基于虛擬現實技術的海洋科普教學實踐研究

馮茹 李芮溪

中國海洋大學（山東省青島市 266100）

1 引言

隨著國家對中小學信息化建設的不斷推進，近幾年的學校課堂里教師一般都會通過放映PPT 來進行教學，而且大部分教室中都安裝有多媒體教學裝置，用以完成課堂教學任務，然而幻燈片無法達到三維立體圖的展示效果，許多知識點都是以形式化的方法進行傳遞，課件和學習者都是分割的，兩者之間無法形成直接互動，無法引發學生的學習興趣，影響到課堂教學效果[1]。虛擬現實軟件可以通過創建一個逼真的學習環境，使教師、學習者和參與者投入到逼真的學習環境中，從而提高學生學習積極性，改善教學效果[2]。VR 應用在近幾年越來越受到國家的重視。為貫徹落實習近平總書記有關加強思想實踐教育工作的重要指示精神，同時也貫徹執行全國高等學校思想政治工作會議精神，教育部按照《教育信息化十年發展規劃（2011-2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要點》等有關規定，決定基于學校實驗教學改革和國家實驗教學項目信息化發展規劃，于2017-2020 年在全國普通本科院校實施國家示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作。VR技術在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020 年）》中被列為未來最有潛力的科技之一[3]。在《2017 新媒體聯盟中國高等教育技術展望：地平線項目區域報告》報告中，虛擬現實技術也被列為重要的教育技術，報告中指出，虛擬現實技術具有高沉浸性、交互性的特征，這些特征非常有助于促進學生的深度學習的發生[4]。在教學應用方面，國外虛擬現實技術在教學中的具體應用非常廣泛，如愛爾蘭皇家外科醫學院：在道路交通事故后體驗并模擬醫生救助情景，為“患者”提供正確的幫助[5]。Neal E.Seymour 指出虛擬現實手術系統帶來了新的體驗式學習的機會，在醫學中使用虛擬現實來訓練外科醫生已經得到了大量實驗數據的支持[6]。Jang 等學者利用虛擬現實設備Dextroscope 設計了操作性的3D解剖課程，模擬操作人體解剖過程，增強人體結構理解[7]。Potkonjak 等學者綜述了虛擬現實實驗室在物理電磁學、化學實驗和機器人技術等課程中的應用情況[8]。我國的虛擬現實技術起步較晚，在20 世紀70 年代才有相關研究產生，我國VR 在教育領域的初探可以追溯到天津大學基于VRML 國際標準，最早開發了虛擬校園，可以代表我國虛擬現實技術應用教育的開啟了新篇章[9]。

隨著十八大建設海洋強國戰略的提出，加強海洋科普教育、提高國民海洋意識勢在必行。海洋科普教育在各個層級的政策文本中均有體現[10]，《國家海洋事業發展規劃綱要》同樣提及“把普及海洋知識納入國民教育體系，在中小學開展海洋基礎知識教育”。因此，海洋科普在中小學教育中也尤為重要。然而，我國內陸地區的科普教育一般以組織觀看海洋知識宣傳片、閱讀海洋書籍與文獻、參觀海洋生物、礦物標本以及海洋裝備模型等學習活動為主[11]，然而，這種灌輸式的科普難以調動公眾的情緒，互動性和啟發性較差，活動效果不理想，無法滿足國家戰略計劃推進的客觀要求，科普教育推行方式也應根據實際需要作出靈活調整[12，13]。將虛擬現實應用到中小學的海洋科普教育中，可以發揮其高沉浸性、交互性的特征，有助于促進學生的深度學習，是一種新型且有效的思路和方法。

青島被譽為“帆船之都”，作為海洋科普教學實踐研究基地有著得天獨厚的優勢。青島市地方海洋課程《藍色的家園：海洋教育篇》是青島市推出的海洋教育系列教材，具有重要海洋科普意義。為了驗證基于虛擬現實技術的海洋科普教學的可行性和有效性，強調加強中小學海洋基礎知識普及，本文選擇青島地方海洋課程五年級下冊《藍色的家園》中的帆船知識點進行案例設計，通過設計準實驗研究，最終得出實施結果，對結果進行分析。

2 實驗部分

（1）實驗對象。本研究選取青島市一所優秀小學五年級2 班和3 班兩個班級的學生為實驗對象，研究設計2 班為對照班，使用傳統的教學方式進行教學，3 班為實驗班，采取基于虛擬現實技術的海洋科普教學方式開展教學。（2）取樣方法。為了保證實驗班和對照班的初始能力水平相差不大，在開展實驗之前，利用測試題測試兩個班級的帆船知識水平，并用問卷調查學生對于帆

