基于VR技術的小學科學課例設計

陳久東 王玉龍

摘? 要 闡述虛擬現實的概念和特點，分析小學科學課程標準中的教學理念與要求，在此基礎上以體驗式和探究式學習理論為指導，基于VR技術設計課例，希望為小學科學課程教學提供參考與借鑒。

關鍵詞 VR技術;VR設備;小學科學;沉浸式教學;探究式學習

中圖分類號：G623.6? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）07-0113-03

1 虛擬現實的內涵

虛擬現實的概念界定? 虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）目前主要應用于醫療、軍事等領域，在教育或課堂教學中應用比較少。它涉及眾多學科，如計算機圖形學、人工智能、模擬仿真等。由組成的技術可以看出，它可以給人以視覺上的沖擊、聽覺上的藝術、觸覺上的真實感等，還可以創建不存在的或者存在卻難以呈現的虛擬環境，并可進行實時交互[1]。

虛擬現實的特點

1）真實性。VR技術可以構建模型，創設場景，進行交互設計，對科學事件的產生與發展過程進行仿真與模擬，再現科學現象。VR技術可以讓學生“置身于現場”，觀察到在現實生活中難以觀察到的事物、現象，讓學生在貼近真實的環境中去學習知識，讓學生比較直觀地觀察到科學現象。在“輸送血液的泵——心臟”課例設計中，運用VR技術再現立體心臟模型，可以讓學生通過觀察心臟模型，認清心臟的位置，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技術可以實現人機交互，并有及時的反饋功能。VR技術可以再現生活情境，創設科學探究場景，仿真科學現象。在“輸送血液的泵——心臟”課例設計中，學生通過與VR進行交互觀察和探索心臟模型，并填寫VR設備里關于本節課的相關習題，通過VR設備的及時反饋，了解血液流動方向、血管和心房心室的連接以及瓣膜的結構，推測心臟的功能，提高課堂教學的生動性和交互性。

3）沉浸性。VR技術可以高度還原真實場景，讓學生沉浸在虛擬的、可以實時交互和反饋的、與切身經歷相似的環境中去學習知識。在“輸送血液的泵——心臟”課例設計中，利用VR設備探究心臟的結構與功能，通過與VR設備實時交互，以及根據VR設備的及時反饋，使學生產生身臨其境的感覺，讓學生感受和掌握本節課學習的知識。

2 小學科學課程標準解讀[2]

小學科學課程性質? 小學科學課程是基礎性課程，學生在科學學習過程中，通過自學、互學、群學等方式掌握科學知識、方法與技能，為今后繼續學習打下基礎。小學科學課程是實踐性課程，強調學生親自參與生活化的課堂學習或課外實踐調查等，以培養學生的科學探究能力和積極的科學態度，幫助其掌握科學方法。小學科學是綜合性課程，強調學生在解決問題的過程中善于綜合運用多學科知識（如科學、語文、數學、社會、哲學、技術、工程等）解決實際問題，并強調各學科之間要相互滲透，以培養學生的發散思維，為其成為復合型人才打下基礎。

小學科學課程的基本理念? 小學科學課程要面向全體學生，照顧到每個學生的心理、生理和實際經歷，并且主張教師根據學生的特點開展探究式教學;學生在參與教學活動的過程中，通過完成一系列學習任務掌握科學知識、方法與技能，并能根據掌握的知識初步設計實驗。小學科學課程強調保護小學生的天性，即活潑好動且對世界萬物充滿好奇，他們對科學的學習也不例外，充滿熱情，渴望探索未知的科學奧秘，這有利于學生的繼續學習和終身學習。小學科學課程突出學生的主體地位，教師在科學課堂上要對學生進行合理組合以形成學習小組，讓學生在自學、互學、群學中打破原有知識結構并建構新知識;同時，教師要在學生有疑難或困惑時，及時提供相關學習資源或幫助，以保證學生學習活動的順利進行。

