圖資源，包含骨骼、韌帶、肌肉、神經(jīng)、大腦、內(nèi)分泌、心血管、淋巴、呼吸、消化、泌尿、生殖等系統(tǒng)的全三維動效人體模型庫。通過觸控筆可隨時對人體系統(tǒng)進行拆解或選擇某特定的人體系統(tǒng)的構(gòu)造，在全三維模式下對人體各系統(tǒng)進行學習、瀏覽，同時還可查看系統(tǒng)預置的人體組織的注釋。
又如，分子生物學虛擬仿真教學平臺只需要學生在電腦上按照軟件的操作提示就可獲得正確的實驗結(jié)果，學生既能更好地理解實驗原理及操作步驟，又能節(jié)約更多的時間反復操作加深理解，能更系統(tǒng)地完成整個分子生物學實驗的學習。
虛擬仿真資源的有效輔助，讓實驗室的物理生化學科探究有了不一樣的體驗形式，以往中小學桌面式3D最大的問題資源量太少，現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實資源可以說所想即有所得，可以提供的情境設計以及實驗條件模擬可突破時間和空間的限制，實驗對象完美的物理生化屬性足以以假亂真，滿足學習者在沉浸式的實驗中獲得知識的需要。
此外，中小學實驗室建設之前并沒有被太多重視，實驗項目受限于設備、儀器的后勤水平，主要內(nèi)容以知識科普為主，看的多，互動性少,虛擬現(xiàn)實則是希望用沉浸式的場景互動來實現(xiàn)教學；中小學實驗過程中需要耗費大量的實驗材料，虛擬仿真資源具備可重復利用的特點，大大減少了在實驗設備和實驗材料的耗資。中小學實驗過程都是預設的結(jié)果，與真實實驗有較大的差距，虛擬現(xiàn)實模型增加的生化屬性可以將實驗真實場景完美再現(xiàn)；中小學實驗內(nèi)容零散，需要展現(xiàn)的實驗內(nèi)容感覺很多，需要機構(gòu)和院校有勇氣有決心持續(xù)開發(fā)完整的課程體系或?qū)嶒烍w系；中小學實驗室管理的安全問題（避免危險操作以及有毒有害的實驗物傷害以及實驗室財產(chǎn)安全維護），虛擬現(xiàn)實實驗室基本算是完美的解決這方面存在的風險。
比如，讓歷史的學習不再枯燥,我們帶著孩子在游玩中學習,以擬人化的表現(xiàn)手法和智能化的交互方式，讓文物開口“說話”，讓“穿越時空”成為可能，讓歷史“活”起來。學生在教師的引導下自主探究，尋訪文明的足跡，觸摸歷史的脈搏，感受華夏文化的獨特魅力，激發(fā)求知欲、好奇心和想象力。
目前，大多虛擬仿真實驗教室都融入了人工智能技術，可對學習者的操作進行跟蹤并給出及時反饋，一定程度上解決了中小學教育師資利用的問題。因此無論是在人力還是物力方面虛擬仿真資源的使用都大大降低了教學成本。
目前中小學智慧實驗室因為前期投入研發(fā)的費用較高問題，財政能力方面考慮，還有深究技術原因就是VR技術的局限，無法解決小孩佩戴者長時間使用的不適，眩暈，所以暫時目前是沒有一個完美的方案，但是探索總是要繼續(xù)的，有些同業(yè)會用智能家居的設備聲控，包裝下教室的科技含量。這種教室也會跟你說這是智慧教室，實際上就是堆積智能硬件。
我司鳳凰創(chuàng)壹目前也在技術去尋求突破實現(xiàn)數(shù)字化校園資源的整合，中小學學校私有云的范圍內(nèi)，將校園管理數(shù)字化，實驗室管理數(shù)字化，校園教學資源數(shù)字化，教學質(zhì)量評估的數(shù)字化作為目標。當然已經(jīng)有不少的學校，比如雙十中學都在和我們進行這方面的合作。
中小學科技數(shù)字化實驗室最終發(fā)展形態(tài)也還是以學生的發(fā)展為主體，以綜合、探究、創(chuàng)新、會學為理念而研究和開發(fā)的新課程實驗教學環(huán)境，符合自主學習、合作學習、探究學習的新的學習方式。按中小學實驗的設計和組織要求，創(chuàng)設一種科學探究實驗環(huán)境（實驗設備、實驗方式、實驗氛圍），遵循學生的認知規(guī)律，培養(yǎng)學生解決實際問題的思路、方法和能力。鳳凰創(chuàng)壹智慧實驗室可滿足學生自主學習的需要。學生利用該環(huán)境開展科學探究實驗學習，可以較好地完成課程學習任務，而且可以很快適應新的考試方法和考試模式。同時解決了老師如何教，學生如何學的問題，有利于學生掌握研究方法，掌握書本知識，培養(yǎng)科學探究能力以及形成科學價值觀。
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