VR技術在初中生物項目式教學中的應用

張瑩 楊 圓 楊貝貝 張芷靜

（陜西師范大學 教育學部，陜西 西安 710000）

一、引言

項目式教學將學生置于真實的問題情境中，融合學科背景知識，引導學生主動探索問題，充分發(fā)揮學生的主體地位。隨著信息技術的飛速發(fā)展，VR 技術在基礎教育領域的應用研究有明顯的增長趨勢，對教學效果產生了總體較為積極的影響[1]。VR 技術在學科教學中的應用已經屢見不鮮，傳統(tǒng)生物課堂的教學模式亟須革新。虛擬場景體驗是VR 技術應用于生物課堂最大的優(yōu)勢。2021 年，賽迪研究院發(fā)布《虛擬現(xiàn)實產業(yè)發(fā)展白皮書（2021 年）》，目前虛擬現(xiàn)實技術在K12 教育階段已經得到一定范圍的應用，正在積極推動基礎教育信息化高質量發(fā)展。新課改下初中生物學科強調全面提升中學生的生物學素養(yǎng)，倡導學生自主學習，教師需要引用新的技術手段，創(chuàng)新教學模式，突破傳統(tǒng)教學模式的局限。將基于VR 技術的項目式教學引入生物課堂，為學生提供虛實結合的探索空間，可以提升學生對生物學的理解力，提高教師的教學效率。

二、初中生物教學中存在的問題

初中生物教材涉及的抽象內容較多，但教師組織的課堂實驗活動較少，學生對生物學概念的理解不深刻，停留在表層，師生缺乏互動，沒有形成良好的教學氛圍。在教學理念上，多以教師講授為主，學生缺乏探究，對知識的理解較淺，長此以往，學生的興趣大幅度降低，學習效果不理想；在教學方式上，教師在實踐教學中，教學方式單一、落后，缺乏創(chuàng)新，難以調動學生的學習積極性，生物課堂枯燥；在角色定位上，教師在教學中對自己的定位模糊，學生的主體地位沒有在教學中得到充分體現(xiàn)，阻礙了學生的生物學科核心素養(yǎng)的提升。新媒體背景環(huán)境下，教師應創(chuàng)新教學模式，構建激發(fā)學生學習熱情的高效生物課堂，將新型信息技術應用到實踐教學中，探索新的教學模式。在項目式教學中引入VR 技術，結合教材內容，利用虛擬場景，通過生動化的體驗式學習方式激發(fā)學生的學習興趣，寓教于樂，提高教學效率。

三、VR 技術與生物項目式教學結合的可行性和優(yōu)勢分析

（一）VR技術特點

VR 技術具有構想性、沉浸性和交互性三大特征，這些特征極大地克服了傳統(tǒng)教學環(huán)境的限制，有利于激發(fā)學習者的學習動機，增強學習體驗，實現(xiàn)情境學習和知識遷移[2]。虛擬現(xiàn)實技術能夠還原真實的場景，并與虛擬場景中的對象進行交互，讓學習者沉浸在虛擬世界中。VR 技術可以實現(xiàn)微觀的3D 場景，如幫助學習者進行一次穿越人體的探秘旅程，模擬呈現(xiàn)人體真實的消化系統(tǒng)結構，向學生動畫演示食物進入人體消化系統(tǒng)的整個反應過程。

（二）項目式教學特點

項目式教學遵循“以學生為中心”的教學原則，強調自主學習，學生圍繞某一個真實且與現(xiàn)實生活緊密結合的問題，主動探究，解決問題。項目式教學為學生提供了一個真實的、引人入勝的學習情境，在解決問題的過程中，學生能夠充分利用豐富的信息化工具資源開展項目學習。項目式教學將學與用合二為一，在探究現(xiàn)實問題和創(chuàng)作項目作品的過程中，學生的批判性思維能力、問題解決能力、語言表達能力都得到發(fā)展[3]。

