1. 引言

在信息高速发展、知识经济席卷全球的今天，教育信息化成为时代发展的必然需要。2018年，教育部将虚拟现实技术纳入教育信息化的年度重点工作任务，并且批准建设了200多个虚拟仿真教学中心[1]。近年来，在不断推进教育信息化发展过程中，我国教育状况发生翻天覆地的变化，学生正在向网络时代、信息时代、智慧时代迈进，教育方式也在向信息化、数字化、智能化方向转型[2]。虚拟现实技术是一种高度沉浸式的交互式技术，通过模拟生成三维环境，使用户能够“身临其境”地体验和学习。而虚拟仿真教学就是利用虚拟现实技术模拟生成一个趋近于真实环境的学习场景或教学情境来开展教学的方式，师生可以在这个模拟仿真的场景或情境中进行交流互动，从而增强学习的现场感和体验感，体现真实性学习。将虚拟现实技术应用到中小学实验教育教学中，根据义务教育阶段新课程的要求，把抽象的学科知识与虚拟现实技术结合，通过视觉、听觉、触觉的切实体验，将平面的知识立体化、模型化、实际化，以场景模拟的形式训练学生动手动脑解决问题的能力，从而调动学生学习积极性[3]。在中学信息科技课程中，许多概念和原理往往比较抽象和复杂，而虚拟现实技术可以将这些抽象的概念和原理以直观、形象的方式呈现出来，从而帮助学生更好地理解和掌握；也能为学生提供更加开放和自由的学习环境，鼓励他们进行探索和创新；还可以整合不同学科的知识和技能，为学生提供跨学科的学习体验。值得肯定的是，虚拟现实技术给中学信息科技课程带来了诸多机遇，这些机遇将推动教学方式的创新、提升学生的学习体验和学习效果。因此，教育者应积极拥抱新技术，探索将其有效融入日常教学中的方法和策略，以推动教育事业的持续发展和创新。然而，虚拟现实技术是一门新兴技术，目前在教育中的应用还处于不断探索和研发阶段，现有的虚拟现实教育应用研究主要集中在某些特定学科，如医学、工程等[4]，而在初中信息科技课程等基础教育学科中的应用研究相对较少。本研究旨在深度挖掘虚拟现实于初中《信息安全与网络安全》这一单元教学的应用潜能，梳理技术适配教学环节的策略，剖析其对学生知识掌握、态度塑型等各方面影响，为信息科技课程现代化转型铺就崭新路径。

2. 虚拟现实的发展现状

本研究对2006~2024年间国内虚拟现实教育应用领域的发文数量进行了统计，年度发文趋势如图1所示。结果表明，2006~2016年，国内虚拟现实教育应用相关研究处于波动增长状态，整体呈上升趋势但发文量较少。究其原因是此研究主题虽受到研究者的关注，但由于虚拟现实技术的不成熟及其教育应用的复杂性[5]使得相关研究难以开展。在2016年之后，研究进入高速发展阶段，相关研究成果呈井喷式增长由2016年50篇增至2017年106篇。2016年被称为“虚拟现实元年”，此后虚拟现实技术不断发展和成熟，硬件设备如头戴式显示器等性能逐渐提升、成本逐渐降低，为教育领域的应用提供了更好的基础条件，使得更多的教育研究者和实践者开始关注并尝试将其应用于教学中，从而产生了更多的研究成果和实践经验需要通过发文来分享和交流[6]。而2021~2024年间，相关发文量降低并趋于平缓，究其原因可能是虚拟现实教育应用的场景相对较为局限，主要集中在一些特定的学科和教学内容，如科学实验、历史文化体验等，对于其他学科和教学环节的覆盖不够广泛。这使得相关研究的范围和深度受到一定限制，难以产生大量的创新性研究成果和论文。

