基于zSpace的小學科學探究式教學設計流程構建

摘 "要 "以zSpace為研究對象，對zSpace進行介紹，闡述zSpace應用于教學的優勢，并梳理歸納出目前小學科學教學存在的問題。在此基礎上，以小學科學教學為例，構建基于zSpace的小學科學探究式教學設計流程，以期為zSpace在教育領域的深入應用提供借鑒。

關鍵詞 "zSpace；小學科學；探究式教學；虛擬現實

中圖分類號：G623.6 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）11-0043-04

0 "引言

虛擬現實是近幾年的研究熱點，特別是在醫學、軍事、航空等領域得到廣泛應用。因此，很多研究者逐漸將虛擬現實的應用延伸到教育領域。為提高教育信息化水平，相關部門出臺一系列政策，2018年發布的《教育信息化2.0行動計劃》提出將數字教育資源列入中小學教材配備要求范圍，推進信息技術和智能技術深度融入教育教學全過程[1]。

2019年，中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》，提出將虛擬現實與增強現實技術作為支撐建設一體化智能化教學的重要技術[2]。一系列政策文件表明，虛擬現實作為一種新興技術，正逐漸被引入教育領域并發揮重要作用。

1 "zSpace應用綜述

zSpace是虛擬現實桌面交互一體機設備，結合了虛擬現實（VR）技術和增強現實（AR）技術，能為學生提供沉浸、交互及仿真的體驗感，有助于提高學生的自主學習與探究能力。zSpace集硬件與軟件于一體，其硬件部分由采用zSpace頭部跟蹤立體顯示技術的顯示器、3D立體眼鏡、反立體眼鏡、zSpace觸筆、zView、鍵盤、鼠標等組成[3]。zSpace還包括軟件工具和開發好的素材包，如zSpace Stu-

dio虛擬工作室、居里夫人元素、Leopoly等。在實際教學中，教師可以利用已開發好的素材包進行教學，亦可以根據課程內容開發與修改素材。

查閱相關資料了解到，zSpace在美國已經發展得較為成熟，且在教育領域得到較為廣泛的應用，可增強學生的問題解決能力，幫助學生探索科學、藝術、工程等領域的專業技能[4]。在國內，zSpace作為近年來新興的虛擬現實教學設備，現階段使用的學校并不多，但也有學校在課堂中使用，如上海市高安路第一小學、北京匯文中學等學校，都獲得很好的教學效果。

2 "zSpace應用于教學的優勢

2.1 "使知識“觸手可得”

在小學科學課程中有較多抽象的概念性知識，如科學課程中的“宇宙”“磁場”“細胞”等知識，教師更多是采取講授與圖像、視頻等相結合的方式進行教學，教學效果并不理想。zSpace為學生提供虛擬與現實結合的場景，將抽象知識呈現在學生眼前，讓學生零距離接觸知識，感受它們的真實存在。這種可視化學習給學生帶來感官上的極大的沖擊，學生對抽象化知識有了更深層次的理解，同時能激發對科學知識的探索欲望[5]。

2.2 "為學生提供深入觀察的機會，激發探索欲望[6]

在小學科學中，較多課程內容需要學生深入觀察，但由于受資源限制，難以很好地探討模型深層次的部分，如地球的內部結構、人體的器官等。運用zSpace交互式一體機提供實驗模型的同時，還能讓學生在虛擬的3D空間中細致地觀察模型的內部結構，甚至可對模型進行“解剖”，幫助學生深入理解模型的內部結構。相對于傳統教學，zSpace增強了學生的動手實踐能力，讓學生在原有的知識經驗基礎上加深對知識的理解，通過實踐操作進一步激發學生的求知欲。

2.3 "重復實驗，避免材料的浪費

在虛擬環境中，zSpace具有可重復實驗的優點，學生可以從不同的角度、通過不同的形式嘗試自己的想法，在多次的探究實驗中不僅能探索知識，還能有效避免材料的浪費。zSpace的可重復性和節約資源的優點也是其逐漸應用到教學場景中的主要原因。歷經整個虛擬的探究知識過程，能激發學生探索知識的興趣，培養學生的高階思維[7]。

3 "目前小學科學教學中存在的問題

3.1 "教學設施不完善，科學課程資源缺乏

小學科學課程較多內容以實踐操作為主，但實際的教學中用于科學課程的實踐設備可能不足以支撐眾多的學生同時操作，只能提供給教師演示[8]。小學科學課程內容不斷更新、發展，教學設備也需要不斷更新換代，否則無法開展相關的實驗。另外，小學生對科學課程的認知主要從教材或教師講授獲得，而教材中有關的科學課程內容較為單薄[9]。

