基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗式教學(xué)課例研究

張久娟

摘要： 在教育信息化2.0時代，依托現(xiàn)代信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)虛擬環(huán)境，已成為科學(xué)類學(xué)科支持探究活動、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗的重要手段。研究者以“認(rèn)識骨骼”一課為例，整理了基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（以zSpace平臺為支撐）開展的體驗式教學(xué)課例研究過程，呈現(xiàn)了備課與思考、試講與反思、改進(jìn)與探索、完善與檢驗，最終達(dá)成良好教學(xué)效果的具體研究流程，并形成了值得推廣的基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗式教學(xué)模式：探究體驗、體驗反思、抽象概括、遷移應(yīng)用及再體驗的良性循環(huán)。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)；zSpace平臺；體驗式教學(xué)；課例研究；小學(xué)科學(xué)

隨著新技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)類學(xué)科數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計越來越受到重視。在傳統(tǒng)的缺少真實(shí)實(shí)驗、實(shí)訓(xùn)條件的教學(xué)環(huán)境中開展教學(xué)，存在體驗感差、缺少交互性、難以支持探究等缺點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)虛擬情境或虛擬與現(xiàn)實(shí)混合的情境，支持學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)，增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)體驗。其沉浸性、交互性與構(gòu)想性等特點(diǎn)，與體驗式教學(xué)的情境性、開放性、親歷性相得益彰。zSpace平臺作為一個混合現(xiàn)實(shí)交互式軟硬件平臺，可以彌補(bǔ)教學(xué)中環(huán)境、資源欠缺的不足。

在科學(xué)類課程中，開展基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗式教學(xué)課例研究具有現(xiàn)實(shí)意義，越來越多的課例也應(yīng)運(yùn)而生。但由于教學(xué)理念、教學(xué)資源、教學(xué)設(shè)計、反思深度等原因，許多課例有待于進(jìn)一步研究與完善?；趨^(qū)域信息化教學(xué)研究與指導(dǎo)，本課例研究以zSpace混合現(xiàn)實(shí)交互平臺為支撐，以蘇教版小學(xué)科學(xué)四年級下冊“認(rèn)識骨骼”一課為例，呈現(xiàn)課例研究過程，為教師在VR/AR/MR 環(huán)境下開展教學(xué)研究提供參考。

一、備課與思考

骨骼是人體重要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在真實(shí)情境下開展“認(rèn)識骨骼”的體驗式學(xué)習(xí)存在較大難度。傳統(tǒng)教學(xué)多以呈現(xiàn)圖片、播放視頻、展示模型為主要教學(xué)方式與手段，難以促進(jìn)學(xué)生積極的情感體驗，極少量模型也難以滿足學(xué)生開展探究活動的需求。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)設(shè)逼真的學(xué)習(xí)情境、愉快的教學(xué)氛圍，激發(fā)學(xué)生探究人體內(nèi)部骨骼的好奇心和求知欲，形成科學(xué)探究的內(nèi)在動力。

在技術(shù)營造的三維世界里，所有學(xué)生均可以360°觀察逼真的骨骼，還可以很方便地數(shù)骨骼、拼骨骼等，積極的情感體驗有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)動和促進(jìn)學(xué)生對骨骼的認(rèn)知及建構(gòu)。

在分析教學(xué)資源現(xiàn)狀及zSpace平臺功能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，執(zhí)教者對本課教學(xué)進(jìn)行了如下設(shè)計，并進(jìn)行了第一次試講。

教學(xué)目標(biāo)：1.了解人體內(nèi)骨骼的分布與構(gòu)成。知道骨骼是人體的支架，知道成年人體內(nèi)骨骼的數(shù)量。2.知道骨是有生命的，骨可以生長，知道什么是骨髓以及骨髓的功能。3.能夠通過看、摸、敲、掂等多種方法觀察動物骨頭，進(jìn)而了解人體骨頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。4.知道人體骨骼的支撐、保護(hù)、造血等作用。教學(xué)重點(diǎn)是知道骨骼有運(yùn)動、支撐和保護(hù)的作用，難點(diǎn)是拼人體骨骼。