Figure 1. Publication statistics

图1. 发文量统计

Figure 2. Keyword co-occurrence map

图2. 关键词共现图谱

为深入研究近18年国内虚拟现实技术教育应用的热点问题，本文将所获得的1120篇文献样本导入CiteSpace软件进行知识图谱分析，它是由陈超美教授研发的可视化分析软件，适用于多元、分时、动态的复杂网络分析[7]。得到如下关键词共现图谱(图2)。由图可知2006~2024年间，学者们主要围绕“虚拟现实”、“教学改革”、“增强现实”、“医学教育”、“人工智能”等议题展开了研究。关键词出现频次最高的是“虚拟现实”，它是数据来源的重要检索词，这也说明了该图谱的绘制具有相关可靠性。其次是“教学改革”，虚拟现实技术以其沉浸式体验、交互性强和直观展示的特点，在教育领域掀起了一场革命，为教学改革提供了新的动力和方向。“医学教育”、“人工智能”分别位列第三、第四名。虚拟现实技术在医学教育中的应用已经越来越广泛，特别是在手术培训、解剖教学等方面，通过虚拟现实技术，医学生可以在虚拟环境中进行手术模拟，熟悉手术步骤和技巧，提高手术技能；还可以提供逼真的虚拟解剖环境，帮助学生更好地理解人体结构和功能[8]。人工智能通过算法和数据学习、理解和模拟人类智能，能为虚拟现实系统提供更智能化的交互和决策支持，而虚拟现实系统又可以为人工智能提供直观的展示平台，展示人工智能系统的决策过程和结果。随着技术的不断发展，人工智能和虚拟现实将越来越紧密地结合在一起，为人类提供更智能的交互体验。此外，“信息技术”、“职业教育”、“实验教育”、“教育游戏”、“高职教育”等频次也较高，说明这些关键词所代表的研究方向也得到了学者的重视，反映了研究热点。

3. 虚拟现实引擎Unity3D的功能、特点

3.1. Unity3D的功能

Figure 3. Unity3D operation interface

图3. Unity3D操作界面

Unity3D是一个用于创建2D/3D游戏、三维动画演示等内容的综合性创作平台[9]。但其应用范围已经远远超越了游戏开发领域。除了在游戏制作中得到广泛应用外，它还被广泛运用于创建虚拟现实、增强现实和各种其他交互式应用程序。它支持三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等，软件还拥有实时渲染的强大功能，可以对三维模型进行实时渲染，获得所见即所得的体验[10]。(如图3所示，Unity3D的操作界面)它具有许多突出优势：第一，跨平台支持。Unity3D支持多个平台，包括Windows、Mac、iOS、Android，使开发人员能够轻松地将游戏或应用程序发布到不同的平台上，节省了开发时间和成本；第二，强大的图形渲染能力。它支持高质量的图形渲染，包括各种光照模型、阴影效果、粒子系统、后处理效果等，能够创建出逼真的视觉效果；第三，丰富的音频功能。它支持导入和播放各种音频文件，如背景音乐、音效等，并可以对音频进行音量、音调、混音等参数设置，实现空间音频效果；第四，大量的资源库。包括模型、纹理、音效等，开发人员可以利用这些资源快速构建游戏或应用程序，节省了开发时间和成本；第五，提供了专门的VR/AR开发工具和插件，方便开发者创建沉浸式的虚拟现实和增强现实体验[11]。

在经历技术更新迭代后，Unity3D已经发布了2023版本。随着Unity引擎的功能越来越强大，支持的平台越来越多、第三方插件库越来越丰富，凭借方便可视化操作和可扩展的编程开发组件，除了深耕于游戏开发领域，它正在全面渗透工业、影视、动画、新媒体、教育等领域[12]。利用虚拟现实技术进行仿真教学一直是国内外学者关注和研究的热点，其中以Unity3D游戏引擎为工具制作的培训教学系统也应用到各个领域。

3.2. Unity3D的特点

Unity3D在诸多方面展现出了卓越特点，使其成为备受青睐的开发引擎[12]。首先，它易于上手，友好的可视化界面搭配直观操作方式，极大地降低了学习门槛，哪怕是毫无深厚编程与图形学功底的初学者，也能凭借简单的拖拽、设置操作，轻松搭建起基本的游戏场景，实现初步交互，快速开启创作；其二，它可扩展性强的优势为项目的多元化发展提供了广阔空间。借助丰富多样的插件和扩展功能，开发者可以依据不同项目需求灵活拓展引擎的功能；其三，Unity3D拥有庞大且活跃的开发者社区，这无疑是其一大核心竞争力。在这个社区内，开发者们跨越地域与时空限制，交流经验、分享资源，遇到难题时能随时寻求帮助。其四，在开发效率方面，它集成许多优秀的开发工具与功能，让开发者从繁琐的底层技术中脱身，聚焦于核心创意，从而实现快速迭代开发；其四，开发者可以根据项目的具体需求，对引擎的各个方面进行灵活定制，从游戏玩法、界面设计到渲染效果等都可以进行个性化调整；最后，Unity3D提供了多种性能优化工具和技术，帮助开发者在不同平台上实现较好的性能表现，确保游戏或应用在各种设备上都能流畅运行，为用户带来优质体验[13] [14]。