綜上，現有的教學設備與教學資源無法滿足學生的學習需求，不利于培養學生的科學探索精神。

3.2 "學生的課程參與度不高，主動探究意識較弱

在小學階段，學校、教師更關注語文、數學、英語等主科，忽視了科學課程對于培養學生發現和解決問題的重要性。伴隨著學業壓力逐漸變大，學生對科學課程的參與度逐漸降低，主動探究問題的積極性也有所下降。學生在科學課程中遇到較難的問題時，與同學的互動交流較少，忽視探究知識的過程，而想直接獲得答案[10]。

3.3 "教師對探究式教學認識不足，忽視了探究的重要作用[11]

由于教學設備與教學資源的限制，教師在實施探究式教學時，通常以講授法來傳授知識，缺乏對探究式教學深層次的理解與運用，導致學生在合作探究活動中不夠積極主動，而是等待教師說出探究結果。這些情況削弱了學生對科學課程的興趣。

4 "基于zSpace的小學科學探究式教學設計流程構建

基于zSpace的小學科學探究式教學設計是以zSpace為技術支撐來展開對小學科學課程的教學，使小學科學發揮其內在的教學意義，激發學生的學習興趣，培養學生的創新思維。而zSpace與探究式教學的結合，能拓展學生的知識視野，同時發揮探究式教學的真正意義，讓學生感受到探究的樂趣，有助于學生探究精神的養成[12]。

《義務教育小學科學課程標準》中明確指出小學科學課程應倡導探究式學習，以促進學生主動探究。何克抗教授[13]認為探究性教學模式能夠滿足各學科普通課程的開展，指出探究性教學模式的基本特征是以學生為主體、教師為主導，并將其概括為五個步驟，如圖1所示。

《義務教育小學科學課程標準》將探究式教學過程分為八大步驟，分別為提出問題、作出假設、制訂計劃、搜集證據、處理信息、得出結論、表達交流、反思評價[14]?；诖耍疚慕梃b何克抗教授的探究性教學模式的教學流程與《義務教育小學科學課程標準》中的探究式教學過程，以zSpace為技術支撐，歸納出適合小學科學課程的教學設計流程，如圖2所示，

4.1 "創設情境，提出探究問題

教師使用zSpace創設虛擬情境，讓學生身臨其境地感受與觀察事物，從而引出課程主題。學生在教師的引導下，輕松且快速地進入學習情境。教師在此基礎上將主動權交給學生，并作為輔助角色，啟發學生思考并提出主題中感興趣的探究問題。通過zSpace提供虛擬的探究情境，激發學生的好奇心，讓學生主動發現科學問題并進行探討，培養學生的探究思維。

4.2 "作出假設

在提出探究問題的基礎上，學生針對情境以及探究的事物進行深入探討，結合自身原有的知識經驗作出假設。zSpace在這個過程中可以作為事物展示的平臺，讓學生深入了解探究事物的深層次結構，進一步提出更有針對性的假設，且能說明假設的實際依據。教師在這一環節作為引導者，當學生遇到問題時應對學生進行適當點撥，引導學生對事物進行深入觀察與思考，進而對探究問題作出假設。學生只有發現問題，才會更加主動地對問題進行探究，并積極尋找答案。

4.3 "制訂探究計劃

對問題作出假設之后，每個學生對將要探究的問題有初步的想法。因此，小組成員之間要進行協作討論，進行思維的碰撞，從眾多的想法之中選擇最優的探究想法。在進一步合作交流后，學生對探究計劃產生初步的雛形，逐步厘清探究的思路，制訂探究計劃。在此過程中，如發現小組遇到困難，教師應及時指引學生從探究問題出發，啟發學生思考，協助學生形成初步的探究思路，避免出現無效探究。另一方面，當學生表達想法時，教師要盡可能地給予學生鼓勵與肯定的評價，以保持學生探究的自信心和積極性。

4.4 "自主探究，體驗探究過程

在探究過程中，學生根據他們的探究計劃進行分工合作，明確各自的任務，對探究問題或事物進行觀察、資料查閱、案例分析等來獲取相關信息，并處理與分析信息。當學生自主探究過程中發現問題或有想法時可以進行小組討論。同時，小組可以利用zSpace進行上機探究，不斷地進行觀察、實驗、修改、驗證，并逐漸構建知識體系和內化知識。

教師在這個過程中要進行巡回觀察，對有困難的學生給予幫助與指導，適當地參與小組討論。同時，教師要了解每個小組的探究活動，觀察并總結學生在探究活動中存在的問題，師生共同解決或小組協作學習解決問題。在這一環節，zSpace作為探究工具，提供了豐富的學習資源，學生根據探究資源進行針對性的探究活動，虛擬的仿真技術為學生呈現事物的內部構造與運動變化過程，學生能真實且全方位地感受事物，這為解決問題提供了重要的實踐依據。在zSpace豐富的學習資源中，學生可以朝著更深遠的方向進行探究，能夠有效完成探究活動。