（三）項目式教學引入VR技術的優(yōu)勢

1.提高學生的參與度

常規(guī)的項目式教學在實施過程中，缺乏真實情境，學生在項目實踐中對復雜、抽象的生物知識的學習探索仍存在困難。在項目式學習活動中，許多學習項目在實際實施中容易演變成學生被動參與，學生容易變成項目活動中的旁觀者。而引入VR 技術后，學生在進行虛擬體驗時會更加投入，學生的團體參與度也更高。由于學生的學習能力、知識基礎和性格特點等的不同，在項目式教學實施過程中經常會遇到一些阻礙，如部分學生學習積極性和參與度較低，存在渾水摸魚的現(xiàn)象。因此，提供一個能激發(fā)全體學生學習興趣的項目環(huán)境尤為重要，確保每個學生都能主動參與到知識探索的活動中。

2.增強學生對知識點的理解

傳統(tǒng)生物課堂教學中，師生互動環(huán)節(jié)較少，多以講授、PPT 展示為主，學生探究體驗部分受到限制，大多依賴死記硬背、重復記憶的學習方式。引入VR 教育資源，創(chuàng)設虛實結合的教學情境，即“真聽、真看、真感覺”，將復雜知識簡單化，學生的學習效果更佳。生物學科中的許多核心知識可以借助技術手段用更生動的方式呈現(xiàn)，如學生佩戴VR 眼鏡和頭盔，3D 生物模型出現(xiàn)在學生視野中，學生操作VR 手柄，模擬操作真實的眼球解剖過程，加深學生對眼部結構的認識，更有利于學生對生物抽象概念的理解。

3.提高學生的專注力

虛擬現(xiàn)實沉浸式教學環(huán)境提供了多通道感知和復合型信息檢索的機會，能夠幫助學習者集中注意力和深層次信息檢索[4]。VR 技術應用于項目式教學，提供沉浸式的體驗和別樣的角色代入，對學生具有很強的吸引力，學生在交互體驗中探索新知，大大提高了學習興趣，寓教于樂，學生學習的主動性更強，學習專注力更高。

四、基于VR技術的項目式教學模式

在國內項目式學習實踐應用中，張文蘭、張思琦等人從國家課程重構的視角，提出了網(wǎng)絡環(huán)境下基于課程重構理念的項目式學習模式，包括項目設計、項目實施和項目評價等環(huán)節(jié)，強調學生在真實情境中探究問題。本文項目式教學模式構建中，結合了張文蘭提出的項目式學習的核心環(huán)節(jié)，并介入新技術，引入VR 教育云平臺，該模式下的項目實施將具有高度的體驗感。在專門為學生創(chuàng)設的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，項目探究任務切合教材主題，緊扣教學目標，將VR 技術自身的優(yōu)勢與項目式教學結合，有利于深入開展項目式教學，學習成效也會顯著。筆者重新考慮了項目式教學模式的元素，綜合分析了VR 技術與項目式教學結合的可行性與優(yōu)勢，根據(jù)基礎教育實踐教學的特點，構建了基于VR 技術的項目式教學模式，具體結構見圖1。

（一）VR教育云平臺

VR 教育資源設計采用飛蝶公司自主研發(fā)的VR 沉浸式教育云平臺，該平臺主要包括VR 智慧教學管理系統(tǒng)，XR 課件創(chuàng)編工具，優(yōu)質課程資源等。平臺支持虛擬現(xiàn)實技術教學形式，通過5G、虛擬現(xiàn)實、人工智能等技術，融合基礎教育各學科知識，讓學生在虛擬世界的知識情境中進行體驗式、互動式學習。此外，平臺實現(xiàn)了VR 沉浸式教學管理模式，輔助教師教學，提升教學效果。借助VR 技術創(chuàng)設高逼真、多感知的學習情境，帶給學生可交互、可探索的沉浸式學習體驗。在這種高度自由的交互體驗中，易于激發(fā)學習興趣，引導學生積極投入到復雜問題的解決中，注重學習的過程，充分發(fā)揮學生的主體地位，滿足數(shù)字時代高效教學的需求，助力基礎教育創(chuàng)新發(fā)展。

