沉浸式學(xué)習(xí)場館支持的STEAM教學(xué)實(shí)施研究

程健鋒 羅家偉 孔晶

摘要：生物學(xué)科是學(xué)校教育中一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科，其兼收并蓄、內(nèi)容豐富，但缺乏學(xué)習(xí)資源，一直是教學(xué)的難點(diǎn)。本研究以初中生物《人體構(gòu)造》的學(xué)習(xí)為例，嘗試融合初中生物、人體構(gòu)造藝術(shù)以及機(jī)械工程相關(guān)課程的內(nèi)容，依托沉浸式學(xué)習(xí)場館開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，以自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作探究的學(xué)習(xí)方式，通過“激發(fā)—感知—內(nèi)化—輸出—總結(jié)”的認(rèn)知過程，形成初中生物學(xué)習(xí)的高效課堂，并將這種跨學(xué)科融合學(xué)習(xí)的方式遷移至其他學(xué)科的學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，提升學(xué)生的知識(shí)、技能核心素養(yǎng)以及知識(shí)應(yīng)用和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：生物學(xué)科;STEAM;沉浸式學(xué)習(xí)場館

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2019）09-0069-03

● STEAM教育概述

1.理念提出

STEM教育理念提出已有30余年，其最初目的是提升大學(xué)本科生的STEM綜合性能力，為科技行業(yè)輸送綜合性人才。[1]在20世紀(jì)末，STEM教育將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至中小學(xué)，同時(shí)其倡導(dǎo)的問題解決驅(qū)動(dòng)型的學(xué)習(xí)方式被廣大中小學(xué)所接納，成為許多國家基礎(chǔ)教育改革政策的主導(dǎo)，同時(shí)也逐漸成為研究熱點(diǎn)。[2]21世紀(jì)初，藝術(shù)（Art）被加入，發(fā)展了STEAM教育理念，形成了“以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過工程和藝術(shù)理解科學(xué)和技術(shù)”的跨學(xué)科的、整合的STEAM教育。

2.內(nèi)涵及本質(zhì)核心

STEAM教育是指為了達(dá)到教學(xué)的預(yù)定目標(biāo)和獲得較好的教學(xué)效果，運(yùn)用信息技術(shù)手段對(duì)參與教學(xué)過程的不同組成要素進(jìn)行選擇、整合、融合和優(yōu)化，使教學(xué)效益達(dá)到最優(yōu)化的理論與實(shí)踐。[3]

STEAM教育的本質(zhì)核心即各學(xué)科之間緊密融合，以整合的教學(xué)方式運(yùn)用信息技術(shù)手段幫助學(xué)生獲取知識(shí)與提升技能，并能進(jìn)行靈活遷移應(yīng)用于解決現(xiàn)實(shí)世界的問題，其最核心的是跨學(xué)科融合學(xué)習(xí)。[4]

3.創(chuàng)新型教育理念對(duì)教育者要求更高

跨學(xué)科融合學(xué)習(xí)是STEAM教育的一個(gè)重要內(nèi)涵，在STEAM教育中最難的就是整合，我們不能僅看其概念表面的幾個(gè)字母，還應(yīng)該注重各部分的連接程度，以科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以科技素養(yǎng)和數(shù)學(xué)思維為輔助，藝術(shù)修養(yǎng)與真實(shí)情景連接各部分，最重要的是最后有真正的成績出來，這才是整合與連接的部分。[5]因此，我們需要培養(yǎng)知識(shí)型、實(shí)用型的創(chuàng)新人才，這就需要有更加專業(yè)的STEAM教育教師以及教學(xué)模式，而學(xué)校作為人才教育、培養(yǎng)基地，需培養(yǎng)學(xué)生綜合技能，提升綜合素質(zhì)，為社會(huì)的發(fā)展提供人才支撐。[6]

● 沉浸式學(xué)習(xí)場館支持的STEAM教學(xué)