主要教學(xué)過程：教師先出示高樓圖片，問學(xué)生為什么高樓能夠屹立不倒，進(jìn)而引出人體能站立也是因為有骨骼支撐，順利引入新課。接著，教師基于zSpace平臺中的骨骼模型這一三維教學(xué)資源，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識骨骼、了解骨骼分類、數(shù)骨骼等。隨后，教師播放視頻，讓學(xué)生了解骨骼的作用。最后，師生互動討論，增強(qiáng)學(xué)生保護(hù)骨骼的意識。

二、試講與反思：第一次試講教學(xué)觀察及建議

第一次試講，總體感覺課堂教學(xué)環(huán)節(jié)有些混亂，教學(xué)效果欠佳。執(zhí)教者也備感困惑：教學(xué)資源無法滿足體驗式教學(xué)的需要，基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的探究與體驗未達(dá)到預(yù)期效果，活動過程感覺生硬，骨骼特點(diǎn)的教學(xué)環(huán)節(jié)需要技術(shù)建模以支持教學(xué)。

研究者通過教學(xué)觀察與分析，指出第一次試講存在兩個問題：一是教學(xué)過程設(shè)計缺少以生為本的理念，教學(xué)方式與教學(xué)模式需要創(chuàng)新；二是教學(xué)資源（教學(xué)活動）設(shè)計缺乏科學(xué)性，在交互、體驗、交流、探究等方面的設(shè)計也不符合教學(xué)規(guī)律與學(xué)生認(rèn)知規(guī)律。針對問題，研究者提出以下教學(xué)建議。

1.從生活中來，到生活中去。課堂引入要從貼近學(xué)生生活實(shí)際的現(xiàn)象引入。教學(xué)要從生活中來，再回歸到生活中去，要引導(dǎo)學(xué)生對知識進(jìn)行拓展提升、遷移運(yùn)用。

2.運(yùn)用AR技術(shù)，增強(qiáng)情境體驗。教師要通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)激發(fā)學(xué)生興趣，增強(qiáng)學(xué)生體驗，讓虛擬的骨骼框架與真實(shí)的學(xué)生身體疊加，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)與虛擬疊加的情境中學(xué)習(xí)。

3.分解VR資源，促進(jìn)知識建構(gòu)。虛擬環(huán)境下的教學(xué)活動（資源）設(shè)計可以分為兩部分：一部分是骨骼的整體模型認(rèn)識，另一部分則是改進(jìn)原有三維骨骼的整體模型，將不同部位的骨骼分解為獨(dú)立素材，設(shè)計成可支持自主探究的交互式資源，開展探究型活動，從而加深學(xué)生認(rèn)識。

4.虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合。骨骼的特點(diǎn)可通過實(shí)物實(shí)驗來完成（觸摸實(shí)體骨頭感受），這符合科學(xué)類實(shí)驗教學(xué)要求。

三、改進(jìn)與探索：在磨課中探索技術(shù)與教學(xué)的深度融合

（一）教學(xué)改進(jìn)與第二次試講

經(jīng)過指導(dǎo)后，執(zhí)教教師改進(jìn)教學(xué)方法與策略，完成了第二次教學(xué)設(shè)計并進(jìn)行第二次試講。改進(jìn)要點(diǎn)如下。在教學(xué)理念上，樹立以人為本、生活即教育的教學(xué)理念，從生活中學(xué)生不良寫字姿勢引入，讓學(xué)生主動認(rèn)識其負(fù)面影響。通過觀看視頻，學(xué)生了解到不良坐姿對身體的危害以及骨骼的作用，對骨骼的學(xué)習(xí)產(chǎn)生認(rèn)知期待。教師再引導(dǎo)學(xué)生討論如何保護(hù)骨骼健康，拓展至生活中要增強(qiáng)保護(hù)骨骼的意識。在教學(xué)資源上，教師引入AR資源，讓虛擬骨骼與真實(shí)人體疊加，引導(dǎo)學(xué)生觀察體驗，認(rèn)識骨骼及分類，并在原有VR資源整體骨骼素材的基礎(chǔ)上，將不同部位的骨骼分解為獨(dú)立的素材。這樣，學(xué)生可分別認(rèn)識每個部位的骨骼，點(diǎn)擊鼠標(biāo)移向骨骼時，可出現(xiàn)對應(yīng)的知識講解，還可以拼裝骨骼。在教學(xué)策略上，教師讓學(xué)生在真實(shí)情境下，通過觀察與觸摸實(shí)物牛骨（與人骨特點(diǎn)接近），感受骨骼硬、結(jié)實(shí)等特點(diǎn)，并完成實(shí)驗記錄與匯報。

