沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

張 莉 ，路虹劍

（1.北京市東城區(qū)文匯小學(xué)，北京 100022；2.北京市東城區(qū)教師研修中心，北京 100022）

0 引言

小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出：“早期的科學(xué)教育對一個人的科學(xué)素養(yǎng)的形成具有十分重要的作用”[1]。特定環(huán)境或具體情境很容易激發(fā)中小學(xué)學(xué)生的好奇心和探知欲，這個年齡段的學(xué)生善于動手，喜歡合作，在這個階段，創(chuàng)設(shè)特定的學(xué)習(xí)情境，提供充分的學(xué)習(xí)資源，為學(xué)生營造一個良好的適合科學(xué)探究的環(huán)境，體驗探究學(xué)習(xí)的過程，對于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)情趣，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)至關(guān)重要。

實驗法作為人類探索自然的基本方法，是小學(xué)科學(xué)探究課上的常用方法。學(xué)生通過親自實驗，觀察現(xiàn)象，會對科學(xué)事實形成直觀的認識，同時也能養(yǎng)成尊重事實的科學(xué)意識。傳統(tǒng)的科學(xué)實驗通常需要有充足的材料作為支撐，然而小學(xué)科學(xué)知識點眾多，涵蓋地理與宇宙科學(xué)、生物科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、技術(shù)與工程等諸多領(lǐng)域，有很多情境是傳統(tǒng)的科學(xué)實驗方法不能完全呈現(xiàn)和表述的，如不復(fù)存在的情境、難以到達的情境、難以觀察的情境等。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)出現(xiàn)已久，筆者經(jīng)過長期的研究和實踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)它在科學(xué)教學(xué)中，對于創(chuàng)設(shè)科學(xué)情境、支持實驗探究等都有出色的表現(xiàn)，解決了一線科學(xué)教師困惑已久的問題，是信息技術(shù)與科學(xué)教學(xué)融合的重要突破。

1 相關(guān)理論及概念解讀

1.1 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，英文名為Virtual Reality，是一項以計算機技術(shù)為核心的綜合集成技術(shù)，涉及3D 圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、立體顯示等高新技術(shù)[2]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前主要有4 種類型，分別是桌面式、分布式、沉浸式和增強式[3]。本文主要研究的是沉浸式虛擬現(xiàn)實，在這種技術(shù)中，用戶一般會配備頭盔、手臂等，將用戶的視覺、聽覺、觸覺等封裝起來，得到一種完全沉浸在虛擬情境中的感受，從而達到學(xué)習(xí)目的。

1.2 情境認知理論

情境認知理論認為個體心理常常產(chǎn)生于構(gòu)成、指導(dǎo)和支持認知過程的環(huán)境中，認知過程的本質(zhì)是由情境決定的，情境是一切認知活動的基礎(chǔ)[4]。知識的學(xué)習(xí)只有被放在特定的情境中時，學(xué)生才能形成豐富的情感體驗，充分發(fā)揮主觀能動性，在交流討論的過程中，進行有意義的知識建構(gòu)，將新的知識與經(jīng)驗內(nèi)化到認知結(jié)構(gòu)中，最終實現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。

情境認知理論十分重視真實情境的創(chuàng)設(shè)，教師應(yīng)當(dāng)建立豐富的蘊含學(xué)習(xí)資源的場景，滿足學(xué)生智力和情感的需要和體驗，使學(xué)生主動體驗，主動建構(gòu)知識。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供的多維立體情境，能夠綜合刺激學(xué)生的視覺、聽覺、觸覺等感官，是其他媒體和教學(xué)環(huán)境所無法比擬的。

1.3 探究性虛擬實驗

科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式之一[1]。科學(xué)探究的流程包括提出問題、猜想假設(shè)、制訂計劃、觀察實驗制作、搜集整理信息、思考與結(jié)論、表達與交流。探究學(xué)習(xí)可以極大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，培養(yǎng)學(xué)生善于思考以及解決問題的技能，通過探究實驗進行知識的意義建構(gòu)。對于一些特殊的內(nèi)容，傳統(tǒng)的真實性探究實驗因?qū)嶒瀳鏊⒉牧系仍驘o法開展，而虛擬實驗中的實驗裝置與實驗環(huán)境具有虛擬性，能夠打破現(xiàn)實實驗的局限性，可以根據(jù)教師的教學(xué)目的進行靈活的調(diào)整以及開放性的搭配，從而得到廣大教育工作者的持續(xù)關(guān)注。