小學科學課程目標? 《義務教育小學科學課程標準（2017版）》將科學技術作為課程目標之一，并要求將學習目標定為培養在現實生活中會生存的人。在科學教學中，根據科學學習目標，選擇科學主題或項目時要從社會、資源、自然、環境、生態、科技和日常生活等實際問題出發，學習的內容要與學生的生活息息相關;教師作為學生學習的引導者，要將科學課堂交給學生，改變教學方式，改變師生互動方式，讓學生在學習活動中完成學習任務，掌握科學知識，從而培養學生適應社會、學會生存的本領。

可見，虛擬現實的真實性、交互性和沉浸性的特點與小學科學新課標的核心理念高度一致，將虛擬現實技術融入小學科學課程教學中，可以激發學生的學習興趣，培養學生的創新能力，為促進學生終身學習、適應現代社會奠定基礎。

3 基于VR技術的小學科學課例設計

沉浸式教學理論和探究式學習理論? 美國心理學家Mihaly Csikazezentmihal最早提出沉浸理論（Flow Theory），它是指人們在參與某種活動時，非常專注地投入該活動中，并從中感受到滿足和快樂[3]。我國學者余璐和周超飛認為，沉浸式教學是教育者在社會生產生活或科技發展的背景下，利用信息技術手段構建貼近學生、貼近自然、現實中不存在或難以呈現的虛擬學習環境，讓學生在仿真的學習環境中去體驗、探究、獲取、理解知識，完成學習任務，激發學習興趣，促使他們沉浸在學習活動中，以達到提高教學效率的目的[4]。

探究式學習從學習目標出發，是教師根據社會生產生活、自然、生態、環境等真實現象創設情境，并提出與科學課堂相關的、有針對性的、真實存在的問題，讓學生通過教師提供的學習資源（視頻、案例等）對問題進行猜想假設，并根據自己的已有知識設計探究方案，在貼近生活的、真實的實踐中掌握科學知識、方法與技能，最后以獲取科學知識、樹立正確科學思想、學習科學技能與方法為目的的學習方式[5]。

綜上可知，在以沉浸式教學理論和探究式學習理論為指導的課堂中，學生是主動者。在科學課堂上，教師首先創設問題情境，并把學習過程置于各種真實或虛擬的學習環境中，使學生沉浸其中并體驗身臨其境之感。

基于VR技術的小學科學課例設計? 本研究以沉浸式教學理論與探究式學習理論為指導，結合小學科學課程標準的理念與要求，設計基于VR技術的小學科學課例。

【課程名稱】輸送血液的泵——心臟

【教學對象】小學六年級

【目標設計】

1）科學知識：概述心臟的位置、大小以及結構，說明心臟的功能;識別人體心臟的解剖圖并通過VR嘗試探索心臟結構;認同生物體結構和功能相適應的觀點。

2）科學探究：利用VR設備探索心臟結構，培養學生協作探究的能力;通過分析心臟結構與其功能，培養學生綜合分析的思維能力。

3）科學態度：通過VR觀察立體心臟模型，激發學生的好奇心和對科學學習的興趣;利用VR設備的交互式探索功能，讓學生對科學學習充滿求知欲;通過互學、群學，培養學生的合作學習意識。

4）科學技術社會與環境：通過對心臟相關疾病的調研，讓學生認識到心臟對人體的重要性，并鼓勵學生將來從事醫學，在國家需要時，要像戰士一樣，敢于上戰場，勇于擔當;通過對心臟知識的學習，知道如何在環境、飲食和健身等方面保護好心臟;通過將VR設備融入科學課堂的學習，學生感嘆科技的進步與發展，鼓勵學生長大后從事與科技相關的職業。

【教學環節】

①教師活動：教師引導學生通過脈搏、手的感受來體會心跳;通過AR實體觸感方式體驗心臟跳動，感受心臟的跳動（平靜時和運動時），探究心臟的位置、大小，心臟的結構和功能。