改進(jìn)后的第二次試講，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與活動參與度明顯提高，教學(xué)效果明顯提升，但學(xué)生在VR環(huán)境下數(shù)骨骼時，由于數(shù)量太多，操作VR技術(shù)不熟練，以致沒能完成教學(xué)任務(wù)。研究者通過觀察分析與研討，提出以下教學(xué)建議。1.找準(zhǔn)技術(shù)切入點(diǎn)：教師要充分關(guān)注學(xué)生心理的變化，在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)切入技術(shù)。如對于AR資源的調(diào)用，演示者要先確定位置再調(diào)出資源；教師要引導(dǎo)學(xué)生先觀察3D模型說出自己的結(jié)果，再做補(bǔ)充。2.有效設(shè)置探究：教師要設(shè)置明確清晰的引導(dǎo)性探究任務(wù)，切忌含糊不清，注重對活動過程的指導(dǎo)。3.任務(wù)分解：對于數(shù)骨骼活動，教師可以把活動資源分解成四個活動（課件），學(xué)生分組選擇一個任務(wù)或多個任務(wù)。

（二）思考與再改進(jìn)：第三次試講

執(zhí)教者在吸納研究者建議后做了深入思考，對教學(xué)設(shè)計進(jìn)一步完善，進(jìn)行了第三次試講。第三次教學(xué)設(shè)計改進(jìn)要點(diǎn)如下。

一是把握技術(shù)切入點(diǎn)。教師在學(xué)生站立確定位置后，問學(xué)生想不想看他的骨骼結(jié)構(gòu)，然后通過新技術(shù)變個小魔術(shù)，在學(xué)生好奇心被激活時調(diào)出AR資源。教師再引導(dǎo)學(xué)生觸摸自身骨骼，每摸一處，邊感受邊觀察VR骨骼結(jié)構(gòu)，并點(diǎn)擊交互式課件，了解相關(guān)知識。

二是分解任務(wù)并指導(dǎo)。學(xué)生分組選擇一個或多個任務(wù)開展數(shù)骨骼活動，隨后，教師讓學(xué)生將四部分骨骼拼成一個整體。學(xué)習(xí)任務(wù)有明確的活動步驟與提示，活動過程中教師進(jìn)行觀察指導(dǎo)。

執(zhí)教者改進(jìn)后的第三次試講，師生評價較好，學(xué)生全都表示教學(xué)活動有趣、吸引人，喜歡這樣的課堂。研究者建議將教學(xué)與技術(shù)應(yīng)用進(jìn)一步融合，特別是要思考教學(xué)規(guī)律，適時調(diào)控，把握和引導(dǎo)學(xué)生思維發(fā)展，精益求精。

四、完善與檢驗：最終教學(xué)設(shè)計及效果評價

本課例從初始備課與思考起，經(jīng)過試講與反思、改進(jìn)與探索、完善與檢驗等多次研究，歷時兩個多月。經(jīng)過三次改進(jìn)與驗證，本課例在第四次區(qū)域信息化教學(xué)展示活動中取得了較理想的效果與反饋。第四次教學(xué)設(shè)計的教學(xué)過程如下。

（一）聯(lián)系實(shí)際，引入新知

教師出示一組事先拍攝的學(xué)生坐姿圖片，引導(dǎo)學(xué)生討論哪些坐姿是正確的，哪些是不正確的，不正確的坐姿會對身體有什么危害。接著，教師播放視頻，讓學(xué)生了解脊柱側(cè)彎、頸椎變形等普遍現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考：骨骼很軟嗎，為什么會變形？提示學(xué)生，只有了解骨骼、認(rèn)識骨骼特點(diǎn)，才能更好地保護(hù)骨骼。

