借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建項目教學(xué)的仿真情境

隨著教育領(lǐng)域?qū)诵乃仞B(yǎng)培育的重視，項目教學(xué)逐漸成為培養(yǎng)關(guān)鍵能力的重要途徑。它以真實情境為依托，整合多學(xué)科知識，旨在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。然而，當(dāng)前小學(xué)信息科技項目教學(xué)面臨諸多挑戰(zhàn)，如存在教師理論知識結(jié)構(gòu)不完善和資源支持不足及受現(xiàn)實因素限制等問題，導(dǎo)致理想與現(xiàn)實之間存在較大差距。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）強調(diào)，教學(xué)應(yīng)聚焦于創(chuàng)設(shè)真實情境，并融入多元資源以提升學(xué)生參與度。在此背景下，推動信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合尤為重要。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展為項目教學(xué)提供了新的機遇。它通過模擬現(xiàn)實世界的聽覺、視覺和觸覺體驗，有效輔助情境構(gòu)建，增強教學(xué)的真實性和互動性，具有想象性、交互性和沉浸性的基本特征^[1]。筆者以“智能火災(zāi)報警器”項目教學(xué)為例，探討如何利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，依據(jù)GRASPS模型構(gòu)建具有真實性、開放性、復(fù)雜性和多元性的問題情境，以促進信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，更好地適應(yīng)新時代教育發(fā)展需求。

一、項目教學(xué)的現(xiàn)實挑戰(zhàn)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的機遇

項目教學(xué)以真實情境為依托，整合多學(xué)科知識，用以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對復(fù)雜問題的能力。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展為項目教學(xué)提供了新的機遇。它通過模擬現(xiàn)實世界的聽覺、視覺和觸覺體驗，有效輔助情境構(gòu)建，增強教學(xué)的真實性和互動性。

（一）現(xiàn)實因素限制與偽情境的形成

在小學(xué)信息科技項目教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)的過程中，教師面臨如下挑戰(zhàn)：一方面，若教師的理論知識不夠扎實，設(shè)計的情境較為單薄，難以激發(fā)學(xué)生的思考熱情，若教師過于追求新穎性，則可能設(shè)計出與學(xué)生日常生活經(jīng)驗相去甚遠的偽情境，導(dǎo)致學(xué)生感到困惑和迷茫；另一方面，教師在創(chuàng)設(shè)情境時往往受時空或環(huán)境限制，難以為學(xué)生提供完全真實、豐富多彩的活動場景^[2]。

（二）情境資源單一與“Z世代”的吸引力缺失

在當(dāng)今的課堂教學(xué)中，情境創(chuàng)設(shè)的方式主要為師生對話或視頻圖片呈現(xiàn)。現(xiàn)階段的小學(xué)生被稱為“Z世代的數(shù)字原住民”。他們一出生就與網(wǎng)絡(luò)信息無縫對接，生活在數(shù)字化浪潮的前沿^[3]。教師利用傳統(tǒng)信息化教學(xué)資源構(gòu)建情境顯然已無法吸引學(xué)生。這在一定程度上導(dǎo)致學(xué)生缺少主體參與感和交互性，造成了課堂教學(xué)中師生“身”和“心”的割裂。

（三）知識傳遞的片面性與情感溫度的缺失

以往教師創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的方法，側(cè)重于知識的單向傳遞，而缺乏師生、生生之間情感紐帶的建立。課標(biāo)明確提出，教師在創(chuàng)設(shè)仿真情境時，不僅要注重知識的情境邏輯，還需將學(xué)科知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生的真實體驗，并引導(dǎo)他們將所學(xué)應(yīng)用于日常生活。這一轉(zhuǎn)變無疑對教師和課堂提出了更高的要求。對真實世界的沉浸和自由、開放、靈活的規(guī)則，是構(gòu)建以學(xué)生為主體的教學(xué)模式的必要條件，但同時也是傳統(tǒng)教學(xué)中情境創(chuàng)設(shè)的困境所在^[4]。

