融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建構(gòu)沉浸式體驗(yàn)課堂

李琦

〔摘? ? 要〕? 人工智能技術(shù)的發(fā)展日新月異，影響著我們生活的方方面面。筆者嘗試將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)，希望突破傳統(tǒng)課堂上時(shí)空的限制，讓學(xué)生身臨其境、親身體驗(yàn)，進(jìn)而提升學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的好奇心，喚醒學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力。本文以小學(xué)科學(xué)三年級(jí)《月球——地球的衛(wèi)星》這一節(jié)課為例，通過(guò)創(chuàng)設(shè)AR月球觀察體驗(yàn)、激光雷達(dá)3D模型構(gòu)建，以及現(xiàn)實(shí)化身宇航員這三個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在教室里開(kāi)啟一場(chǎng)真實(shí)的探月之旅。在這個(gè)過(guò)程中，讓學(xué)生了解月球的整體地貌，探究環(huán)形山的成因。與傳統(tǒng)講演式的課堂相比，融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建構(gòu)沉浸式體驗(yàn)科學(xué)課堂，更容易吸引學(xué)生，可以讓學(xué)生在輕松愉快的環(huán)境中完成學(xué)習(xí)任務(wù)，增加學(xué)習(xí)動(dòng)力。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；沉浸式體驗(yàn)課堂

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? （2023）? 12-0013-03

一、生活體驗(yàn)與學(xué)習(xí)脫節(jié)是科學(xué)學(xué)習(xí)的障礙

科學(xué)是對(duì)自然現(xiàn)象的解釋，需要基于生活體驗(yàn)的積累。這就要求學(xué)生將課上學(xué)習(xí)的科學(xué)理論和課后的生活實(shí)踐相結(jié)合，做到身體力行、知行合一。生活體驗(yàn)是科學(xué)學(xué)習(xí)的沃土。但是在目前的科學(xué)教學(xué)中，存在生活體驗(yàn)與課堂學(xué)習(xí)相脫節(jié)的問(wèn)題。

（一）機(jī)械記憶，浮于表面

教師是科學(xué)課堂的主導(dǎo)者，學(xué)生是被動(dòng)的接受者。教師教學(xué)的內(nèi)容主要以教材考點(diǎn)為主，相關(guān)的知識(shí)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)比較抽象。教師很難做到從學(xué)生的角度出發(fā)進(jìn)行教學(xué)，大多數(shù)是以講述解答的方式進(jìn)行，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)簡(jiǎn)單機(jī)械地記憶。這樣一來(lái)，學(xué)生對(duì)知識(shí)只是淺層記憶，無(wú)法從本質(zhì)上對(duì)知識(shí)進(jìn)行深層次剖析，探明知識(shí)點(diǎn)中隱含的原理及方法。

（二）探究缺乏，創(chuàng)新受阻

小學(xué)科學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要分為自然現(xiàn)象的觀察和科學(xué)原理的理解。學(xué)生作為科學(xué)學(xué)習(xí)的主要參與者，只有通過(guò)真實(shí)感受、親身體驗(yàn)，才能更好地理解科學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)思維。在實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)中，學(xué)生一般先對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行假設(shè)，然后通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)操作觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生全身心參與，享受探究過(guò)程，真正理解了知識(shí)點(diǎn)中蘊(yùn)含的原理。但是有一些實(shí)驗(yàn)，由于受到場(chǎng)地和材料的限制，無(wú)法讓學(xué)生進(jìn)行觀察實(shí)踐活動(dòng)。小學(xué)生的抽象思維能力較弱，沒(méi)有經(jīng)歷真實(shí)的實(shí)踐體驗(yàn)，很難將知識(shí)原理構(gòu)建到自己的知識(shí)框架中去，長(zhǎng)此以往，學(xué)生就很難擦出創(chuàng)新思維的火花。

