基于VR技術(shù)的小學(xué)科學(xué)課例設(shè)計(jì)

陳久東 王玉龍

摘? 要 闡述虛擬現(xiàn)實(shí)的概念和特點(diǎn)，分析小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中的教學(xué)理念與要求，在此基礎(chǔ)上以體驗(yàn)式和探究式學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)課例，希望為小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞 VR技術(shù);VR設(shè)備;小學(xué)科學(xué);沉浸式教學(xué);探究式學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G623.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）07-0113-03

1 虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)涵

虛擬現(xiàn)實(shí)的概念界定? 虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）目前主要應(yīng)用于醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，在教育或課堂教學(xué)中應(yīng)用比較少。它涉及眾多學(xué)科，如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、模擬仿真等。由組成的技術(shù)可以看出，它可以給人以視覺上的沖擊、聽覺上的藝術(shù)、觸覺上的真實(shí)感等，還可以創(chuàng)建不存在的或者存在卻難以呈現(xiàn)的虛擬環(huán)境，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)交互[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)

1）真實(shí)性。VR技術(shù)可以構(gòu)建模型，創(chuàng)設(shè)場景，進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，對科學(xué)事件的產(chǎn)生與發(fā)展過程進(jìn)行仿真與模擬，再現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象。VR技術(shù)可以讓學(xué)生“置身于現(xiàn)場”，觀察到在現(xiàn)實(shí)生活中難以觀察到的事物、現(xiàn)象，讓學(xué)生在貼近真實(shí)的環(huán)境中去學(xué)習(xí)知識(shí)，讓學(xué)生比較直觀地觀察到科學(xué)現(xiàn)象。在“輸送血液的泵——心臟”課例設(shè)計(jì)中，運(yùn)用VR技術(shù)再現(xiàn)立體心臟模型，可以讓學(xué)生通過觀察心臟模型，認(rèn)清心臟的位置，通過尺子測量了解心臟的大小，利用切片功能辨別心臟壁的厚薄。

2）交互性。VR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并有及時(shí)的反饋功能。VR技術(shù)可以再現(xiàn)生活情境，創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究場景，仿真科學(xué)現(xiàn)象。在“輸送血液的泵——心臟”課例設(shè)計(jì)中，學(xué)生通過與VR進(jìn)行交互觀察和探索心臟模型，并填寫VR設(shè)備里關(guān)于本節(jié)課的相關(guān)習(xí)題，通過VR設(shè)備的及時(shí)反饋，了解血液流動(dòng)方向、血管和心房心室的連接以及瓣膜的結(jié)構(gòu)，推測心臟的功能，提高課堂教學(xué)的生動(dòng)性和交互性。

3）沉浸性。VR技術(shù)可以高度還原真實(shí)場景，讓學(xué)生沉浸在虛擬的、可以實(shí)時(shí)交互和反饋的、與切身經(jīng)歷相似的環(huán)境中去學(xué)習(xí)知識(shí)。在“輸送血液的泵——心臟”課例設(shè)計(jì)中，利用VR設(shè)備探究心臟的結(jié)構(gòu)與功能，通過與VR設(shè)備實(shí)時(shí)交互，以及根據(jù)VR設(shè)備的及時(shí)反饋，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺，讓學(xué)生感受和掌握本節(jié)課學(xué)習(xí)的知識(shí)。

2 小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)解讀[2]

小學(xué)科學(xué)課程性質(zhì)? 小學(xué)科學(xué)課程是基礎(chǔ)性課程，學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中，通過自學(xué)、互學(xué)、群學(xué)等方式掌握科學(xué)知識(shí)、方法與技能，為今后繼續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。小學(xué)科學(xué)課程是實(shí)踐性課程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生親自參與生活化的課堂學(xué)習(xí)或課外實(shí)踐調(diào)查等，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和積極的科學(xué)態(tài)度，幫助其掌握科學(xué)方法。小學(xué)科學(xué)是綜合性課程，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在解決問題的過程中善于綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)（如科學(xué)、語文、數(shù)學(xué)、社會(huì)、哲學(xué)、技術(shù)、工程等）解決實(shí)際問題，并強(qiáng)調(diào)各學(xué)科之間要相互滲透，以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，為其成為復(fù)合型人才打下基礎(chǔ)。