二、項目教學(xué)的起點設(shè)計：構(gòu)建仿真情境

教師開展項目教學(xué)，應(yīng)當(dāng)以始為終，以仿真情境為起點，將成果回歸于現(xiàn)實應(yīng)用。筆者分為兩大步設(shè)計項目活動。

（一）以情境為起點驅(qū)動學(xué)生學(xué)習(xí)

“智能火災(zāi)報警器”項目教學(xué)目標(biāo)是：學(xué)生在項目活動中了解燃燒的特點和火災(zāi)發(fā)生的原因，借助圖形化編程軟件和Arduino套件實現(xiàn)火情監(jiān)測與報警。教師基于學(xué)生學(xué)習(xí)背景設(shè)置真實問題情境是整個項目的初始階段，也是推動項目進程的線索和背景。要做到以情境為起點，教師需要創(chuàng)建背景，促使學(xué)生了解問題，將大項目細化分解為具體的小問題，實現(xiàn)問題的解讀與聚焦。學(xué)生在收集相關(guān)資料時做好前期知識準(zhǔn)備，進一步明確要解決的問題。學(xué)生參與這一過程，能夠培養(yǎng)抽象問題、分解問題、分析評估信息和建構(gòu)知識的思維能力（如圖1）。

（二）以現(xiàn)實為來源設(shè)計情境

在創(chuàng)設(shè)項目教學(xué)的仿真情境時，教師要從現(xiàn)實世界出發(fā)，將學(xué)習(xí)活動根植于學(xué)生的生活經(jīng)驗之中。這樣設(shè)計不僅能夠增強學(xué)習(xí)的現(xiàn)實意義，還能激發(fā)學(xué)生的參與熱情和創(chuàng)造力。以下是構(gòu)建仿真情境的三個關(guān)鍵步驟（如圖2）。

1.明確問題目標(biāo)，結(jié)合生活原型

基于大概念創(chuàng)設(shè)仿真情境旨在培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力。筆者鼓勵學(xué)生像專家一樣思考，理解大概念進而形成靈活解決問題的能力，逐步實現(xiàn)提升素養(yǎng)的目標(biāo)。在設(shè)計過程中，筆者沒有使用抽象的“偽情境”，而是尋找現(xiàn)實生活中的場景原型，以此為基礎(chǔ)進行逆推和改編，確保情境的真實性和相關(guān)性。

【修改】新聞報道：某小學(xué)發(fā)生火災(zāi)，其中一間教室堆積大量易燃物，起火后煙霧彌漫，熊熊大火迅速擴散至所有教室，至少20名學(xué)生被困不幸喪生。筆者這樣設(shè)計情境，引導(dǎo)學(xué)生迅速捕捉問題背后的關(guān)鍵知識點，即如何利用燃燒的特點實施火情監(jiān)測。

2.解構(gòu)問題維度，設(shè)計情境框架

筆者采用威金斯GRASPS模型設(shè)計“智能火災(zāi)報警器”項目的教學(xué)活動。該模型要求教師在設(shè)計情境框架時整合6個維度（如圖3）：目標(biāo)、角色、對象、情境、產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)。這種多維度的設(shè)計有助于還原真實性，使學(xué)生能夠深入挖掘所需的條件和資源^[5]。

在“智能火災(zāi)報警器”項目教學(xué)中，筆者對基本要素分解架構(gòu)如下。

目標(biāo)：設(shè)計一款能夠?qū)崟r監(jiān)測火災(zāi)并及時報警的智能火災(zāi)報警器。

角色：作為校園安全工程師，負責(zé)設(shè)計和實施火災(zāi)報警系統(tǒng)。

對象：面向?qū)W校師生，確保他們的安全。

情境：尼日爾校園草房起火，需要緊急應(yīng)對。

產(chǎn)品：編制產(chǎn)品手冊，闡述設(shè)計理念和實施方案。

標(biāo)準(zhǔn)：以口頭或書面方式匯報，展示成果，接受教師和學(xué)生的評價。

3.細化問題要素，精致內(nèi)容呈現(xiàn)