船學習態度、學習效果等情況進行考察。以前測結果為依據，選取初始水平相當并且教學進度相同的兩個班級。（3）實驗變量。本研究的自變量為教學方式，對照班級采取傳統的教學方式，實驗班級采取基于虛擬現實技術的海洋科普教學方式。本研究的因變量為學生學習成效，主要從學生作品、學習成績來分析。（4）實驗處理。為排除無關變量對于實驗結果的影響，對于實驗教學的授課教師、教學時間、授課環境等方面都進行了具體安排。首先，授課教師均為同一老師，傳統授課方式僅在最終提交作品的環節以小組為單位制作提交，上課過程均采取教師講授、學生聽課的形式，兩個班級教學內容、教學時長一致，教學時間分別為每周二上午第四節和周五上午第四節；其次，除了對照班教室擁有20臺VR 眼鏡設備作為輔助資源，其他授課環境一致。（5）實驗方法。本研究采用的實驗方法有：準實驗研究法，對照班使用傳統的教學方式進行教學，實驗班采取基于虛擬現實技術的海洋科普教學方式開展教學，最后通過對主題作品評價、成績測試的數據分析來對比對照班和實驗班之間的帆船教學成效。（6）實驗內容。本研究選用五年級青島地方海洋課程教材《藍色的家園：海洋教育篇》中的內容。其中上冊課本共有八個章節，第一章《我愛帆船運動》，第二章《帆船之都》，在對教材內容進行進一步研究的基礎上，根據基于虛擬現實技術的海洋科普教學設計的原則，以及學生對知識技能的需求，對教學內容進行重新組織和架構，確定《帆船之都》、《帆船結構》、《帆船駕駛》內容設計海洋科普教學。

3 結果與討論

本課題內容選自青島地方海洋課程《藍色的家園：海洋教育篇》第一章，內容實踐性較強，主要圍繞如何駕駛帆船展開教學。本案例主題的知識內容聚焦于應用VR 技術模擬帆船駕駛，通過VR 技術操作的相關知識技能點的學習，體驗真實的帆船駕駛。根據帆船駕駛的流程，將學會駕駛帆船中所涉及的知識技能點進行組織連結，因此將教材中《我愛帆船運動》章節中相關知識內容進行組合，補充必要的知識點，重新架構學習內容。《虛擬帆船運動》是一款通過虛擬現實技術打破空間限制的VR 帆船體驗軟件。本課題通過VR 輔助資源的支持下讓體驗者乘坐游輪，沿途欣賞青島奧帆中心、情人壩、燈塔等青島地標美景；通過三維建模技術，重建帆船真實結構，打破時空限制，讓內陸地區的學生也有條件進一步了解帆船結構，并進行帆船模擬駕駛，懂得通過哪幾部分結構啟動帆船，駕駛帆船體驗帆船的加速、轉向等體感。虛擬現實與帆船駕駛相結合，以不同的方式感受帆船駕駛的樂趣。此外，本研究的案例實施者為五年級小學生。大部分學生在之前的日常生活中接觸過帆船運動，對這項運動有一定的概念，也產生了相應的學習興趣。此外，小學生思維活躍，善于動手，對于實踐類課程具有較高的學習積極性，但由于帆船駕駛訓練成本高，無法滿足學生的需求，因此設置合適的虛擬現實主題情境能夠充分激發學生的創造性和探究意識。主要采用自主探究和小組合作相結合的教學方式開展學習活動。首先學生根據任務要求進行VR 帆船資源的自主探究學習，在建立自己的思考和認知體系后，再分組分工進行交流學習，通過合作完成主題作品。教師組織學生開展探究活動，學生是學習的主體，參與主動學習，教師為學生答疑解惑，通過教師的有意義的指導，學生在探究合作、評價優化活動中達成學習目標。

實驗班和對照班學生在實施結束后，每個小組都將提交一份完整的學習作品。根據成果作品的評價量表可以對學生提交的任務成果進行量化評價。參考龔圓圓在其研究中設計的作品評價量表，筆者提出的具體的評價標準如表1 所示，為方便進行教學量化評價，將評分結果進行劃分，85 分以上為優秀，65-84 分為良好，65 分以下為差。