2 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的情境創(chuàng)設(shè)

2.1 不復(fù)存在的情境

這種情境主要是指另一時間的情境，即與學(xué)生現(xiàn)實生活的情境相差較遠的過去或未來，如恐龍時代、未來人工智能時代等。學(xué)生很難從已有認知遷移到對這些概念知識的學(xué)習(xí)。之前我們常用一些視頻、圖片引導(dǎo)學(xué)生，但是如果利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以激發(fā)學(xué)生興趣，使其身臨其境地觀察和思考，形成基于事實的推理和學(xué)習(xí)。

以“穿越古生物時代”為例，本課屬于小學(xué)科學(xué)的生命科學(xué)領(lǐng)域，是新課標(biāo)生命世界第11個主要概念下的第4 小節(jié)，即11.4。首先“一起去穿越”中，學(xué)生佩戴VR 眼鏡，觀察到大象變成了鏟齒象，鴿子變成了孔子鳥，繼而引導(dǎo)學(xué)生思考它們之間有什么關(guān)系。第二階段“一起來變身”中，學(xué)生再次利用VR 技術(shù)，觀察孔子鳥的細節(jié)，如喙、翅膀等，通過給始祖鳥、孔子鳥和鴿子的進化進行排序，發(fā)現(xiàn)生物進化的關(guān)系。第三階段“一起去探秘”中，通過對化石的研究，可以理解動物的進化會根據(jù)不同的環(huán)境而變化，從而形成不同的形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)等，這是動物適應(yīng)它的生活環(huán)境所必需的（如圖1、圖2所示）。

圖1 鳥的細節(jié)

圖2 鳥的進化順序

2.2 難以到達的情境

這種情境主要是指另一空間的情境，如受地域、地理等條件限制，學(xué)生無法到達或親臨體會的知識內(nèi)容，如沙漠、雪山、宇宙等。我們可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行模擬，開展跨時空、跨地域的學(xué)習(xí)模式。

以“太陽系”一課為例，本課對應(yīng)地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域即13.4。根據(jù)五年級學(xué)生的特點，主要了解太陽是太陽系的中心，知道太陽系中有8顆行星，并描述它們在太陽系的相對位置（如圖3所示）。第一步通過VR 眼鏡營造太空環(huán)境，使學(xué)生形象地了解太陽系的空間組成，了解太陽系行星排布的基本規(guī)律。接下來再次利用VR 眼鏡，觀察太陽系，探索8 顆行星的具體特點，發(fā)現(xiàn)每個行星的顏色不同，表面組成也存在差異，土星外側(cè)還有光環(huán)，天王星、海王星、木星外側(cè)也有小光環(huán)。學(xué)生根據(jù)興趣，自主探究太陽系行星的具體資料，通過分析，知道除地球外的其他星球環(huán)境都不適合人類生存，并且發(fā)現(xiàn)行星的自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星環(huán)繞特點。第三步再次通過VR 眼鏡觀察回顧，手繪太陽系結(jié)構(gòu)圖，加深對空間概念的理解。

圖3 八大行星的位置

在操作中，教師把主動權(quán)交給學(xué)生，VR 眼鏡是學(xué)生本節(jié)課遨游太陽系的“宇宙飛船”，沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓學(xué)生以“上帝的視角”觀察外世界景象，通過自己的“操縱”，“飛向”感興趣的星球，獲取數(shù)據(jù)資料，對天體奧秘產(chǎn)生一種破解的喜悅感。

2.3 難以模擬的情境

這種情境主要是指一些災(zāi)害情境和較大范圍的運動場景。日常生活中很難模擬這類情境，如地殼運動中的地震、火山噴發(fā)等。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠呈現(xiàn)虛擬災(zāi)害的情境，讓學(xué)生直觀感受災(zāi)害產(chǎn)生的原因、造成的危害，并學(xué)會在災(zāi)害情境下的自我保護；也能夠很直觀地展現(xiàn)地殼運動、地表變化等大范圍運動情境。