4. Unity3D在教学设计中的应用

普通意义上的虚拟现实，需要大型计算机、头盔式显示器、数据手套、洞穴式投影、密封仓等昂贵设备，一般的教育单位是不可能承受的[15]。Unity3D作为一款跨平台的游戏开发引擎，不仅在游戏领域占据重要地位，其在教学中的应用也日益广泛。它的一个重要特性是跨平台性，支持PC、移动设备、VR头显等多种平台。这一特性使得基于Unity3D制作的教学资源可以轻松地发布到手机、iPad等移动终端，让学生可以不受时间和空间的限制进行学习。Google眼镜是一种可穿戴设备，主要依赖镜框上搭载的小型计算机和传感器设备进行工作，能够实时显示信息并进行交互。因此，将Unity3D与Google眼镜结合，也就是将三维图形渲染与智能穿戴设备相结合，不仅提高了信息的呈现效果，还可以创建出更加直观和互动的教学场景，为学生提供更加沉浸式的体验。

4.1. 教学环节设计

本研究选取初一信息技术教材《共同守护互联网》这一部分进行教学内容设计。为了使学生更加深入地了解互联网安全的重要性，意识到个人信息保护、网络生态安全的必要性。教师首先为学生讲授网络安全基础知识，让学生了解网络安全的定义与重要性、网络威胁类型以及网络安全防护措施；其次使用Unity3D为学生展示网络安全具体案例，并让学生使用Google眼镜在其中进行实践，体验网络安全防护的过程和策略；最后进行网络安全法律法规普及与道德规范培养，提高学生的信息社会责任。主要使用到的教学方法有讲授法、角色扮演法、小组讨论法与案例分析法。教学环节设计如表1。

Table 1. Design of the teaching link of “Jointly Guarding the Internet”

表1. 《共同守护互联网》教学设计

4.2. 教学反思

利用Unity3D和Google眼镜辅助《共同守护互联网》这一教学内容的过程中，有关技术应用的融合度、教学效果的达成还需要不断进行反思。Unity3D强大的场景构建能力和Google眼镜提供的沉浸式体验，确实能为学生提供了一个直观、生动的学习环境，使他们能够更深入地理解互联网安全的概念和原理。然而，技术的局限性也不容忽视，设备兼容性、软件更新速度等问题都有可能影响教学，需要教师在教学过程中不断调整和适应。关于学生的学习效果，技术辅助教学不仅能提高学生的参与度，还能帮助学生牢固掌握本节课堂上的内容。为了持续改进教学效果，研究者与教师需要密切关注Unity3D和VR技术的最新发展，不断更新教学设备和软件，同时探索更多创新的教学方法，如项目式学习、翻转课堂等，以提高学生的自主学习能力和创新能力，并定期收集学生的反馈意见，根据他们的需求和建议，不断调整教学内容和方法，确保教学始终贴近学生的实际需求，为他们提供全面、系统的学习支持。

5. 总结

本研究梳理了虚拟现实的发展现状与Unity3D引擎的功能和特点，并基于Unity3D进行了初中信息科技《共同守护互联网》这一节内容的教学设计。然而，要进一步推广和完善虚拟现实技术在初中信息科技课程中的应用，还需要克服技术和成本等方面的障碍。未来，随着虚拟现实技术的不断发展和普及，以及教育资源的不断丰富，期待以后的研究能够开发出更多高质量、贴合教学实际的虚拟现实课程资源，让虚拟现实技术更好地服务于初中信息科技教育，助力培养学生具备更强的信息素养和网络安全意识，为其适应数字化时代的发展奠定坚实基础。

参考文献