VR技術(shù)小學(xué)科學(xué)教育應(yīng)用研究

周乾莉，張麗燕,李新暉

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 人文與教育學(xué)院，廣東 佛山 528000)

0 引言

信息技術(shù)一直扮演著推動教育變革的重要角色。從文字、印刷術(shù)的出現(xiàn)，到無線電、計算機的出現(xiàn)，信息技術(shù)經(jīng)歷了4次革命，每一次都為教育帶來了巨大變革。人工智能、大數(shù)據(jù)、VR(Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實)等新技術(shù)的出現(xiàn)與快速發(fā)展使信息技術(shù)進入新一輪革命，將對教育產(chǎn)生顛覆性影響。近年，VR技術(shù)越來越多的受到教育領(lǐng)域的重視，它解決了傳統(tǒng)二維空間授課過程中的難點與痛點[1]。各項應(yīng)用研究表明，將VR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)教育領(lǐng)域，能形象生動地表現(xiàn)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容, 有效營造一個跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境, 提高學(xué)生掌握知識、技能的效率, 使教師能夠更容易表達(dá)自己的教學(xué)思想與內(nèi)容, 改變了過去平面呈現(xiàn)教材內(nèi)容的方式，以身臨其境的沉浸式體驗形式呈現(xiàn)，使學(xué)習(xí)者更直觀、更容易理解教學(xué)者的教學(xué)思想與教學(xué)內(nèi)容，提升科學(xué)教育的質(zhì)量與效率。VR技術(shù)與科學(xué)教育的深度融合是大勢所趨，是解決當(dāng)前教育痛點與難點的有效途徑。

1 相關(guān)理論

虛擬現(xiàn)實概念是20世紀(jì)80年代初期提出的，即通過借助計算機以及當(dāng)前最新傳感器技術(shù)創(chuàng)造出與現(xiàn)實情境在視覺、聽覺、觸覺等多方面比較接近的數(shù)字化環(huán)境[2]，是一種新的人機交互手段。用戶通過使用相關(guān)設(shè)備儀器與虛擬情境中的對象互動，由此獲得真實的體驗與感受。虛擬現(xiàn)實特征主要表現(xiàn)為3方面：沉浸性、交互性、情境性，即3I特性。

在STEAM教育理念推動下，跨學(xué)科融合教育觀念深入中小學(xué)教育教學(xué)。VR技術(shù)與教育結(jié)合，是實現(xiàn)STEAM教育的有效載體，是多種先進技術(shù)與多學(xué)科知識的融合。VR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)教育，改變了傳統(tǒng)“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式，是學(xué)習(xí)者通過自身與信息環(huán)境的相互作用得到知識、技能的新型學(xué)習(xí)方式。VR技術(shù)能夠為學(xué)生提供生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中成為虛擬環(huán)境的參與者，在虛擬環(huán)境中承擔(dān)與扮演相應(yīng)角色，對提升學(xué)生的課堂參與度、積極性、創(chuàng)新能力等都將起到積極作用。

1.1 行為主義學(xué)習(xí)理論

行為主義代表人物桑代克提倡“試誤說”，認(rèn)為學(xué)習(xí)的過程就是刺激與反應(yīng)的聯(lián)結(jié)，從而習(xí)得知識。依據(jù)該理論，VR技術(shù)可以為學(xué)習(xí)者提供一個真實訓(xùn)練環(huán)境，在場景模擬中不斷接受環(huán)境刺激，產(chǎn)生角色代入感，并不斷嘗試與失誤，促使學(xué)生由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識。與真實環(huán)境相比，VR的運用打破了時空限制，并最大限度保證學(xué)習(xí)者的安全；學(xué)習(xí)者能夠主動利用VR技術(shù)自主學(xué)習(xí)，自由選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，自主安排學(xué)習(xí)時間。

1.2 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義認(rèn)為，情境對于知識的建構(gòu)有著重要作用，提倡以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，強調(diào)學(xué)習(xí)者的主動建構(gòu)，合適的情境可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)激情與興趣，催生學(xué)習(xí)動機。VR技術(shù)根據(jù)建構(gòu)主義理論為學(xué)習(xí)者提供技術(shù)支持、仿真場景，有助于學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)與主動建構(gòu)知識體系。學(xué)習(xí)者在一個可自主控制的情境中探索虛擬世界，獲取關(guān)于客觀事物的理性或感性認(rèn)識，激發(fā)個體創(chuàng)新思維與研究性思維。