以“地表的變化”為例，本課屬于課標(biāo)中“地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域”的內(nèi)容。這些內(nèi)容比較抽象，學(xué)生很難想象自然界中的風(fēng)雨、流水等是如何塑造著地表的，而借助于VR 技術(shù)可以更好地學(xué)習(xí)。首先學(xué)生利用VR 進行觀察，認識我國的幾種主要地表形態(tài)，知道地球表面有著不同的形態(tài)特點。其次，以一顆鵝卵石的視角，全方位引入本課的地表變化場景中，通過觀察一顆鵝卵石的“旅行”，分析鵝卵石的前世和今生的變化，知道大自然中的風(fēng)雨、溫度、流水等在地表的活動中塑造著地表形態(tài)（如圖4 所示）。在觀察、分析、交流過程中，突破本節(jié)課的重難點。

圖4 地表形態(tài)

2.4 難以觀測的情境

這種情境主要是指生活中難以用肉眼觀察到或觀測準(zhǔn)的情境，如在顯微鏡下觀察的細胞結(jié)構(gòu)、分子原子以及關(guān)于器官內(nèi)部的位置、構(gòu)造、運作等內(nèi)容。平時授課時一般會使用圖片、視頻，但是都過于平面，有些學(xué)生很難馬上接受，需要不斷練習(xí)或很長時間的具象過程。VR 技術(shù)的支持可以幫助呈現(xiàn)這種微生物以及器官或組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、環(huán)境等，不僅可以幫助學(xué)生快速掌握知識，而且對他們的學(xué)習(xí)積極性也有極大提升。

以“肺的保健”一課為例，本課選自首師大版教材《科學(xué)》第四冊“關(guān)愛健康”單元的第三課。屬于新課標(biāo)中“生命世界”中“多種多樣的生物”之動物——人。上課之初，學(xué)生利用沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)體驗三維立體的人體器官（如圖5 所示）。通過炸裂式的模擬圖認識肺的特點，感受肺的位置、外形、作用及整個呼吸系統(tǒng)。第二次VR 體驗，通過觀察呼吸時氧氣進入、二氧化碳排出，了解人體呼吸時氣體進入的路徑和氣體變化的過程，支持了探究的過程。最后階段通過數(shù)據(jù)調(diào)查和資料搜索，得出保持肺的健康是非常重要的結(jié)論。

圖5 三維人體器官

3 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)支持下的探究式實驗教學(xué)

小學(xué)科學(xué)課是一門探究性極強的課程。探究性特點主要體現(xiàn)在探究式學(xué)習(xí)過程中。探究式學(xué)習(xí)流程一般按照“問題導(dǎo)入—猜想假設(shè)—合作探究—信息交流—得出結(jié)論”幾個步驟進行（如圖6 所示）。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在探究式實驗教學(xué)中，也分為導(dǎo)入支持、探究支持和鞏固支持3部分。

圖6 小學(xué)科學(xué)課探究教學(xué)模式的一般過程

3.1 導(dǎo)入支持

沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)對探究式實驗教學(xué)的導(dǎo)入支持，主要是利用VR 導(dǎo)入的多樣性和真實性，創(chuàng)設(shè)與發(fā)現(xiàn)問題，有助于快速引起學(xué)生的關(guān)注和興趣，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高后續(xù)探究環(huán)節(jié)的效率（如圖7 所示）。

圖7 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的導(dǎo)入支持

以“窗花的形成”一課為例，冬天能夠在窗戶里面看到或摸到窗花，而春天的清晨卻是在車窗外面看到和摸到窗花（如圖8 所示）。同樣的現(xiàn)象，形成的位置卻大不一樣。這一情境能夠極大地調(diào)動起學(xué)生的好奇心和探究欲，但是如果課堂上利用視頻或圖片進行情境的介紹及引入，就會顯得黯淡失色。此時，可以借助沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)并結(jié)合4D 技術(shù)，創(chuàng)設(shè)真實的情境，讓學(xué)生觀察并感知，使學(xué)生將過往的生活經(jīng)驗和課堂的情境感知迅速合二為一，為接下來進行科學(xué)探究做了良好的鋪墊。

圖8 窗花

3.2 探究支持

沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)對探究式實驗教學(xué)的探究支持，主要是通過提供探索工具和資源，引導(dǎo)學(xué)生動手進行探究實驗、驗證假設(shè)、解決問題，如在前例中對太陽系和八大行星的位置關(guān)系的研究（如圖9 所示）。