（三）資源單一，興趣缺失

利用現(xiàn)代人工智能技術(shù)，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的科學(xué)興趣有著非常重要的意義。在常規(guī)的科學(xué)課堂上，教師往往通過(guò)幻燈片以及一些多媒體資料來(lái)展示教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生很難沉浸式地進(jìn)行觀察體驗(yàn)，尤其是一些抽象晦澀的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生更是難以理解。慢慢地，學(xué)生就失去了學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。同時(shí)實(shí)驗(yàn)材料不足，無(wú)法滿足每位學(xué)生的探究需求，在一定程度上也會(huì)慢慢扼殺學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是科學(xué)教育的新方法

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集合了各種先進(jìn)技術(shù)，如三維立體成像技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、圖像顯示技術(shù)等，旨在構(gòu)建一個(gè)無(wú)比接近真實(shí)的環(huán)境，讓學(xué)生沉浸其中，進(jìn)而獲得寶貴的真實(shí)體驗(yàn)。這種新技術(shù)為科學(xué)教育提供了一種嶄新的思路，能喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，點(diǎn)燃學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以與數(shù)字化移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，將線上豐富的資源整合融入線下教學(xué)，進(jìn)而突破時(shí)間和空間的局限，將知識(shí)更加直觀化、情境化地展現(xiàn)在學(xué)生面前。

得益于人工智能和其他科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越發(fā)成熟完善，并且嘗試在科學(xué)教學(xué)中應(yīng)用。在化學(xué)學(xué)習(xí)中，牛津大學(xué)推出虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，在不使用化學(xué)試劑的情況下，模擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)踐。在電路學(xué)習(xí)中，克拉克森大學(xué)推出虛擬電路平臺(tái)，學(xué)生可以在平臺(tái)上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，模擬電路的運(yùn)行情況。特別是對(duì)于一些高壓危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也可以安全地進(jìn)行操作體驗(yàn)。除此之外，俄勒岡大學(xué)推出與熱學(xué)、能量學(xué)相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，西北大學(xué)推出與光學(xué)相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)室。在我國(guó)，如華為、科大訊飛、火花學(xué)院等公司也在積極創(chuàng)新開(kāi)發(fā)與虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品。

相較于一般的科學(xué)學(xué)習(xí)方式，基于虛擬現(xiàn)實(shí)打造的沉浸式課堂有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：營(yíng)造構(gòu)建接近真實(shí)的自然景觀和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，讓學(xué)生充分感受體驗(yàn)，點(diǎn)燃學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)探究熱情；將抽象的知識(shí)點(diǎn)剖析開(kāi)來(lái)，直白地展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生可以看到、聽(tīng)到，以后更可以聞到、摸到，化抽象為具象，更加容易被學(xué)生理解接納；通過(guò)情境化的一段旅行、一次探秘來(lái)完成科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)習(xí)活動(dòng)變得更加有趣生動(dòng)，科學(xué)學(xué)習(xí)不再枯燥乏味，而是像逛游樂(lè)園一樣，學(xué)生可以在玩中學(xué)，在學(xué)中玩；避免一些危險(xiǎn)場(chǎng)景的出現(xiàn)，教師不用再考慮學(xué)生的安全問(wèn)題，可以讓學(xué)生根據(jù)自己的意愿觀察實(shí)驗(yàn)，充分體驗(yàn)。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式課堂，可以讓學(xué)生選擇自己感興趣的內(nèi)容自由地探索實(shí)踐。學(xué)生可以從自己的興趣出發(fā)，盡情感受，突破時(shí)空的限制，突破城鄉(xiāng)的壁壘，盡情享受現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)帶來(lái)的學(xué)習(xí)盛宴。

三、課堂實(shí)踐是科學(xué)研究的源泉

再完美的理論也離不開(kāi)真實(shí)的課堂教育實(shí)踐，接下來(lái)，筆者以《月球——地球的衛(wèi)星》這一節(jié)課為例，嘗試融入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建構(gòu)沉浸式體驗(yàn)的科學(xué)課堂。

