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摘要：中小学核心素养的提出体现了对学生素养教育的重视，而素养教育的发展离不开数字化教学资源的支持，一方面是学习方式的认知支持，另一方面是学习过程的资源支持，在诸多教学资源中，电子教材的作用显得尤为重要。电子教材在当下的学生学习过程中发挥着极其重要的作用，使教学方式发生了巨大的转变，从已有的灌输式教育转变为学生利用电子设备进行自主学习。伴随着技术的迅猛发展也在不断地提升发展，虚拟现实式电子教材在技术快速发展过程中出现，并在一定的程度上代表着未来教科书发展的方向。与传统的电子教材相比，虚拟现实式电子教材支持个性学习、泛在学习等，整合现有的虚拟现实资源素材、动画、视频、MOOC等，形成新形态一体化教材。在现有的条件下，受软件资源和硬件设备的影响，虚拟现实式电子教材的研发工作还存在着一定的困难和技术难点，但是如果能够加以克服，未来将会有广阔的发展空间和应用前景。
关键词：虚拟现实;电子教材;核心素养
2016年，《中国学生发展核心素养》发布，研究确定了包含人文底蕴、科学精神、责任担当、实践创新、学会学习、健康生活等六大核心素养。国家课程改革与教材设计间具有密切关系，国家课程所传达的理念通常必须配合教材的设计来达成。随着互联网技术和信息化时代的繁荣发展，虚拟现实技术与传统教材进行融合，经过处理过的虚拟信息叠加在真实场景上，并借助感知和显示设备，将虚实信息融为一体，从而显示虚拟三维景象的电子教材。依靠其移动性、便携性以及较强的人机交互性和感知性，弥补了传统图书的不足，体现了虚拟现实电子教材的独特优势，是虚拟现实在教育领域的一种有益应用，具有极大的市场价值和科研价值。
1 核心素养对电子教材研发的新要求
1.1 教学启发性
随着教师信息教育素养的提升与教室信息设备逐渐普及下，信息与教育的融合已非常普遍，科技被大量用来作为教育的帮手，虚拟现实电子教材能有效地利用便携式电子产品呈现教学素材，让教学素材的展示更为精确、快速。虚拟现实电子教材真正做到投入度高、情境真实、智能性强、趣味性高的教材，可以向学生展示形象、生动的思维材料，提供学生日常生活难以直接接触的事物等，从而拓展学生的视野。情感、思维、行为等都可以作为切入点，提高学生在教学活动中的参与度。学生积极参与到教学活动中，在电子教材的帮助下接触更加直接、形象的信息，在轻松愉悦的氛围中获取知识，达到启发式学习的效果，整个过程自然、充满趣味。
1.2 活动交互性
与传统纸质的纸质教材相比，依托于先进信息技术的电子教材不仅具有数字教材所特有的形象丰富的特点，而且只是更新速度更快、互动性更强，可以有效提高教学质量。结合多种传感器，通过多种感知渠道设计一些新的、更加自然的交互形式，可以是语音、手势、体感等，学生通过这些感知通道实现交互式感应，不自觉得沉浸到学习环境中。学生能够透彻的学习课程内容，教师更便捷的传授知识，课程知识与虚拟现实电子教材深度交互融合。比如这种电子教材思维导图的功能是对自身积累的经验、知识，以及新获取的信息进行整合，是对知识的再认识过程，并且可以将思维导图引入自主学习，利用思维导图考察自己对知识点的掌握是否全面、是否到位，并与教材提供的思维导图进行对比，达到查漏补缺的目的。采用创新设计的电子教材比较关注学生体验，强调互动，综合实际的教学环境和学生的需求做好整体设计，保证教材的实用性，在教材改革中具有重要意义。
1.3 情境感知性
虚拟现实电子教材需要以5G通信技术为基础。学生利用手机、平板等移动终端设备，持续地获取真实场景的最新信息，无障碍地体验真实情境，这种可随时随地实现的情境感知很大程度上强化了5G网络的交互能力。情境学习发生于社会环境中，会产生于个体实践，虚拟现实电子教材拥有情境感知技术，通过分析学生所处环境、状态等信息，运用眼动追踪、触觉反馈等技术看懂和识别身体语言或手势，并更有预见性地做出相应准备。更好的学生提供信息服务，通过5G网络的延展，进行移动端的情景智能感知。从人、环境、行为三个维度对进行分析，可以更方便地获取自身的信息并及时与他人分享。
2 虚拟现实式电子教材的特性分析
2.1 电子教科书的思维方法性