小學(xué)科學(xué)課程的基本理念? 小學(xué)科學(xué)課程要面向全體學(xué)生，照顧到每個(gè)學(xué)生的心理、生理和實(shí)際經(jīng)歷，并且主張教師根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)開展探究式教學(xué);學(xué)生在參與教學(xué)活動(dòng)的過程中，通過完成一系列學(xué)習(xí)任務(wù)掌握科學(xué)知識(shí)、方法與技能，并能根據(jù)掌握的知識(shí)初步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。小學(xué)科學(xué)課程強(qiáng)調(diào)保護(hù)小學(xué)生的天性，即活潑好動(dòng)且對世界萬物充滿好奇，他們對科學(xué)的學(xué)習(xí)也不例外，充滿熱情，渴望探索未知的科學(xué)奧秘，這有利于學(xué)生的繼續(xù)學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)。小學(xué)科學(xué)課程突出學(xué)生的主體地位，教師在科學(xué)課堂上要對學(xué)生進(jìn)行合理組合以形成學(xué)習(xí)小組，讓學(xué)生在自學(xué)、互學(xué)、群學(xué)中打破原有知識(shí)結(jié)構(gòu)并建構(gòu)新知識(shí);同時(shí)，教師要在學(xué)生有疑難或困惑時(shí)，及時(shí)提供相關(guān)學(xué)習(xí)資源或幫助，以保證學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的順利進(jìn)行。

小學(xué)科學(xué)課程目標(biāo)? 《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》將科學(xué)技術(shù)作為課程目標(biāo)之一，并要求將學(xué)習(xí)目標(biāo)定為培養(yǎng)在現(xiàn)實(shí)生活中會(huì)生存的人。在科學(xué)教學(xué)中，根據(jù)科學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)，選擇科學(xué)主題或項(xiàng)目時(shí)要從社會(huì)、資源、自然、環(huán)境、生態(tài)、科技和日常生活等實(shí)際問題出發(fā)，學(xué)習(xí)的內(nèi)容要與學(xué)生的生活息息相關(guān);教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，要將科學(xué)課堂交給學(xué)生，改變教學(xué)方式，改變師生互動(dòng)方式，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中完成學(xué)習(xí)任務(wù)，掌握科學(xué)知識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)社會(huì)、學(xué)會(huì)生存的本領(lǐng)。

可見，虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)性、交互性和沉浸性的特點(diǎn)與小學(xué)科學(xué)新課標(biāo)的核心理念高度一致，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)中，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，為促進(jìn)學(xué)生終身學(xué)習(xí)、適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)奠定基礎(chǔ)。

3 基于VR技術(shù)的小學(xué)科學(xué)課例設(shè)計(jì)

沉浸式教學(xué)理論和探究式學(xué)習(xí)理論? 美國心理學(xué)家Mihaly Csikazezentmihal最早提出沉浸理論（Flow Theory），它是指人們在參與某種活動(dòng)時(shí)，非常專注地投入該活動(dòng)中，并從中感受到滿足和快樂[3]。我國學(xué)者余璐和周超飛認(rèn)為，沉浸式教學(xué)是教育者在社會(huì)生產(chǎn)生活或科技發(fā)展的背景下，利用信息技術(shù)手段構(gòu)建貼近學(xué)生、貼近自然、現(xiàn)實(shí)中不存在或難以呈現(xiàn)的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境中去體驗(yàn)、探究、獲取、理解知識(shí)，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促使他們沉浸在學(xué)習(xí)活動(dòng)中，以達(dá)到提高教學(xué)效率的目的[4]。