1.3 認(rèn)知發(fā)展階段理論

皮亞杰認(rèn)為小學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展屬于具體運算階段，也稱為具體運思期，他們能夠根據(jù)經(jīng)驗思維解決問題，使用具體物體操作協(xié)助思考，身心發(fā)展還不成熟，對一些在現(xiàn)實生活中無法完成的實驗或者現(xiàn)象不能通過語言表達(dá)而理解。由此，通過虛擬環(huán)境模擬相應(yīng)實驗或者場景，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中親身體驗，以深入理解較為抽象的現(xiàn)象或知識點。虛擬操作實踐，能夠提高學(xué)生興趣及參與度，集中學(xué)生注意力。

2 融合作用

2.1 改變教學(xué)模式，支持混合式教學(xué)

混合式教學(xué)改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式下教師主宰課堂、單向傳輸，學(xué)生被動接受知識的缺乏創(chuàng)新思維的教學(xué)模式。VR技術(shù)能夠提供立體、多維可視化桌面及形象直觀的交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)習(xí)者提供圖文并茂多種感官刺激，激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣與積極性?；赩R技術(shù)的科學(xué)課堂教學(xué)模式是一種虛實結(jié)合，將體驗式學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合，這種線上線下結(jié)合的教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)方式存在一定差異，但仍然采用班級授課制形式[3]。由教師設(shè)計教學(xué)過程，提供相應(yīng)設(shè)備儀器或虛擬場景，課堂教學(xué)內(nèi)容依附在虛擬場景或者實驗中，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下體驗與操作學(xué)習(xí)。

2.2 改變教學(xué)手段，教學(xué)形式多樣化

相對于傳統(tǒng)教育，虛擬現(xiàn)實技術(shù)解決了教師講課枯燥的缺陷，打破傳統(tǒng)教學(xué)中教師教、學(xué)生記的弊端，讓學(xué)生在做中學(xué)，參與到學(xué)習(xí)過程中。VR技術(shù)與教學(xué)結(jié)合，可采用多種教學(xué)形式。

(1)探究性教學(xué)。一種以解決問題為中心的教學(xué)形式，在VR技術(shù)提供的實訓(xùn)教學(xué)中，有針對性構(gòu)建虛擬環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生自主探究，能夠提供良好的人機交互。學(xué)習(xí)過程中，允許學(xué)生犯錯，通過小組合作與探討，主動分析出錯原因與后果，積極尋求解決問題的辦法。

(2)啟發(fā)式教學(xué)。VR技術(shù)提供給學(xué)習(xí)者身臨其境的場景，自主控制的人機交互，通過視聽觸覺等獲取生動、直觀的素材，展現(xiàn)一些學(xué)生不能從實際中觀察到的事物，形成相應(yīng)的知識點，學(xué)習(xí)者對一個知識點的理解延伸到更大的知識面，拓展思維，使學(xué)習(xí)者在思維、情感、行為等各方面都能參與到教學(xué)活動中。

2.3 改變學(xué)習(xí)方式，打破時空界限

從傳統(tǒng)的“粉筆+黑板”到使用多媒體教室的交互白板，從“全程基本靠講”的知識單向灌輸?shù)脚浜鲜褂闷桨咫娔X等移動終端進行師生交互，科技一直在推動教學(xué)形式的變革。VR技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供相對安全、高效的學(xué)習(xí)環(huán)境，創(chuàng)設(shè)人性化虛擬學(xué)習(xí)空間與沉浸式教學(xué)模式，使學(xué)習(xí)更為輕松、自然，不受時空限制，給予學(xué)習(xí)者極大學(xué)習(xí)選擇空間，解決教學(xué)難點與痛點，實現(xiàn)了資源的可重復(fù)性利用?？萍嫉膽?yīng)用并非要取代“傳統(tǒng)”，而是將各種高科技教學(xué)設(shè)備與信息化教學(xué)手段互補、融合，針對不同學(xué)科、不同類型的知識點，為師生提供更先進、適合、多元化的呈現(xiàn)方式。VR技術(shù)支持下的科學(xué)課堂，提高了教學(xué)效率，也培養(yǎng)了學(xué)生自主實踐與創(chuàng)造的能力[4]。在虛擬情境中，學(xué)生全員參與，有利于師生、生生之間交流，方便教師幫助學(xué)生正確獲取知識。