虛擬學(xué)習(xí)場館是依托VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)營造一個(gè)虛擬的學(xué)習(xí)空間，學(xué)習(xí)者通過操控交互設(shè)備，進(jìn)入到預(yù)設(shè)的場景進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，并實(shí)時(shí)互動(dòng)，營造一種身臨其境的體驗(yàn)感。沉浸式學(xué)習(xí)場館是虛擬學(xué)習(xí)場館中的一種，其利用沉浸式VR系統(tǒng)中的頭盔、手柄、位置追蹤器等設(shè)備讓用戶產(chǎn)生較強(qiáng)的浸入感與真實(shí)感，其最大的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)交互性、沉浸感與構(gòu)想性，可以突破一般教學(xué)方式中會(huì)遇到的空間、時(shí)間以及器材資源的限制。

本研究以初中生物《人體構(gòu)造》一課為例，分析沉浸式學(xué)習(xí)場館支持的STEAM教學(xué)。在《人體構(gòu)造》這節(jié)課中，學(xué)生需要達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo)有：能夠說出從細(xì)胞到個(gè)體的組成層次以及區(qū)別;分析細(xì)胞學(xué)說的建立過程;認(rèn)同細(xì)胞學(xué)說的建立是一個(gè)開拓、繼承、修正和發(fā)展的過程;討論人在現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)生物技術(shù)的應(yīng)用，如仿生或機(jī)器人技術(shù)等。

1.教學(xué)內(nèi)容：整合機(jī)械工程學(xué)科內(nèi)容

“人體的構(gòu)造”是生物學(xué)習(xí)的一個(gè)重要部分，從生物的角度認(rèn)識(shí)人、了解人的構(gòu)造，能更好地促進(jìn)自身發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。生物一直是科學(xué)發(fā)展特別是在仿生學(xué)領(lǐng)域所研究的必不可少的對(duì)象，在立足自身的前提下，研究各個(gè)事物之間的關(guān)聯(lián)性與共通特點(diǎn)來最大限度地發(fā)展自身潛能，沉浸式學(xué)習(xí)場館恰恰可以做到這一點(diǎn)。在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)運(yùn)用生物學(xué)科知識(shí)且融合機(jī)械工程學(xué)的內(nèi)容來完成知識(shí)點(diǎn)的掌握，會(huì)使學(xué)生在融會(huì)貫通的過程中完成知識(shí)遷移與知識(shí)體系構(gòu)建。所以，本研究將“人體的構(gòu)造”的學(xué)習(xí)與人形機(jī)器人的制作相結(jié)合，嘗試融合生物學(xué)科與機(jī)械工程學(xué)科的課程內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)了解自己進(jìn)而更好地促進(jìn)自己的發(fā)展，從而得到啟示并在生活中運(yùn)用生物知識(shí)。

2.教學(xué)資源：與課堂高度交融

沉浸式學(xué)習(xí)場館憑借有效整合的3D虛擬場景、主體局部構(gòu)造、全景視頻以及重點(diǎn)知識(shí)講解等交互資源，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)一個(gè)虛實(shí)結(jié)合、意境融合的沉浸式學(xué)習(xí)空間以及營造人機(jī)交互式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使得教學(xué)內(nèi)容可感性增強(qiáng)，變得更加可視化、立體化。對(duì)于中學(xué)生來說，情境體驗(yàn)式學(xué)習(xí)尤為重要，所以在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境開展教學(xué)對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及提升技能有著極大的促進(jìn)作用。

本研究中的沉浸式學(xué)習(xí)場館（VR虛擬現(xiàn)實(shí)空間）分為人的發(fā)展歷程、人體組成、人體機(jī)械構(gòu)造和難點(diǎn)講解四個(gè)板塊，它們分別對(duì)應(yīng)了四個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)：“發(fā)展歷程”明確人的由來、“人體組成”知道物質(zhì)組成、“機(jī)械構(gòu)造”明白人體的機(jī)械構(gòu)造原理并應(yīng)用、“難點(diǎn)講解”厘清要點(diǎn)知識(shí)。沉浸式學(xué)習(xí)場館在鼓勵(lì)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)探究、協(xié)作學(xué)習(xí)的同時(shí)高度融合課前、課中、課后的學(xué)習(xí)內(nèi)容，幫助學(xué)生更快地獲取和運(yùn)用知識(shí)，學(xué)習(xí)效率明顯提高。