探究式學(xué)習(xí)從學(xué)習(xí)目標(biāo)出發(fā)，是教師根據(jù)社會(huì)生產(chǎn)生活、自然、生態(tài)、環(huán)境等真實(shí)現(xiàn)象創(chuàng)設(shè)情境，并提出與科學(xué)課堂相關(guān)的、有針對性的、真實(shí)存在的問題，讓學(xué)生通過教師提供的學(xué)習(xí)資源（視頻、案例等）對問題進(jìn)行猜想假設(shè)，并根據(jù)自己的已有知識(shí)設(shè)計(jì)探究方案，在貼近生活的、真實(shí)的實(shí)踐中掌握科學(xué)知識(shí)、方法與技能，最后以獲取科學(xué)知識(shí)、樹立正確科學(xué)思想、學(xué)習(xí)科學(xué)技能與方法為目的的學(xué)習(xí)方式[5]。

綜上可知，在以沉浸式教學(xué)理論和探究式學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)的課堂中，學(xué)生是主動(dòng)者。在科學(xué)課堂上，教師首先創(chuàng)設(shè)問題情境，并把學(xué)習(xí)過程置于各種真實(shí)或虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中，使學(xué)生沉浸其中并體驗(yàn)身臨其境之感。

基于VR技術(shù)的小學(xué)科學(xué)課例設(shè)計(jì)? 本研究以沉浸式教學(xué)理論與探究式學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，結(jié)合小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的理念與要求，設(shè)計(jì)基于VR技術(shù)的小學(xué)科學(xué)課例。

【課程名稱】輸送血液的泵——心臟

【教學(xué)對象】小學(xué)六年級

【目標(biāo)設(shè)計(jì)】

1）科學(xué)知識(shí)：概述心臟的位置、大小以及結(jié)構(gòu)，說明心臟的功能;識(shí)別人體心臟的解剖圖并通過VR嘗試探索心臟結(jié)構(gòu);認(rèn)同生物體結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)。

2）科學(xué)探究：利用VR設(shè)備探索心臟結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)作探究的能力;通過分析心臟結(jié)構(gòu)與其功能，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析的思維能力。

3）科學(xué)態(tài)度：通過VR觀察立體心臟模型，激發(fā)學(xué)生的好奇心和對科學(xué)學(xué)習(xí)的興趣;利用VR設(shè)備的交互式探索功能，讓學(xué)生對科學(xué)學(xué)習(xí)充滿求知欲;通過互學(xué)、群學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)意識(shí)。

4）科學(xué)技術(shù)社會(huì)與環(huán)境：通過對心臟相關(guān)疾病的調(diào)研，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到心臟對人體的重要性，并鼓勵(lì)學(xué)生將來從事醫(yī)學(xué)，在國家需要時(shí)，要像戰(zhàn)士一樣，敢于上戰(zhàn)場，勇于擔(dān)當(dāng);通過對心臟知識(shí)的學(xué)習(xí)，知道如何在環(huán)境、飲食和健身等方面保護(hù)好心臟;通過將VR設(shè)備融入科學(xué)課堂的學(xué)習(xí)，學(xué)生感嘆科技的進(jìn)步與發(fā)展，鼓勵(lì)學(xué)生長大后從事與科技相關(guān)的職業(yè)。

【教學(xué)環(huán)節(jié)】

①教師活動(dòng)：教師引導(dǎo)學(xué)生通過脈搏、手的感受來體會(huì)心跳;通過AR實(shí)體觸感方式體驗(yàn)心臟跳動(dòng)，感受心臟的跳動(dòng)（平靜時(shí)和運(yùn)動(dòng)時(shí)），探究心臟的位置、大小，心臟的結(jié)構(gòu)和功能。

②學(xué)生活動(dòng)：將右手放到胸口左側(cè)和左手手腕感覺心臟的搏動(dòng);通過VR觀察、感受心臟平靜與快跑時(shí)的心跳;通過AR實(shí)體觸感方式體驗(yàn)心臟跳動(dòng)（圖1）。

③設(shè)計(jì)意圖：激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引出本節(jié)課。

2）猜想假設(shè)。

①教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生對上述問題進(jìn)行猜想假設(shè)。

②學(xué)生活動(dòng)：在教師的引導(dǎo)下，對教師給出的問題做出假設(shè)。

③設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生分析問題并能夠?qū)υ搯栴}設(shè)計(jì)解決方案，為接下來的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。