表1 主題作品評價量表

為驗證評價量表的信度，在正式評分前，邀請帆船教師對隨機抽取的三份作品進行打分，結果一致性較高，因此采用該評價量表進行作品評分。

作品的評價量表包括作品的內容設計、作品的完整性、指導性、匯報和交流四個方面，首先對每一項的總分進行合計，然后再算出每個方面的平均分，以此來分析學生的學習成果，最終算得的平均分統計如表2。通過比較可以發現，實驗班的學生作品在這四個方面的得分都高于對照班，總分統計也明顯優于對照班，說明其主題作品的質量實驗班要優于對照班，表明基于虛擬現實技術的海洋科普教學有利于激發學生興趣，發揮學生的探究學習動力，促進學生個性發展。

表2 教學實踐中作品得分統計表

具體分析來看，在內容設計方面，對照班學生設計的內容都比較粗糙，無法體現出帆船知識體系的重難點，而且內容準確性低，有很多無關步驟，許多關鍵的步驟都沒有體現出來，與實際生活情況并不一致，只是簡單的知識點羅列；反觀實驗班學生提交的作品，重難點一目了然，知識體系完整，內容豐富，主題重難點突出，內容明確。

在完整性方面，對照班學生作品知識點殘缺，而且對一些技能性質的要點理解都很淺顯，基本都是簡單的知識點文字堆砌；實驗班部分學生在對知識內容的加工中使用了圖解等方法，文字的講解更加生動，并寫出了駕駛帆船的直觀感受，帆船各部分結構的功能也更理解，相比于對照班，作品在完整及實用上有明顯優勢。

在指導性方面，對照班的學生作品較為粗略，只是簡單的知識點羅列，不具有指導性；實驗班學生提交的作品對于帆船相關知識的處理更詳細具體，知識點的融合更加協調，步驟流暢，描述更貼近實際操作情況，更具有實際帆船技能學習的指導性。

在交流和評價階段，對照班之間僅僅在制作作品的環節進行了合作，由于分工都不是很明確，所以合作環節比較混亂，在交流評價時也不能準確表述他們合作產出的作品，而且作品的內容不連貫，無法流暢進行表達，實驗班在海洋科普教學和虛擬現實技術輔助資源的支持下，對于知識內容理解更加通透，合作探究活動也更充實，分工也更明確，對于作品的評價交流邏輯清晰。

為了保證實驗班和對照班的初始能力水平相差不大，在開展實驗之前，利用測試題測試兩個班級的帆船知識水平，研究設計2 班為對照班共20 人，使用傳統的教師講授、學生聽課方式進行教學，3 班為實驗班共20 人，采取基于虛擬現實技術的海洋科普教學方式開展教學。兩個班級共40 名學生進行帆船知識測試，測試題包括帆船之都、帆船結構、帆船駕駛相關知識點。

實驗前采用獨立樣本t 檢驗分析兩個班對于成績是否有顯著性差異，根據表3 可知，兩個班級對于成績均無顯著性差異（p＞0.05），說明兩個班級對于成績表現一致，符合研究要求，可以進行試驗。總結可知：實驗班與對照班對于成績沒有表現出顯著性差異。以前測結果為依據，可以判斷兩個班級帆船知識水平接近，適合進行對照實驗。

表3 前測成績分析t 檢驗分析結果

實驗后采用獨立樣本t 檢驗分析兩個班對于成績是否有顯著性差異，根據表4 可知：兩個班對于成績呈現出顯著性差異（p＜0.05）。具體對比差異可知，實驗班的平均值（23.15），會明顯高于對照班的平均值（20.80）。總結可知：實驗班與對照班對于成績呈現出顯著性差異，實驗班的成績優于對照班。

表4 后測成績分析t 檢驗分析結果

4 總結

通過本次教學實施，在對照班級實施傳統教學活動，實驗班級實施基于虛擬現實技術的科普教學活動，對最終的教學效果進行一個分析，由實驗班和對照班的兩個班級學生的學習成效后測數據比較可以得到，基于虛擬現實技術的海洋科普教學活動相對于傳統教學活動，其更有利于提高帆船課堂的教學成效。原因在于：基于虛擬現實技術的海洋科普教學活動靈活運用教學方式，在虛擬現實技術的支持下將學生自主探究學習和小組合作學習相結合，提供豐富的學習輔助資源和多元化評價方式，提升學生學習興趣，激發思維火花；而傳統教學活動缺乏真正意義上的合作學習，教師依舊是課堂中的主導者，學生們作為傾聽者，評價方式單一，有意義學習難以發生。