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

③設計意圖：激發學生的學習興趣，引出本節課。

2）猜想假設。

①教師活動：引導學生對上述問題進行猜想假設。

②學生活動：在教師的引導下，對教師給出的問題做出假設。

③設計意圖：學生分析問題并能夠對該問題設計解決方案，為接下來的學習做準備。

3）設計探究。

①教師活動：引導學生利用VR設備探究心臟的位置、外形和大小，心臟的結構與功能，心臟是如何工作的。

②學生活動：利用VR設備對教師提出的問題進行探究，通過自主解剖立體模型，認清心臟的位置（圖2）;利用尺子測量心臟的大小（圖3）;利用切片功能辨別心臟壁的厚薄（圖4）;進行小組探究活動，借助VR設備立體解剖心臟，利用攝像機功能主動獲取有關心臟的知識，包括血液流動方向、血管和心房心室的連接以及瓣膜的結構，推測心臟的功能（圖5）。

③設計意圖：讓學生感嘆科技的發展，喜歡上新技術;為學生繼續學習、適應現代社會奠定基礎;通過探索心臟外形、結構，培養學生綜合分析的思維能力和合作交流能力。

4）處理數據。

①教師活動：組織學生收集整理實驗探究過程中的數據。

②學生活動：對實驗探究過程中記錄的數據進行收集、歸納和整理;上傳觀察到的切片以及心臟結構的填圖，并介紹觀察的路徑。

③設計意圖：培養學生處理數據的能力。

5）得出結論。

①教師活動：巡視小組討論進展，鼓勵每個學生踴躍發言，總結心臟的結構與功能。

②學生活動：總結心臟的結構與功能，并嘗試講解心臟工作的原理。

③設計意圖：訓練學生的總結能力。

6）表達交流。

①教師活動：組織學生匯報科學探究報告并對別人的探究報告給予評價，同時檢測學生的學習效果。

②學生活動：寫出簡單的探究報告，能正確運用科學術語口頭敘述探究過程和結果（可采用輔助手段）。

③設計意圖：培養學生的科學寫作能力、思辨能力和語言表達能力。

7）知識拓展。

①教師活動：引導學生調查與心臟相關的疾病和探索如何保護心臟。

②學生活動：交流自己的調查結果，并說出收集資料的方法、遇到的問題等。

③設計意圖：落實科學教育目標理念，讓學生意識到心臟對人體的重要性，以及知道如何保護心臟。

8）教學反思。將VR新技術第一次融入課堂，教師要仔細記錄課堂中出現的問題，以便及時改正。學生也是第一次使用VR技術，學習過程中有疑惑或不懂的地方要及時反饋給老師，通過請教老師、同學或上網查找相關學習資料解決學習中的疑惑，以提高自身能力。

4 結語

隨著科技的發展，虛擬現實技術也開始應用于教育領域，利用VR技術手段創設虛擬學習環境，讓學生在高度還原真實的情境下探究問題，提高了課堂教學的生動性和互動性，促進了新課標的相關理念與要求在教學實踐中的落實。本研究設計的基于VR技術的小學科學課例可為小學科學課程教學提供參考和借鑒。

參考文獻

[1]Yelland N， kalantzis M， Cope B， learning by Design：?Creating effective contexts for curriculum and peda-gogies in contemporary times[M]//Society for Infor-mation Technology & Teacher Education International Conference，2006：1888-1891.

[2]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準 2017版[S].北京：北京師范大學出版社，2017.

[3]李青，趙越.具身學習國外研究及實踐現狀述評：基于2009—2015年的SSCI期刊文獻[J].遠程教育雜志，2016，34（5）：59-67.

[4]余璐，周超飛.論我國高等教育中的沉浸教學模式與實踐[J].河南社會科學，2012，20（6）：78-80.

[5]邊均萍.小學科學新課標課程內容分析及教學案例設計：以“技術與工程”領域為例[D].濟南：山東師范大學，2018.