圖9 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的探究

以“四季變化”為例，本課選自首師大版教材“科學(xué)”第四冊“共有的家園”單元的第三課。“四季變化”的成因是比較難的內(nèi)容，以往的教學(xué)中，通常會利用視頻或?qū)嵨锬Ｐ停龑?dǎo)學(xué)生操作并探究成因，但是由于模型的真實性和具象性有限，學(xué)生很難將它抽象成具體的天體和位置，理解起來比較困難。引入沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)之后，學(xué)生可以在探究實驗開始后，通過VR 手柄進行操作，通過VR 眼鏡進行觀測，以一個“站在地球上某一位置的巨人”的視角，以宏觀的角度觀測四季變化時地球與太陽的位置以及地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)（如圖10 所示），從而探究成因，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在本節(jié)課的探究環(huán)節(jié)，可以極大地輔助學(xué)生的探究過程，為學(xué)生驗證假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律提供支持。

圖10 地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)

3.3 鞏固支持

沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)對探究式實驗教學(xué)的鞏固支持，通常是在學(xué)生交流匯報或拓展練習(xí)時，將沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于其中，加深學(xué)生對知識的理解。在虛擬現(xiàn)實情境下完成交流匯報，完成練習(xí)，有助于學(xué)生理解和鞏固知識，同時也鞏固探究解決的思路和方法（如圖11 所示）。

圖11 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的鞏固支持

以“奇妙的光與色”為例，五年級學(xué)生對于彩虹的形成都有了解，這些了解從課外書、視頻中獲得，幾乎沒有學(xué)生對此產(chǎn)生質(zhì)疑，但在訪談時發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于多種色光混合成為白光的事實并不肯定，多數(shù)學(xué)生會把光的顏色與顏料的顏色混為一談，造成對光顏色的錯誤認識。本節(jié)課利用VR 技術(shù)，觀察太陽光在小水珠的作用下分散成7 種色光，發(fā)現(xiàn)不同色光和陽光照射物體的差異。更重要的是，本節(jié)課學(xué)生可以控制多種色光的合成，學(xué)生一邊操作，一邊將實驗的結(jié)果投射在VR 設(shè)備中，便于其他學(xué)生的觀察，為學(xué)生驗證實驗以及匯報探究過程提供支持。本課最后一個拓展環(huán)節(jié)，學(xué)生再次佩戴VR 眼鏡，感受“如果太陽光不包含這么多的顏色，只剩下其中一種或兩種顏色，會是什么樣子”。通過這一環(huán)節(jié)的拓展練習(xí)，借助VR 技術(shù)更深入地認識熟悉的太陽光包含多種顏色的光，如果沒有多種顏色混合的太陽光，我們看到的世界會跟現(xiàn)在完全不同，生活中美麗多姿的色彩也會變少，培養(yǎng)學(xué)生熱愛自然、尊重科學(xué)的價值觀。

4 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用價值與未來展望

沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)拓展了教學(xué)形式，突破了時空局限性，豐富了科學(xué)教學(xué)模式，提高了科學(xué)課堂探究解決環(huán)節(jié)的有效性，提高了學(xué)習(xí)效率。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)⒊橄蠡癁樾蜗螅S富科學(xué)教學(xué)資源形式，幫助學(xué)生多視角觀察事物、分析事物，讓學(xué)生全面了解知識點、解決知識難點；同時，提高教師信息化教學(xué)的解決能力和學(xué)科素養(yǎng)，為教師提供一個豐富的廣闊的發(fā)展平臺。

當(dāng)然，沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)也有它目前的局限性，如虛擬現(xiàn)實資源不足、難以留下學(xué)習(xí)痕跡、技術(shù)不能完全普及、掌握難度較高等。未來，隨著沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，應(yīng)當(dāng)加快小學(xué)科學(xué)VR 資源庫的建設(shè)；同時，教師應(yīng)當(dāng)思考VR 技術(shù)與其他信息化技術(shù)手段和工具的結(jié)合使用，實現(xiàn)虛擬教學(xué)和實體教學(xué)的真正融合，以期最大限度地提高課堂效率，指導(dǎo)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)。