虛實(shí)結(jié)合巧解暗箱

小學(xué)科學(xué)教材中有許多學(xué)習(xí)內(nèi)容屬于解暗箱的類型，這些內(nèi)容是不能直接被感知的，但根據(jù)一定的可感知的外部情況，可以間接推斷出來。在這些學(xué)習(xí)活動(dòng)中，常常通過引導(dǎo)學(xué)生反復(fù)感知那些可感知的事物的外部情況，研究有關(guān)事實(shí)，抓住推理的突破口，間接推斷出事物的本質(zhì)和特征，探索其內(nèi)部奧秘。

《食物在體內(nèi)的旅行》是一節(jié)典型的“解暗箱”課。本課教學(xué)，通常的做法是：調(diào)動(dòng)學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合人體解剖學(xué)的圖示，輔以各種食物在部分消化器官中發(fā)生變化的模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)人體消化道的主要器官，以及各器官的主要作用。有的教學(xué)更進(jìn)一步，也僅僅是采用一些清晰度較低的內(nèi)窺鏡視頻，幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)個(gè)別消化器官如胃的作用的了解。這樣教學(xué)，從整體上來看，學(xué)生雖然興致較高，思維也比較活躍，但對(duì)各消化器官在人體中所處的部位把握不夠精確，對(duì)消化道部分器官順序的認(rèn)識(shí)往往有偏差，對(duì)部分消化器官結(jié)構(gòu)及其作用的認(rèn)識(shí)有限。

現(xiàn)代三維技術(shù)的發(fā)展，尤其是3D影像和VR互動(dòng)等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，為我們嘗試使用新的技術(shù)手段幫助學(xué)生將“暗箱”轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)實(shí)世界類似的環(huán)境，從而重新設(shè)計(jì)和實(shí)施《食物在體內(nèi)的旅行》一課的教學(xué)提供了可能。

一、利用3D影像，實(shí)現(xiàn)透視觀察

在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件下，我們使用3D影像的方式，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)消化道進(jìn)行整體認(rèn)知和觀察。學(xué)生帶上3D眼鏡，觀看3D影像，師生就被虛擬為即將進(jìn)入消化道的食物這一角色，師生一起經(jīng)歷人體消化道的虛擬環(huán)境，按照完全正確的虛擬路徑“進(jìn)入其中”，詳細(xì)觀察各種消化器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

在這個(gè)過程中，學(xué)生以食物這一虛擬角色進(jìn)入人體消化道，隨著進(jìn)入不同的消化器官，“食物”自身發(fā)生著變化，同時(shí)觀察到所處的消化器官結(jié)構(gòu)，如光滑的食管、口袋般滿是褶皺的胃、彎彎繞繞且絨毛密布的小腸，以及各個(gè)消化器官的不同運(yùn)動(dòng)方式。所到之處，皆是“身臨其境”。這種直接獲取的經(jīng)驗(yàn)，使學(xué)生很容易將食物的變化與器官的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式聯(lián)系起來，大大提高了學(xué)習(xí)效率。這樣教學(xué)，充分考慮到小學(xué)生的心理特征，體現(xiàn)了生動(dòng)性，強(qiáng)化了表現(xiàn)力，保持了學(xué)生的注意力，并通過減少不必要的干擾信息，把學(xué)生的注意力引向要學(xué)習(xí)的信息。教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，即使完成3D影像的觀看，走出虛擬的全過程，學(xué)生也很容易調(diào)動(dòng)短時(shí)記憶，將所觀察到的現(xiàn)象和過程清晰地再現(xiàn)出來，與外部所能感受到的器官運(yùn)動(dòng)能夠緊密聯(lián)系起來，對(duì)消化器官與食物變化的認(rèn)識(shí)更充分。

