基于虛擬現(xiàn)實技術的小學科學項目式學習模式的構建與實施

摘要：小學科學項目式教學強調創(chuàng)設情境，以問題為驅動引導學生進行深度學習，能更好地提升學生科學素養(yǎng)，而以虛擬現(xiàn)實為基礎開展小學科學項目式教學，能依托虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）等技術手段，彌補真實實驗中存在的問題。本文以教科版小學科學四年級下冊《模擬安裝照明電路》一課為例，將內容分解為對應的虛擬教學項目，在創(chuàng)設的虛擬環(huán)境中實施電路布局、線路設計、虛擬實操等環(huán)節(jié)，以優(yōu)化基于虛擬現(xiàn)實技術的小學科學項目式學習模式。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；小學科學；項目式學習

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）23-0000-04

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）倡導項目式學習、跨學科學習等綜合性探究方式，其中項目式學習是以真實“項目”為載體的科學教育活動，它能基于創(chuàng)設的真實問題情境，設置進階、有序的探究活動，以提升學生遷移應用科學知識的能力，幫助學生提高科學思維和探究實踐等科學素養(yǎng)。而借助虛擬現(xiàn)實技術開展項目式學習，能夠幫助學生更好地感受科學教學實驗場景，它特有的沉浸式、想象性和交互性等優(yōu)勢，能使教學環(huán)節(jié)與知識遞進的關系更為緊密，使構建實驗探究中的安全性高、體驗性強成本較低的實驗探究場景成為可能。

作為教科版四年級下冊一節(jié)典型的科學、技術與工程結合的實踐課，《模擬安裝照明電路》包括應用、創(chuàng)造兩部分。“應用”部分要求能夠學會為房間設計一個照明電路，應用既往課程解決工程活動中的問題；“創(chuàng)造”部分則要求通過實驗的方式完成電路的連接，在實踐教學過程中逐步熟練照明電路的安裝。下面，筆者以此課為例，在教學過程中融合虛擬現(xiàn)實技術，從項目式學習視角再現(xiàn)電路實驗場景，引導學生在虛擬交互中掌握運用工程思維解決真實問題的能力。

虛擬現(xiàn)實技術融入小學科學的項目設計

在小學科學教學過程中融合虛擬現(xiàn)實技術，并非單純地追求數(shù)字化“形式”，其核心在于基于虛擬場域搭建更真實的實驗場景與實驗操作反饋，引導學生基于既有知識框架思考、探索、操作，對科學知識建立更直觀的認識。因此，教師在融合虛擬現(xiàn)實技術時，尤其是在呈現(xiàn)實驗過程與實驗操作反應時，需要發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術的場景再現(xiàn)作用，強化學生的臨場感受與知識認同，唯有如此，才能發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術成效。圍繞虛擬現(xiàn)實技術，可以從四個方面開展項目設計，具體下頁如表1所示。

虛擬現(xiàn)實技術在小學科學項目式學習中的應用

1.項目任務設計，明確教學解決問題

小學科學項目式學習的關鍵在于明確動機，即“我要做什么”，學生明確了項目動機以及預期目標，才能在教學過程中合理設計、創(chuàng)建、搭建實驗要素，進而在問題情境中達到既定目標，感受科學課帶來的實驗成就與探索趣味。

《模擬安裝照明電路》作為以“電路”為主的實驗教學課，是典型的科學工程實操課，突出了新課標中“工程的關鍵是設計”這一基本要求。本課的實驗關鍵是學生基于虛擬場景的電路實驗素材為房間安裝一個照明電路，將電路知識應用于實操。

師：同學們，學校教室正在進行裝修改造，需要為教室重新鋪設照明線路。如果你承包了此項工程，將如何利用現(xiàn)有工具搭建照明線路呢？具體要求如下。

熟悉場景：根據(jù)教室場景圖，明確課桌、講臺、窗戶、門的位置。

設計照明電路：需要在教室前、后設計兩處照明燈，兩處電燈分別由教室前門、后門旁的兩個開關控制。

小組討論：劃分小組合理設計電路設計圖。

虛擬實操：基于虛擬現(xiàn)實場景素材，根據(jù)小組電路設計圖組裝照明電路。

在明確項目流程后，學生很快便完成了電路圖紙的設計，并就圖紙方案在虛擬場景中進行實操。

2.項目內容實施，經歷解決問題過程

（1）設計完善，基于問題解決

虛擬場景的實驗操作是項目式學習的第一步，學生通過實驗操作，綜合應用電路知識解決場景問題，強化了對電路工程任務的基礎概念認知。在完成虛擬實操后，學生已經初步了解照明電路開關、線路“通”和“斷”的工程原理。在此基礎上，學生就“兩個開關控制兩盞燈”進行組內討論，最終形成照明電路設計方案，并繪制最終電路設計圖。