教科书是教师赖以教学及评量的主要媒介，是学生获取知识的主要来源，传统的纸质教科书有出版时间长及印制配送成本的考虑，时间带来信息急速变化，许多书本的内容在出版后很快就过时了;因而在社会快速变迁，以及知识生命周期越来越短的情况下，纸质教科书已不算是有效的媒介。随着科技网络的发展，推动电子教材已成為许多国家重要的教育政策与关注焦点。教育部强调，要加强对不同阶段学生核心素养的重视，组织研究学生所应具备的关键品格与能力，提出与学生个人正常和社会需求相适应的核心素养体系。传统教科书多偏单面向传递信息，使得学习流于静态、零碎知识的记忆;而其插图版式过于制式化、单调化，也没有任何一本教科书能够包含任何一门课程所需的全部信息。这就会限制学生找到认识新世界的方法，无法真正的提高自身核心素养。
2.2 电子教科书的富媒体性
传统教科书的定位、功能或形式也面临了前所未有的挑战。传统的教科书多数都是有内容导向，就会出现一系列问题。例如，自然科学中常常被诟病的菜谱式的实验。其实就是按照教科书上陈列的实验步骤，依序完成实验程序，然后得到一个早就预知的答案。这样的实验算不上是科学探究，因为学生根本没有依据既有知识或经验，形成对一个问题的假设，再去寻找现象当中的自变量和因变量，以至于后续要有一些自己的实验设计思考，来支持或推翻先前的假设。学生可能根本不需要做实验，只要翻到最后一页，就知道这个实验的结果应该是什么。核心素养下的教学关注学生素养的发展，而非只是知识的累积，要根据学生认知规律的螺旋上升特征来安排教学内容，重视学生学习过程中多方面的展现，而非只是单一的成果，电子教材可以让学生的自主觉察问题，并积极解决问题，而非被动地安排。
2.3 电子教科书的模拟交互性
由于储存空间可压缩的特性，电子教材可承载的信息量大于上百本印刷书籍的内容，特别是以多媒体为基础的数字书籍，它能有效地生成与分配信息，其文本能够附带多元媒体，增强与学生的互动性。传统的教科书通常把想要让学生学习的内容，变成了单纯的知识，让学生依学科概念逻辑去学习。这样的学习让我们误以为学生学会丰富的知识，但事实上，属于这个学科应有的探究技巧与思维，却并未获得。核心素养下的教学，要有情境与脉络，要让学生主动完成学习任务。学生是学习的主体，情境导入是为了有问题意识，发现问题后会继续深入的探究和解答某些问题。电子教材这种教学媒体，更重视学生沟通与互动功能，而非静态单向的阅读，也可透过网络与人链接，更易结合学生，电子教材正在改变学生的学习方式与习惯。
3 虚拟现实式电子教材的研发
3.1 开发流程
电子教材的制作包含四个基本环节：首先是从真实的环境中提取所需信息，比如从传统纸质教材中提取图形内容;其次是通过算法导出步骤一中采集到图像特征数据，将采集的图像数据拷贝出两份分别交给新创建的两个系统线程来分别处理，两个系统线程分别是AKAZE特征检测算法导出图像特征数据以及通过RANSAC算法提取图像的地形坐标数据;再次是将上一步中两处计算完成的数据进行叠加处理，利用AR技术中的聚类分析算法（K-means算法）将电子书中的虚拟模型、图片与现实数据进行结合，将叠加处理后的图像显示出来，根据不同的数据量分发出多个额外线程进行数据合并，数据量的划分标准以1000次/线程进行划分。最后是将完成数据合并后，交由硬件GPU进行图像渲染，K-Means算法主要是给定N个数据点与N个图像数据点组成集合P，通过GPU显示显示模型进行导出合并出新的数据集合M，该数据集合M是用于GPU管线显示使用数据集合。在导出集合M的操作中需要根据不同的数据量进行N次循环运算，该过程包括：第一从P中随机选择N个数据点;第二用N个数据点拟合出一个模型M;第三对P中剩余的数据点，计算与数据集合M的距离，进行多余点的舍弃。通过对环境中的平面识别技术，确定出算法地表，然后可构建出整个3D坐标系，从而达到将虚拟模型和动作在空间中准确的定位并展现出来，为用户提供超越现实的感官体验和准确流畅动作的直观体验。
3.2 技术核心
（1）视频图像采集捕获。对摄像机镜头进行初始化处理后，通过镜头捕捉视频、图像等素材，了解摄像机的参数与模板库，分别通过两个线程处理地形坐标计算和图像特征的采集计算。
（2）模型和声音的加载及展示。采用AR ToolKit开源SDK，在C语言和C++基础之上调用响应的扩展库，通过专业仿真软件对声音和图像进行加工，建立三维模型，可以提高真实感。
（3）虚拟场景渲染模块。通过GPU系统完成标识图的获取，实现查找、识别等功能，提取相关信息后通过模型对标识图进行展示，与实际场景结合起来，形成虚实相间的效果。