4.5 "協作探究，完成探究任務

經過自主探究，學生對探究活動有各自的看法與成果。小組成員共享資源，交流想法與探究成果，在互相協作的過程中進一步完善探究活動，深化探究知識，共同完成探究任務。在小組合作交流中，小組成員需將問題與成果記錄下來，以便查看探究進程或匯報。

zSpace為學生提供多次的觀察與實驗的機會，讓學生充分體驗整個探究過程且不浪費資源與材料。在協作探究中，學生對知識進一步理解與內化，提高思維能力。教師組織學生進行小組協作交流，實現資源互通，共同參與小組討論與交流。如果小組出現邏輯不清楚、存在困難等問題，教師應馬上給予幫助，為學生解答疑惑，讓學生了解和掌握更多解決問題的方法。

4.6 "得出探究結論

學生經過自主探究與協作探究，得出探究結論。為了驗證探究結論，學生可使用zSpace反復實驗來驗證結果，以確保實驗的準確性。在反復驗證的過程中，知識進一步鞏固與強化。在這一環節，教師主要監督各個小組的完成情況，同時對結論存在疑惑的小組進行點撥指正。

4.7 "展示成果，表達交流

教師組織小組進行成果交流，各小組展示探究成果，分享探究心得，如探究過程中遇到的困難、解決的方法、收獲與感悟等。組間進行探究結果的評價，傾聽其他小組的建議并與之交流。在這里，zSpace主要是作為探究成果展示區，給學生一個展示探究成果的機會，能直觀且全方位地展示小組的探究成果，同時對知識加以鞏固。教師通過小組的展示來了解學生探究活動的想法以及評價學生的探究成果，如有問題可以及時糾正，并且可以直接在zSpace上進行演示，能更加直觀地觀察到結果。

4.8 "總結評價

經過探究成果的交流，學生對探究過程與成果進行反思，總結探究活動的優點與存在的不足且作出自我評價，以使后續的探究活動做得更好。如果對探究成果進行完善與修改，可以在zSpace的學習資源基礎上繼續探究。教師在zSpace上對學生的探究成果進行總結與評價，在學生探究成果的基礎上對知識進行補充與深入講解，糾正學生對一些知識的錯誤理解，以便學生加深對知識的理解，更好地構建知識體系。

5 "結束語

zSpace能將教材中的知識呈現在學生面前，幫助學生近距離觀察知識，幫助教師更好地完成教學。在基于zSpace的小學科學探究式教學設計流程中，學生能充分運用豐富的學習資源進行深入探究，體驗探究的過程；教師也能借助zSpace更好地開展個性化教學。在zSpace支撐下探究知識，能極大地提高學生主動學習的興趣，培養學生高階思維中的問題解決能力，促進學生探究精神和實踐能力的養成。希望基于zSpace的小學科學探究式教學設計流程能為小學科學探究式教學更好地開展提供參考與借鑒。

參考文獻

[1] 教育部關于印發 《教育信息化2.0行動計劃》的通知

[A/OL].（2018-04-25）[2021-12-25]. http：//www.moe.

gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[2] 孫立會，劉思遠，李芒.面向2035的中國教育信息

化發展圖景：基于《中國教育現代化2035》的描繪[J].

中國電化教育，2019（8）：1-8，43.

[3] 王珠珠.zSpace在教學中的應用與前景展望[J].中

小學信息技術教育，2017（9）：76-79.

[4] 劉鑫.虛擬現實在小學科學課程中的應用研究：以

zSpace系統的設計開發為例[D].江蘇：蘇州大學，2020.

[5] 楊華.虛擬現實在小學信息技術課堂教學中的應用研

究[J].小學時代，2020（2）：86-87.

[6] 韋淑敏.基于zSpace3D虛擬現實技術在初中物理教

學中的實踐舉例[J].物理通報，2020（S2）：111-113.

[7] 孫佩雄，劉通.例談STEM教育理念下虛擬現實技術

zSpace在中學物理教學中的應用[J].物理教師，2018，

39（9）：68-70.

[8] 劉亞男.小學低年級科學課程教學現狀、問題及對策

研究[D].湖南：湖南科技大學，2020.

[9] 劉林，樊敏，彭蜀晉.小學科學教育教學現狀及對策

[J].教育與教學研究，2011，25（5）：105-108.

[10] 吳蘇惠.小學科學探究式教學的現狀研究：以C市

某小學為例[D].長春：長春師范大學，2020.

[11] 鄧涵月.探究式教學在小學科學課堂教學應用中的

問題與對策研究：以高年段實驗課程為例[D].重慶：

西南大學，2020.

[12] 王玉璽，張妲，鐘紹春，等.基于電子書包的探究

式教學模式設計：以小學科學教學為例[J].中國電

化教育，2014（2）：95-100.

[13] 何克抗，吳娟.信息技術與課程整合的教學模式研究

之三：“探究性”教學模式[J].現代教育技術，

2008（9）：5-10，27.

[14] 中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標

準[S].北京：北京師范大學出版社，2017.