（二）活動探究，認(rèn)識人體骨骼系統(tǒng)的構(gòu)成

活動1：AR小魔術(shù)（初步認(rèn)識骨骼，了解骨骼分類）

學(xué)生1站立，教師從屏幕移動AR模型至人體對應(yīng)位置。學(xué)生2邊指邊說出不同部位的骨骼。

教師此時要引導(dǎo)學(xué)生對頭骨、上肢骨、軀干骨、下肢骨做出分類，并引導(dǎo)學(xué)生用其他方法，如根據(jù)硬和軟等對骨骼分類，由此過渡到研究骨骼要使用哪些方法上。

設(shè)計思路：教師通過AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)置虛擬情境，讓真實(shí)與虛擬疊加，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

活動2：摸一摸、猜一猜

教師啟動zSpace平臺，打開課件“活動2”。學(xué)生對照AR模型，分別摸一摸骨頭，認(rèn)識骨骼。

教師提示學(xué)生可以翻轉(zhuǎn)3D模型，從不同角度觀察骨骼，也可以單擊某部位，課件會顯示相應(yīng)骨骼名稱以及相關(guān)知識介紹，還可以邊觸摸邊思考骨骼有什么特點(diǎn)和作用，假如人體沒有骨骼會怎樣。

學(xué)生結(jié)合觀察與觸摸骨骼，填寫記錄單，匯報交流。

記錄單：

摸一摸骨骼，猜猜骨骼的作用。

我感覺骨骼_________，我認(rèn)為骨骼可以_________ ；

我感覺骨骼_________，我認(rèn)為骨骼可以_________ 。

我的問題：__________________？

設(shè)計思路：教師通過虛擬三維資源彌補(bǔ)平面圖片等傳統(tǒng)教具的不足，讓學(xué)生有虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗，并借助課件的交互性實(shí)現(xiàn)自主探究學(xué)習(xí)。

活動3：數(shù)一數(shù)、拼一拼

教師將骨骼VR整體模型分解，根據(jù)頭骨、軀干骨、上肢骨、下肢骨分成四個活動（交互式課件1～4），并拆散各塊骨頭，其中頭骨、胸骨、脊椎等零碎骨頭設(shè)為一個整體，肱骨、橈骨等大骨分別獨(dú)立，讓學(xué)生區(qū)分上臂骨和大腿骨。

學(xué)生分組選擇探究活動（保證四個活動均有人選），將課件中的骨骼進(jìn)行拼裝，并清點(diǎn)數(shù)量，填寫記錄表。探究活動完成后，小組匯報、展示。經(jīng)過討論，學(xué)生做出小結(jié)：人體的骨頭共有206塊，它們共同組成人體的支架——骨骼，具有運(yùn)動、支撐、保護(hù)等作用。

教師補(bǔ)充：嬰兒期人體有300塊骨頭，成長過程中不斷合并，數(shù)目減少。

（三）實(shí)物觀察，了解骨骼特點(diǎn)

在教師引導(dǎo)下，學(xué)生通過牛骨開展以下實(shí)物實(shí)驗活動。

1.拿起紙巾上的牛骨，觀察它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2.畫一畫橫切圖，填寫記錄單。

我發(fā)現(xiàn)：_________ 。

我的結(jié)論：骨骼具有_________的作用。

學(xué)生交流匯報牛骨的特點(diǎn)“又硬又結(jié)實(shí)”，并思考在牛的生長過程中，骨頭會不會變化。

教師引導(dǎo)學(xué)生遷移理解人體骨頭的特點(diǎn)，并介紹骨髓及其作用。

（四）總結(jié)反思，知識應(yīng)用

學(xué)生總結(jié)骨骼的分類、特點(diǎn)、作用。教師引導(dǎo)學(xué)生反思、討論：骨骼受傷，會給生活帶來哪些變化或影響？接著，教師播放視頻對骨骼的變化知識進(jìn)行拓展。學(xué)生進(jìn)一步討論：少年兒童骨骼正在生長發(fā)育階段，應(yīng)該怎樣保護(hù)骨骼，使骨骼長得粗壯堅實(shí)？