3.教學(xué)過程：從“人體的構(gòu)造”到人形機(jī)器人的制作

課堂上，根據(jù)建構(gòu)主義理論，基于“情境、協(xié)作、會(huì)話、意義建構(gòu)”四要素開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，以自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作的學(xué)習(xí)方式，借助沉浸式學(xué)習(xí)場館（VR虛擬現(xiàn)實(shí)空間）通過“激發(fā)—感知—內(nèi)化—輸出—總結(jié)”的認(rèn)知過程，形成初中生物學(xué)科知識(shí)運(yùn)用的高效課堂。具體流程如下圖。

（1）激發(fā)：創(chuàng)設(shè)情境

本課以視頻導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)提出問題：人體的構(gòu)造是什么樣的？其與機(jī)器人有什么聯(lián)系嗎？引發(fā)思考。

（2）感知：虛擬空間體驗(yàn)，認(rèn)知體驗(yàn)

沉浸式學(xué)習(xí)場館給人以虛擬的體驗(yàn)，包括感官體驗(yàn)和認(rèn)知體驗(yàn)。在本課中主要體現(xiàn)在：①人體組成板塊。該板塊模擬人體的各個(gè)組成部分及其組成物質(zhì)并以多種顏色渲染區(qū)分，現(xiàn)場版的人體感受能激發(fā)學(xué)生調(diào)動(dòng)全身感官交互學(xué)習(xí)，如身臨其境，學(xué)生可以3D立體操作，自主探究完成對(duì)人體組成的體驗(yàn)。②人體機(jī)械構(gòu)造板塊。在立體操作、全景視頻的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以切換簡單機(jī)械組成模式并對(duì)單體構(gòu)成部件進(jìn)行查看或編輯操作，720度全景視角使學(xué)生能夠更好、更真實(shí)地融入到情境中，查看的同時(shí)可以實(shí)操，極大地提升了情境體驗(yàn)。

（3）內(nèi)化：提煉知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)

根據(jù)建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論，學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的過程是其不斷加工知識(shí)與信息的過程，在接收到外界刺激后大腦會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、加工、處理，最后成為存儲(chǔ)的有用知識(shí)，這是內(nèi)化的過程。人體組成與機(jī)械構(gòu)造板塊的學(xué)習(xí)就是知識(shí)不斷內(nèi)化的過程，前期的“人的發(fā)展歷史”學(xué)習(xí)是知識(shí)儲(chǔ)備，中后期的講解與學(xué)習(xí)是知識(shí)點(diǎn)不斷提煉與加工固化，后期的輸出即產(chǎn)品的制作是知識(shí)的充分運(yùn)用。

（4）輸出、總結(jié)：產(chǎn)品制作、項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)

本課中，利用沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，在虛擬空間交互資源的支持下，教師和學(xué)生可以在一個(gè)真實(shí)的情境進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)。在學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)制作出機(jī)器人后，小組進(jìn)行作品展示與講解，并且總結(jié)項(xiàng)目，對(duì)自己小組的項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與知識(shí)歸類。同時(shí)，學(xué)生還可將制作完成的作品上傳教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行展示。

● 結(jié)論

沉浸式學(xué)習(xí)場館對(duì)STEAM教學(xué)的實(shí)施有著極大的支持作用：為STEAM教學(xué)提供了多學(xué)科融合學(xué)習(xí)的平臺(tái);在教學(xué)硬件上解決了器材不足的問題;在教學(xué)內(nèi)容上，融合了生物學(xué)以及工程學(xué)等學(xué)科的知識(shí)，積極幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移;為STEAM教學(xué)提供大量網(wǎng)絡(luò)資源，讓用戶可以以體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)方式了解知識(shí);在課程評(píng)價(jià)方面，在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上可展示學(xué)生作品并進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

相信隨著教學(xué)硬件的提升、國家信息化教學(xué)的發(fā)展、VR技術(shù)的成熟與普及、相關(guān)課程的研究與實(shí)踐不斷深入，VR技術(shù)在教育領(lǐng)域?qū)?huì)有長足的發(fā)展，這值得我們進(jìn)一步研究和探索。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：程健鋒、羅家偉，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院人文與教育學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)镾TEAM教育與創(chuàng)客教育。