在情境細化時，筆者注重情境是否符合目標(biāo)，能否反映目標(biāo)；是否符合學(xué)情，能否引起學(xué)生的興趣、聯(lián)結(jié)學(xué)生既有經(jīng)驗；情境呈現(xiàn)是否具有可行性。筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，非洲草房教室起火的情境并不符合大部分學(xué)生的既有認(rèn)知。因此，筆者調(diào)整和細化情境內(nèi)容，使其更貼近學(xué)生的校園生活實際。

【情境呈現(xiàn)】近期校園火災(zāi)事件頻發(fā)，學(xué)校需要更新火災(zāi)報警系統(tǒng)，并將其放置在校園火災(zāi)逃生的最佳路線上。學(xué)校召開了安全工程專家研討會，各組學(xué)生將作為校園安全工程師，基于校園環(huán)境設(shè)計一款智能火災(zāi)報警器。最優(yōu)方案將被采納，作為火災(zāi)報警系統(tǒng)，首要功能是實現(xiàn)火情監(jiān)測，并在火災(zāi)發(fā)生時第一時間發(fā)出警報，其次要能夠指示逃生路線。

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù)：仿真情境的呈現(xiàn)實踐

在“智能火災(zāi)報警器”項目中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用為學(xué)生提供了沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，使他們能夠在仿真情境中體驗和學(xué)習(xí)。以下是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在仿真情境構(gòu)建中的三個關(guān)鍵應(yīng)用。

（一）以虛擬環(huán)境為原型，增強現(xiàn)實情境

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠仿真并高度還原現(xiàn)實生活中的事物，甚至將人腦中的想象內(nèi)容進行細節(jié)化呈現(xiàn)。教師借助Unity等工具構(gòu)建校園虛擬場景，讓學(xué)生仿真體驗學(xué)校環(huán)境（如圖4），從而更好地規(guī)劃火災(zāi)逃生路線。這種虛擬場景的體驗對于小學(xué)生尤為重要，因為他們的抽象思維和立體空間感仍在發(fā)展中，而虛擬現(xiàn)實提供了一個直觀的學(xué)習(xí)平臺。

（二）以人機交互為引導(dǎo)，提升知識儲備

人機交互是虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵要素，它使得學(xué)生能夠與虛擬角色（NPC）互動，操作虛擬環(huán)境中的物體以完成特定的行為目標(biāo)。這種互動性不僅提升了學(xué)生的參與度，而且有助于學(xué)生接受觸覺、聽覺和視覺反饋及NPC的評估與指導(dǎo)，豐富知識庫。以下是三種主要的人機交互方式。

1.介紹性動畫：深入了解項目背景

動畫是一種集合文字、色彩、圖形和音樂的教學(xué)資源，教師用其能夠有效地為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的課堂環(huán)境，增強課堂教學(xué)的趣味性和生動性^[6]。教師基于Unity設(shè)計動畫，能夠?qū)⒅悄芑馂?zāi)報警器項目背景中的細節(jié)以動態(tài)形式呈現(xiàn)，以更生動的方式介紹消防安全知識。

2.交互式卡片：立體感知物品模型

Vuforia是一款專為移動設(shè)備設(shè)計的增強現(xiàn)實軟件開發(fā)工具包，它賦予開發(fā)者創(chuàng)建引人入勝的增強現(xiàn)實應(yīng)用的能力。依托于先進的計算機視覺技術(shù)，Vuforia能夠?qū)崟r識別和追蹤平面圖像以及3D對象，實現(xiàn)圖像配準(zhǔn)的神奇功能。這有助于開發(fā)者精準(zhǔn)地在移動設(shè)備的攝像頭視場中，將虛擬對象與現(xiàn)實世界中的物體進行匹配和定位。