3）設(shè)計(jì)探究。

①教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生利用VR設(shè)備探究心臟的位置、外形和大小，心臟的結(jié)構(gòu)與功能，心臟是如何工作的。

②學(xué)生活動(dòng)：利用VR設(shè)備對教師提出的問題進(jìn)行探究，通過自主解剖立體模型，認(rèn)清心臟的位置（圖2）;利用尺子測量心臟的大?。▓D3）;利用切片功能辨別心臟壁的厚?。▓D4）;進(jìn)行小組探究活動(dòng)，借助VR設(shè)備立體解剖心臟，利用攝像機(jī)功能主動(dòng)獲取有關(guān)心臟的知識(shí)，包括血液流動(dòng)方向、血管和心房心室的連接以及瓣膜的結(jié)構(gòu)，推測心臟的功能（圖5）。

③設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生感嘆科技的發(fā)展，喜歡上新技術(shù);為學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)、適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)奠定基礎(chǔ);通過探索心臟外形、結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析的思維能力和合作交流能力。

4）處理數(shù)據(jù)。

①教師活動(dòng)：組織學(xué)生收集整理實(shí)驗(yàn)探究過程中的數(shù)據(jù)。

②學(xué)生活動(dòng)：對實(shí)驗(yàn)探究過程中記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、歸納和整理;上傳觀察到的切片以及心臟結(jié)構(gòu)的填圖，并介紹觀察的路徑。

③設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力。

5）得出結(jié)論。

①教師活動(dòng)：巡視小組討論進(jìn)展，鼓勵(lì)每個(gè)學(xué)生踴躍發(fā)言，總結(jié)心臟的結(jié)構(gòu)與功能。

②學(xué)生活動(dòng)：總結(jié)心臟的結(jié)構(gòu)與功能，并嘗試講解心臟工作的原理。

③設(shè)計(jì)意圖：訓(xùn)練學(xué)生的總結(jié)能力。

6）表達(dá)交流。

①教師活動(dòng)：組織學(xué)生匯報(bào)科學(xué)探究報(bào)告并對別人的探究報(bào)告給予評價(jià)，同時(shí)檢測學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

②學(xué)生活動(dòng)：寫出簡單的探究報(bào)告，能正確運(yùn)用科學(xué)術(shù)語口頭敘述探究過程和結(jié)果（可采用輔助手段）。

③設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)寫作能力、思辨能力和語言表達(dá)能力。

7）知識(shí)拓展。

①教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生調(diào)查與心臟相關(guān)的疾病和探索如何保護(hù)心臟。

②學(xué)生活動(dòng)：交流自己的調(diào)查結(jié)果，并說出收集資料的方法、遇到的問題等。

③設(shè)計(jì)意圖：落實(shí)科學(xué)教育目標(biāo)理念，讓學(xué)生意識(shí)到心臟對人體的重要性，以及知道如何保護(hù)心臟。

8）教學(xué)反思。將VR新技術(shù)第一次融入課堂，教師要仔細(xì)記錄課堂中出現(xiàn)的問題，以便及時(shí)改正。學(xué)生也是第一次使用VR技術(shù)，學(xué)習(xí)過程中有疑惑或不懂的地方要及時(shí)反饋給老師，通過請教老師、同學(xué)或上網(wǎng)查找相關(guān)學(xué)習(xí)資料解決學(xué)習(xí)中的疑惑，以提高自身能力。

4 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開始應(yīng)用于教育領(lǐng)域，利用VR技術(shù)手段創(chuàng)設(shè)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在高度還原真實(shí)的情境下探究問題，提高了課堂教學(xué)的生動(dòng)性和互動(dòng)性，促進(jìn)了新課標(biāo)的相關(guān)理念與要求在教學(xué)實(shí)踐中的落實(shí)。本研究設(shè)計(jì)的基于VR技術(shù)的小學(xué)科學(xué)課例可為小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)提供參考和借鑒。

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