二、利用3D交互，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合

在指導(dǎo)學(xué)生探究消化道各器官的順序及其在人體中所處部位時(shí)，我們采用了桌面VR+AR教學(xué)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)主要由桌面級(jí)VR交互一體機(jī)和VR、AR交互軟件組成。“VR+AR+教育軟件”將教學(xué)從平面圖像轉(zhuǎn)變到虛擬現(xiàn)實(shí)，該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)單人（教師或?qū)W生）的VR交互操作，配合AR交互軟件還能將使用者的體驗(yàn)過程投射到另一屏幕或第二臺(tái)監(jiān)視器上，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能，可將真實(shí)環(huán)境與虛擬圖層疊加后展現(xiàn)給學(xué)生，旁觀者裸眼也能看到隔空操縱模型的效果。我們將主要的消化器官以虛擬實(shí)物的方式零散呈現(xiàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的意愿對(duì)虛擬的實(shí)物進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或縮放，通過對(duì)虛擬實(shí)物的操作來完成學(xué)習(xí)。

第一層操作，學(xué)生通過操作筆，夾取虛擬器官，按照順序擺放和組合，通過系統(tǒng)判定操作的準(zhǔn)確性，獲取對(duì)消化道主要器官順序的正確認(rèn)知。

第二層操作，學(xué)生從桌面提取個(gè)別消化器官，移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和伸縮，觀察器官的外部形態(tài)。

第三層操作，學(xué)生用操作筆操控個(gè)別消化器官，進(jìn)行分解，進(jìn)一步觀察器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。

學(xué)生最感興趣且效果最好的當(dāng)屬增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)操作了，操作者可以邀請(qǐng)一位同學(xué)與虛擬環(huán)境融合，桌面上的消化器官可根據(jù)受邀者體型實(shí)現(xiàn)成比例縮放，然后由操作者夾取不同的虛擬消化器官，從桌面轉(zhuǎn)移到受邀者身體相應(yīng)的部位，其他學(xué)生討論后指引操作者擺放虛擬的器官，最后系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別、提示擺放的準(zhǔn)確性。通過增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)手段，所有學(xué)生不僅在虛擬環(huán)境中能夠準(zhǔn)確組合消化道，而且每個(gè)孩子都能在脫離虛擬環(huán)境后準(zhǔn)確指出食道、胃、小腸、大腸在自己身體中所處的部位，大大提升了教學(xué)效能。

我們充分運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開展本課教學(xué)時(shí)，沒有放棄實(shí)驗(yàn)對(duì)比、實(shí)物模擬等教學(xué)手段。如作為整個(gè)消化道最便于直接觀察的口腔，我們既可以讓學(xué)生照鏡子觀察自己口腔的結(jié)構(gòu)，還可以讓學(xué)生將食物分成兩組，一組食物未經(jīng)口腔直接觀察，另一組食物在咀嚼后吐進(jìn)透明塑料袋密封觀察，對(duì)比食物的變化并結(jié)合照鏡子的觀察，認(rèn)識(shí)口腔的結(jié)構(gòu)與作用。再比如，選用塑料直管、細(xì)橡膠管、粗波紋管分別模擬食道、小腸和大腸，尤其是為了表現(xiàn)小腸的長度而將7米長的細(xì)橡膠管完全展開的過程，同樣帶給學(xué)生強(qiáng)烈的感官刺激，激發(fā)了他們的興趣且形成深刻的認(rèn)知。

通過實(shí)踐我們也發(fā)現(xiàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種教育工具仍處于早期階段。我們自身缺乏相關(guān)軟件的制作能力，且投入的成本比較高，軟件制作者與實(shí)際使用者之間還缺乏必要的溝通。前面所使用的3D影像還需要提高交互性，應(yīng)當(dāng)以片段化的方式呈現(xiàn)并與桌面VR實(shí)現(xiàn)對(duì)接，從而更有效地讓學(xué)生在主動(dòng)操作中學(xué)習(xí)。

可以預(yù)期，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，VR、3D影像等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)成為小學(xué)科學(xué)教學(xué)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景的“明星”技術(shù)，它的“沉浸性”“交互性”與“構(gòu)想性”，不僅有利于科學(xué)教師構(gòu)建一種全新、多變的教學(xué)環(huán)境，而且為學(xué)生提供了一種可以進(jìn)行交互、直觀、自主探索的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)方法，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高他們科學(xué)學(xué)習(xí)的效果。

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