（二）項目設計

項目設計是項目式教學實施的前提，由學科教師、教研專家和VR 教育資源開發(fā)團隊等共同設計、開發(fā)完成。學科教師和教研專家負責對教材的精準解讀以及前期腳本的設計，并與技術團隊及時溝通、反饋。腳本設計通過后，技術團隊完成后期腳本的開發(fā)與測試，制作出符合學科課程目標的虛擬教學資源，并保障其能在虛擬教學平臺上運行。

（三）項目實施

項目實施包括情景引入、問題解決、實踐探究、沉浸學習、交互創(chuàng)作等步驟，是項目式教學的核心。學生是項目實踐的主體，在虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)中，學生利用教師提供的技術工具，如頭盔、手柄等，完成別具一格的交互體驗式學習任務。在此期間，教師可通過顯示屏觀察學生探索學習的具體情況并提供及時的指導，幫助學生完成項目任務。在項目式教學實施過程中，教師的身份是多重的，在項目開展前，教師是項目的設計者，確定好契合所授學科知識的項目主題，緊扣課程目標，不脫離實際；在項目活動開展中，教師又是觀察者和引導者，為學生提供項目學習資源，觀察學生在整個項目實施中的變化，給予指導和幫助。

（四）項目評價

項目評價主要包括作品展示和總結反思，是整個項目式教學的重要組成部分。項目式教學評價的方式豐富多樣，學生自評、小組互評以及學生實踐過程中的具體表現(xiàn)等均可作為評價的依據(jù)，并且項目作品也是評價的主要依據(jù)。評價貫穿項目學習的全過程，注重培養(yǎng)學生的問題解決能力、創(chuàng)新能力。在該模式中，教師可借助技術工具觀察記錄學生在項目實踐過程中的表現(xiàn)，如通過視頻記錄學生在交互活動中的具體操作，即時指導并做出相應的評價。最后，由參加項目的所有人員對該項目的所有環(huán)節(jié)進行反思，查漏補缺，為新項目的設計與開發(fā)提供建議，設計出更多優(yōu)質的項目式教學案例。

五、基于VR 技術的項目式教學在初中生物課程中的實踐

《義務教育生物課程標準》指出，生物學課程要求學生主動參與學習過程，注重學生探究體驗式學習，以提高學生生物科學素養(yǎng)為主要目的。本文以初中人教版生物上冊中的《開花和結果》為例，介紹基于VR 技術的生物項目式教學的實施過程，教學實施過程主要包括五個環(huán)節(jié)：第一，確定項目主題，項目主題緊扣生物教材知識；第二，需求分析，確保教學活動符合初中生的知識能力水平；第三，創(chuàng)設教學環(huán)境，還原真實的生物知識場景，讓學生交互體驗；第四，項目反思，從學生的角度出發(fā)，遵循一切教學服務于學生的原則；第五，項目評價，采用教師點評、學生互評的方式對學生的作品以及活動過程中的表現(xiàn)等進行評價，并根據(jù)反饋改進項目，完善項目設計。

（一）確定項目主題

教師和技術組借助虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)，構造出奇妙的項目活動場景——花果山水簾洞，讓學生在生動有趣的教學環(huán)境中自主探索學習，在虛擬場景中多維度呈現(xiàn)生物知識，調動學生多感官參與。學生進入虛擬空間后，與動畫人物孫悟空展開對話，學生仿佛置身于真實的花果山中，人與物完美融合在一起。項目引入場景極具故事性與趣味性，一開場就抓住了學生的注意力，極強的逼真感有利于激發(fā)學生對生物的學習興趣。