（一）利用AR創(chuàng)設(shè)月球真實(shí)體驗(yàn)

讓每位學(xué)生戴上AR眼鏡，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，親自登上月球進(jìn)行觀察。這里使用iPad中的“solar?walk?ads+”軟件，再通過(guò)iPad實(shí)時(shí)投射到希沃一體機(jī)上。具體效果如圖1（遠(yuǎn)觀）、圖2（近景）。學(xué)生戴上AR眼鏡進(jìn)行觀看。

（二）利用激光雷達(dá)建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在模擬月球表面小行星撞擊形成環(huán)形山這一實(shí)驗(yàn)中，利用iPad自帶的激光雷達(dá)可以掃描出學(xué)生撞擊后形成的沙坑，并生成3D模型，使結(jié)果匯報(bào)更加直觀真實(shí)。如圖3所示，是學(xué)生撞擊后形成沙坑的3D模型。學(xué)生可以通過(guò)3D模型更好地看到撞擊形成的環(huán)形山高度、深度等相關(guān)參數(shù)，解決了之前用肉眼難以精確觀察、形象對(duì)比的問(wèn)題。

（三）利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)化身宇航員

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，化身為宇航員，從宇航員的視角體驗(yàn)一次登月之旅。在這個(gè)體驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生可以感受到我國(guó)航天技術(shù)的飛速發(fā)展，激發(fā)好奇心和學(xué)習(xí)激情的同時(shí)，也增強(qiáng)了民族自信心。場(chǎng)景如圖4所示。

四、激發(fā)興趣是科學(xué)創(chuàng)新的種子

激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣、培養(yǎng)學(xué)生的好奇心，對(duì)于實(shí)行科教興國(guó)戰(zhàn)略、激活學(xué)生創(chuàng)新活力具有十分重要的意義。

在科學(xué)課堂上，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，不僅可以更加直觀形象地展現(xiàn)科學(xué)知識(shí)，更可以從學(xué)生的心靈深處激發(fā)好奇心。現(xiàn)在的學(xué)生身處科學(xué)技術(shù)爆炸式發(fā)展的時(shí)代，作為教師，我們應(yīng)該積極地創(chuàng)設(shè)先進(jìn)的技術(shù)環(huán)境，讓學(xué)生更好地?fù)肀н@個(gè)科技時(shí)代，這樣他們才能更好地肩負(fù)起未來(lái)科教興國(guó)、創(chuàng)新發(fā)展的重?fù)?dān)，為中華民族的偉大復(fù)興帶來(lái)源源不斷的動(dòng)力。未來(lái)，科學(xué)課堂是開(kāi)放的，不再是一間小小的教室，不再是一塊小小的黑板，山川湖海、日月星辰都可以通過(guò)科學(xué)技術(shù)走進(jìn)課堂。學(xué)生不再局限于方寸之地，天高海闊，任意馳騁，同時(shí)創(chuàng)新的種子也會(huì)悄然播下，在生活體驗(yàn)的沃土上，在現(xiàn)代技術(shù)的新領(lǐng)域，在體驗(yàn)實(shí)踐的源泉澆灌下，生長(zhǎng)為科技強(qiáng)國(guó)的棟梁之材。

參考文獻(xiàn)

[1]沈陽(yáng)，逯行，曾海軍.虛擬現(xiàn)實(shí)：教育技術(shù)發(fā)展的新篇章：訪中國(guó)工程院院士趙沁平教授[J].電化教育研究，2020（1）：5-9.

[2]傅永超.國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）教育研究與啟示[J].中國(guó)教育信息化，2019（22）：6-12.

[3]馮佳，安建強(qiáng).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)教育中的運(yùn)用現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析[J].開(kāi)放學(xué)習(xí)研究，2020（1）：39-47