（4）算法模块。提供AKAZE特征检测算法、RANSAC算法以及K-means算法，实现图像数据处理融合。
（5）应用程序框架。这一模块集成在操作系统中，功能包含并发管理、任务调度以及驱动循环，主要用于对各功能模块进行统一调度，构成完整的流程。
3.3典型案例
比林赫斯特（Billinghurst）的Magic Book被公认为最早的虚拟现实教材，利用三维动画、模型等对二维教材内容进行重塑和创新，学生可以利用特殊的眼镜观看三维的数字场景，便于学生更好地理解内容所表现的情境。虚拟现实的特性符合人类学习初级阶段的认知，尤其适合儿童学习，所以目前其在少儿科普类的图书应用中潜力巨大。不仅如此，在中国，人民卫生出版集团、四川大学和华域天府数字科技有限公司，共同打造一款高精度的人体结构三维模型：数字化医学VR《3D系统解剖学》电子教材，在虚拟现实技术支持下可360度全方位、立体式展示人体结构，画面清晰逼真，实时还原课堂内容。以往我们都是通过文字描述、平面图片和立体模型，来了解每个构造的形状、大小、位置等知识，但当我们将虚拟现实技术与知识结合时，看到的将是全方位、立体、动态的各处身体构造，能够详细了解这些构造之间的关联性，以及如何共同运转构成生命机能。因此，虚拟现实技术的使用会给电子教材带来更加生动和深刻的体验，使电子教材内容变得更有互动性，这对加深学生对知识的理解与记忆有更加理想的效果。
4 虚拟现实式电子教材研发的反思
4.1成功的经验
虚拟现实电子教材是一种互动启发式教学模式。与传统上完全由教师主导的平面课堂相比，学生不再是知识的被动接受者，可以在一定程度上改变学生缺少创新性思维的问题。虚拟显示技术可以向学生提供直观、形象、交互性强的新型教学环境，综合利用视觉、听觉等多种感官形成综合刺激。作为一个高科技的展示平台，其所具有的时代感，学生可以享受到如同多维影院一般的体验，更容易沉浸其中，并且与传统教材相比可以描述更多的内容，极大地拓展了教材的信息量。随着科学技术的成熟，并与人工智能的结合，存在着巨大的想象空间，因此虚拟现实电子教材在实践过程中的仍可进一步优化，最终智能终端学习设备等融入教材使用的产品将全面覆盖，提高创新能力，培育核心素养。
4.2 不足之处的反思
技术的应用要掌握适时性、适当性和适度性原则，目前虚拟现实电子教材大多用于非正式学习，在课堂教学中应用相对较少，掌握应用原则将为其在课堂教学应用的普及提供契机。虚拟现实电子教材在为学习者提供了学习环境，同时也作为一种媒体工具，如果设计不合理，就会增加学生的负荷。而认知对象是学生学习的主体，在设计过程中要突显认知对象，所创设沉浸环境要引吸引学生，并将知识信息传递给学生。要加强虚拟现实电子教材的应用流程控制设计，要对各要素之间相互作用的时间、方式和活动等进行合理规划。学生在使用虚拟现实电子教材进行学习的过程可以理解为学生与个体、虚拟现实情境和工具等系统要素间的交互过程，整个流程管控的设计十分重要，要合理安排练习项目、记忆项目和新学项目的数量，形成完整的体系，才能提升学生的综合素养。把握设计流程中的每一环节，为学生与系统要素间交互及深层认知提供依托，尽管没有一种教学模式能够适用于所有学科，也没有一种技术能支持所有教学环节。因此高新技术只有应用在合适的时机，支持恰当的教学环节，并做到有的放矢才能为教育教学提供支持帮助。
5 结束语
受新加坡研究影响，美国、韩国、德国等国家竞相开展電子教材的研发和推广工作。我国关于电子教材的研发起步较晚，但是发展迅猛，21世纪初，我国以北京、上海、大连、深圳四个城市为首批试验点，进行电子教材的试用研究。经过了二十余年的发展，随着信息技术的飞速发展，推动着教育信息化的前进，新技术新产品的不断涌现，目前已发展到基于移动设备的虚拟现实电子教材。电子教材所特有的强大互动功能可以大幅度提升对学生的吸引力。学生沉浸在电子教材中，虚拟环境和真实环境相交汇，获得超感官体验，并且还能够大大降低实验教学成本，坚持学生的主体地位，提高学习效率和学习质量。尽管如此，由于虚拟现实电子教材的教育应用起步较晚，尚存一些问题有，比如交互要建立在有意义的基础上，避免增加学习者的认知负荷和无意义的交互，以及如何提高跟踪识别的流畅性以保障系统稳定性。随着相关技术的进一步发展以及智能终端的普及，技术成熟等问题在未来都将会得到有效解决。
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【通联编辑：王力】