（五）課堂小結(jié)（略）

在研究者的組織下，聽課教師對第四次教學(xué)展示進(jìn)行了評價。1.教學(xué)情境：本節(jié)課基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，教學(xué)情境逼真、可交互，解決了真實(shí)環(huán)境不足的教學(xué)難題。2.教學(xué)資源（活動）的設(shè)計：遵循學(xué)生心理特征與認(rèn)知規(guī)律，讓學(xué)生從被動接受變?yōu)橹鲃犹骄浚鰪?qiáng)了學(xué)習(xí)體驗，發(fā)展了學(xué)生思維。3.學(xué)生參與度：學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)主動性、積極性高，實(shí)驗探究的氛圍濃郁。4.教學(xué)過程與效果：教學(xué)過程突出學(xué)生主體地位，教學(xué)策略有效，教學(xué)環(huán)節(jié)流暢自然。課堂教學(xué)效果較好，不同層次學(xué)生目標(biāo)達(dá)成度高。

五、教學(xué)研究啟示

課例研究是研究者與執(zhí)教者共同成長的過程。經(jīng)歷本次課例研究，所有參與其中的教師都受益頗多，在課例打磨的過程中形成以下思考與啟示。

第一，形成了基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗式教學(xué)模式，即讓學(xué)生經(jīng)歷探究體驗、體驗反思、抽象概括、遷移應(yīng)用（可以再體驗）的良性循環(huán)過程。該教學(xué)模式在區(qū)域信息化教學(xué)活動中被多次運(yùn)用，是值得推廣的。當(dāng)然，執(zhí)教者需要根據(jù)教學(xué)需求彈性把握。今后，將在不同學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步深入研究。

第二，新技術(shù)的運(yùn)用要以教育理論為指導(dǎo)，信息化教學(xué)應(yīng)以人為本、以教育為核心。課堂教學(xué)組織以技術(shù)為支持，讓學(xué)生在做中學(xué)，信息技術(shù)與教學(xué)的融合是“教學(xué)+技術(shù)”，而非“技術(shù)+教學(xué)”。

第三，基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的體驗式教學(xué)，要注重情緒心理學(xué)的指引。在教學(xué)中，教師要以引發(fā)學(xué)生積極、健康的情感體驗為目的，構(gòu)建虛擬情境、設(shè)計學(xué)習(xí)活動，要讓學(xué)生愉快輕松、心情舒暢，才能更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)習(xí)成為快樂的活動。

第四，本課例研究通過技術(shù)賦能實(shí)現(xiàn)了以下創(chuàng)新：一是教學(xué)環(huán)境創(chuàng)新，國家教育信息化相關(guān)政策在教育、教學(xué)層面得以落地生根；二是教學(xué)理念創(chuàng)新，以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，有效貫徹了新課程理念；三是育人目標(biāo)創(chuàng)新，促進(jìn)了師生信息素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)的提升。

同時，我們也要認(rèn)識到，新技術(shù)支持下的信息化教學(xué)，不只是使用技術(shù)對教學(xué)環(huán)境與教學(xué)方式賦能，在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型時期，作為教育者，我們應(yīng)進(jìn)一步思考如何借助新技術(shù)對教育教學(xué)進(jìn)行重塑：重塑教學(xué)理念、重塑教學(xué)模式，乃至重塑教學(xué)形態(tài)。

注：本文系南京市“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于沉浸式VR的教學(xué)資源開發(fā)與區(qū)域推進(jìn)研究”（批準(zhǔn)號：LXD/2021/15）及南京市“十四五”規(guī)劃個人課題“基于zSpace平臺的體驗式教學(xué)課例研究”（批準(zhǔn)號：市規(guī)劃個十二字第 Jx0025號）的階段性成果。

（作者系江蘇省南京市浦口區(qū)教師發(fā)展中心信息化教學(xué)教研員）

責(zé)任編輯：牟艷娜