（二）需求分析

生物學是自然科學六大基礎學科之一，初中生物課程強調學生在生物學知識、科學素養(yǎng)、創(chuàng)新思維等方面應全面發(fā)展。初中生已具備一定的操作能力，可以在教師的引導下快速掌握VR 手柄的基本操作（如通過手柄放大、縮小桃花模型），且對新事物的好奇度高，佩戴VR頭盔，進入虛擬世界沉浸式探索，學習效果更佳。

（三）項目活動探究

利用XR 虛擬現(xiàn)實編程軟件提供的海量的VR 學科教學資源，創(chuàng)設生動有趣的花果山闖關學習情境，設置多個“闖關”學習任務供學生自主探索，激發(fā)學生對本單元學習的濃厚興趣。在虛擬場景中全方位展示3D 桃花模型，最大限度地還原真實的傳粉和受精的過程，讓學生體驗到真實世界中不易觀察的微觀場景。學生佩戴VR 頭盔，進入花果山虛擬探索空間，孫悟空動畫角色騰空出現(xiàn)，引領學生互動學習，學生扮演穿越時空的角色，愿意主動體驗更多的學習活動。在虛擬空間里，學生可獲得沉浸式的虛擬學習體驗，如通過手柄放大觀察3D桃花模型，利用系統(tǒng)提供的“解剖”功能，剝離花瓣，對花瓣的每一層結構都能夠清晰地觀察和自由交互，傳統(tǒng)生物課本中抽象的知識在虛擬場景中真正“活”了。此外，學生以闖關這種游戲化的方式進入到該課程不同模塊的探究學習，每個關卡的情境都緊密圍繞課程知識模塊，貼合教學需求，有利于加深學生對抽象概念的理解。具體設置有：第一關——“花的結構”、第二關——“雄蕊雌蕊組成”、第三關——“傳粉和受精”、第四關——“果實和種子的形成”，學生自主解決不同模塊中的問題，對新知識的學習變得輕松和愉悅，有利于幫助學生建構生物知識體系。具體學習內容和探究活動如表1所示。

表1 VR 項目活動實施

（四）項目反思

在該案例中，需要對項目的主題、VR 教育資源的選擇、項目探究等環(huán)節(jié)進行總結與反思，查漏補缺，完善教學設計。如學生對VR 手柄的操作是否需要進一步熟悉、虛擬現(xiàn)實沉浸式學習中教師的指導是否及時以及學生在實踐探索中的時長是否合理等。

（五）項目評價

在“開花和結果”案例中，學生在虛擬空間中通過手柄“復原”桃花結構，顯示屏中記錄學生復原過程，由小組交流評價手柄復原桃花的過程中出現(xiàn)的問題。學生在虛擬空間中使用“時空加速”功能，觀看了桃花變成果實的全過程，學生可以在教師的指導下使用XR 編程軟件，利用VR 圖形化軟件系統(tǒng)提供的相關學習資源，完成作品創(chuàng)作。最后可通過小組互評的方式對作品進行評價，促進生物教學質量全面提升。

六、總結

本文分析了當前初中生物教學中存在的問題，闡述了VR 技術與生物項目式教學的可行性和優(yōu)勢，結合實際教學提出了基于VR 技術的項目式教學模式，并以《開花和結果》生物課程為例，介紹了基于該教學模式的實施過程。對于生物學科而言，筆者認為將VR 技術應用于項目式教學實踐中，能讓學生更加親近大自然，快速掌握生物學知識，相比傳統(tǒng)的PPT、圖片、視頻等多媒體，基于該模式下的生物課堂可以提供學生別樣的體驗感。教育工作者與VR 技術開發(fā)者應合力推進虛擬現(xiàn)實技術與基礎教育的融合，結合各學科教學特點，開發(fā)出適用于生物課堂教學的優(yōu)質資源，將虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢充分應用到教學實踐中。