3 教學(xué)設(shè)計

以教科版小學(xué)科學(xué)四年級上冊第四單元《身體的結(jié)構(gòu)》一課為例。

3.1 教學(xué)分析

《身體的結(jié)構(gòu)》主要向?qū)W生介紹關(guān)于身體結(jié)構(gòu)的不同劃分方式，包括身體外形劃分及各個部分功能劃分，為引發(fā)學(xué)生深入思考，在教學(xué)中組織學(xué)生進行虛擬場景下的觀察與體驗互動。

學(xué)生在三年級時學(xué)習(xí)過《觀察我們的身體》，對人體外部結(jié)構(gòu)有過一定觀察與了解，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生獲得的知識往往是經(jīng)驗性知識而不是科學(xué)知識。VR技術(shù)支持下，學(xué)生可通過佩帶VR眼鏡，觀察身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對身體各個部位進行解剖等，學(xué)生可根據(jù)體驗對所掌握知識及時反饋。

3.2 教學(xué)流程

傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教學(xué)效果受資源不足等因素影響，學(xué)生無法直觀體驗課程內(nèi)容，很難建立起對知識的認(rèn)知。在VR技術(shù)支持下，教學(xué)方式與教學(xué)資源、環(huán)境都產(chǎn)生了巨大變化[5]。本研究基于VR技術(shù)與小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)相結(jié)合設(shè)計教學(xué)過程(如圖1、表1所示)，在小學(xué)教學(xué)中進行實踐。

3.3 教學(xué)效果

與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，《身體的結(jié)構(gòu)》一課利用VR技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)，知識的獲取直觀易得，將復(fù)雜的人體知識結(jié)構(gòu)簡單呈現(xiàn)，增強了知識的可讀性，有助于知識的記憶與理解[6]。學(xué)生全員參與，學(xué)習(xí)積極性有所提高，獲得了良好的課堂體驗。

3.3.1 增強探究精神

VR教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)更加真實可觀，化抽象為具體，這種新興教學(xué)方式非常吸引學(xué)生。教師提供人體結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位圖片與結(jié)構(gòu)場景，學(xué)生在三維空間內(nèi)自主學(xué)習(xí)、探索與研究，根據(jù)自身需要選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，激起學(xué)生探索更多內(nèi)容的欲望，擴展了知識視野，培養(yǎng)了實踐與創(chuàng)新能力。

圖1 VR技術(shù)支持下的教學(xué)流程

表1 《我們的身體》教學(xué)設(shè)計表

3.3.2 加深課堂體驗

VR與教學(xué)結(jié)合，使用zSpace極倍交互式操作筆能把心臟放在眼前，能觀察到心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能感受到心臟的跳動，類似在真實環(huán)境下觀察人體立體結(jié)構(gòu)。增強了學(xué)生的臨場感，加深了知識印象，同時提高了課堂趣味性。

3.3.3 提高參與度

人體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，需要一定數(shù)量的人體標(biāo)本。VR技術(shù)不僅解決了標(biāo)本不足問題，還實現(xiàn)了操作的可重復(fù)性，節(jié)省了教學(xué)資源，提高了教學(xué)效率。

4 結(jié)語

VR技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合將是大勢所趨。VR技術(shù)嵌入小學(xué)科學(xué)課堂，能夠強力促進小學(xué)科學(xué)教育，為科學(xué)教育的發(fā)展進步提供環(huán)境與技術(shù)支持，實現(xiàn)技術(shù)與科學(xué)課堂的結(jié)合[7]，展示了課堂的科學(xué)性，提高了教學(xué)效率，有效培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維與創(chuàng)新能力，創(chuàng)造了更新更有價值的課堂教學(xué)。