（2）量表引領，滲透制作要素

虛擬現(xiàn)實技術與項目式學習的融合為學生提供了更多的自主探究時間與實操空間，但是，怎樣更好地發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術對項目式學習的支持，而不局限于單一的虛擬場景操作應用？在明確這一優(yōu)化目標后，可將評價量表前置，提出教學改良建議。《模擬安裝照明電路》的評價量表設計既要考查虛擬現(xiàn)實技術融合的實效性，也要考查在項目式教學開展過程中的方法、內容、技能的掌握情況，以此保障學生在自主經歷、管控、調整、反思中實現(xiàn)科學技能的掌握與提升。

3.項目任務延伸，提升實驗教學效率

（1）巧用KT板立體模型，助力虛擬概念建構

在虛擬現(xiàn)實技術融合教學中，除了立體房間的模型搭建，還可采用虛擬場景功能。例如，將KT板立體模型接入虛擬現(xiàn)實場景，先依次為學生展示電路設計素材，再讓學生利用虛擬KT板立體模型設計燈與開關的位置，并賦予相應的電路設計圖。形式多樣的空間立體項目環(huán)境的搭建，有助于學生快速建立立體概念。

（2）提供多元材料，驅動學生深度探究

基于虛擬現(xiàn)實場景的《模擬安裝照明電路》一課的項目式學習，克服了以往實驗材料單一的弊端。學生在虛擬現(xiàn)實場景中不僅能自主參與到房間的電路設計與實操環(huán)節(jié)，還能結合生活實際，靈活融入單刀雙擲開關、雙刀雙擲開關（如下圖）。

4.項目評價反思，學習模式效果評估

在基于虛擬現(xiàn)實技術的《模擬安裝照明電路》一課的項目式學習中，還需融入“形成性評價”與“總結性評價”，以明確學生在虛擬現(xiàn)實場景學習中，是否達成教學目標。

（1）表現(xiàn)性評價前置，凸顯評價的指導性

在虛擬現(xiàn)實項目式學習中，學生除了“動手做”，還需兼顧實操前后的表達交流與探究活動。表達交流中的一項核心環(huán)節(jié)便是學習評價。教師要指導學生根據(jù)電路設計、電路安裝等探究過程，從電路布局、線路設計、虛擬實操、課堂表現(xiàn)等方面匹配相應的評價指標，如表2所示。

（2）學習評價多元化，促進學生改進自我

評價活動分為自評、互評、教師點評，前兩項以學生作為評價主體，通過師生共同參與評價的方式確保評價過程的合理性、公平性、準確性。教師則在學生評價的基礎上分別就各個評價項目進行二次打分，并計入最終評分。多元化的評價項目設計能使學生清晰認知自身的真實情況，在反思中察覺各個環(huán)節(jié)中的潛在問題，最終在改進設計中彌補自身的不足。

（3）反思改進方案，讓項目為生活服務

基于虛擬現(xiàn)實教學技術，教師通過真實情境、問題設計進一步增加教學難度，提出“模擬安裝照明電路2.0”實操場景，在原有基礎上融入電扇等常規(guī)電器線路設計任務與元素，以此使項目式學習更為貼近學生生活。另外，還可進一步發(fā)散到其他電路設計場景，如實驗室、廚房等，讓項目為生活服務。

結論

本文以《模擬安裝照明電路》一課為例，結合虛擬現(xiàn)實技術與項目式教學設計從以下幾個方面展開課程教學設計：①結合小學生科學課程教學實驗的現(xiàn)狀，根據(jù)《模擬安裝照明電路》一課的特征，基于虛擬現(xiàn)實技術設計自主學習場景。②通過虛擬現(xiàn)實技術實操，為學生提供擬真的電路設計場景，實現(xiàn)虛擬項目式任務教學，學生在虛擬房間中自主設計照明電路；或融入更多場景要素豐富學生的任務體驗。③《模擬安裝照明電路》一課的虛擬現(xiàn)實教學設計是基于小學科學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求進行的項目化教學設計，其項目明確、任務清晰、流程緊湊，將學生作為課堂主體，使學生能夠更加積極地參與項目任務與實驗活動。

課后，教師可以整理課堂教學中的過程性學習資料，形成微課資源，以便后續(xù)在設計過程中有可供借鑒的虛擬教學經驗，也有利于學生回顧學習。當然，《模擬安裝照明電路》一課的開發(fā)與虛擬現(xiàn)實項目式設計并不止這些，后續(xù)還需根據(jù)學生能力的發(fā)展進一步發(fā)散項目任務，以鞏固學生的科學素養(yǎng)。

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作者簡介：張濤，男，碩士研究生，青島市城陽區(qū)第三實驗小學教師/教研組長，研究方向為項目式教學、大單元教學、信息技術與學科融合、媒介素養(yǎng)。

本文系山東省教育發(fā)展研究微課題“基于‘互聯(lián)網(wǎng)+’的小學科學實驗項目化的實踐研究”（課題編號：FJ215）、青島市教育科學“十四五”規(guī)劃2023年度專項課題“指向深度學習的小學科學進階式大單元教學實踐與案例研究”（課題批準號：QJK2023D002）的研究成果。