利用Vuforia軟件，筆者設(shè)計了一系列交互式卡片，每張卡片都與一件物品的三維模型相對應(yīng)。學(xué)生只需使用平板電腦掃描這些卡片，就能在屏幕上觀看到栩栩如生的消防安全相關(guān)用品的三維模型（如圖5）。這種互動方式不僅讓學(xué)生對每件物品的特征有了直觀的認(rèn)識，還讓他們了解了物品的使用方法和適用情境，極大地提升了學(xué)習(xí)效率和體驗。

3.對話式學(xué)習(xí)：強化測評知識內(nèi)容

在對話式學(xué)習(xí)這一動態(tài)過程中，學(xué)生被邀請參與圍繞特定主題的互動對話和問答活動，與計算機進行知識交流并深化學(xué)習(xí)體驗。這種學(xué)習(xí)環(huán)境提供了多樣化和廣泛的選擇，以個性化的方式支持每個人的學(xué)習(xí)旅程，并擴展了傳統(tǒng)課堂訓(xùn)練的邊界。學(xué)生與虛擬學(xué)習(xí)伙伴進行有目的且富有生氣的對話，不僅能有效提高學(xué)習(xí)效率，而且能獲得對學(xué)習(xí)成果的即時反饋，從而精準(zhǔn)衡量和強化學(xué)習(xí)成效。

在精心構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實場景中，智能對話式學(xué)習(xí)得以充分實現(xiàn)。當(dāng)用戶步入特定的觸發(fā)區(qū)域時，相關(guān)的知識點會以角色間對話的方式自然地展現(xiàn)出來，為學(xué)生提供了一個互動的學(xué)習(xí)平臺。這種學(xué)習(xí)方式覆蓋了識別常用消防器材、了解易燃物品、掌握火災(zāi)特性及消防基礎(chǔ)知識多個方面。學(xué)生在這種模擬情境中吸收知識后，將面臨一系列問題，促進他們鞏固知識。根據(jù)學(xué)生的回答，系統(tǒng)將提供不同的反饋結(jié)果，進一步促進知識的內(nèi)化和應(yīng)用。這種互動和反饋機制不僅增強了學(xué)習(xí)的吸引力，也確保了教育目標(biāo)的實現(xiàn)^[7]。

（三）以沉浸游戲為形式，激發(fā)學(xué)習(xí)主動性

虛擬現(xiàn)實游戲提供了一種沉浸式的火場逃生體驗。學(xué)生在游戲中使用WASD控制人物移動，尋找消防用品，避開火焰，最終到達安全區(qū)域（如圖6）。這種游戲化的學(xué)習(xí)活動不僅讓學(xué)生體驗到火場逃生的緊迫感，還能以第一視角享受沉浸式體驗，增強學(xué)生的主動性和參與感，使學(xué)習(xí)變得更加生動和有趣。

四、仿真情境設(shè)計與實踐的策略總結(jié)與思考

筆者針對當(dāng)前項目教學(xué)中情境構(gòu)建存在的諸多難題，創(chuàng)新性地將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入其中，構(gòu)建了“三環(huán)”模型，并在該模型的指導(dǎo)下以“智能火災(zāi)報警器”項目為例，開展情境構(gòu)建的深入實踐。對于實踐的過程與成效，筆者有以下思考與啟示。

（一）以“虛”補實，實現(xiàn)情境類型多元化

利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建教學(xué)情境，能夠彌補傳統(tǒng)教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)中的局限，允許學(xué)生跨越時空、沉浸體驗，已成為教學(xué)中呈現(xiàn)情境多元化的有效工具和橋梁^[8]。但這種教學(xué)模式并非對傳統(tǒng)教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)方式的全面替代，而是作為其寶貴的補充和有力輔助。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)充分考慮課程內(nèi)容和學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，審慎地選擇虛擬現(xiàn)實技術(shù)的體驗時間和教學(xué)情境的類型，以確保學(xué)生在教學(xué)情境的引導(dǎo)下，獲得更為豐富、深刻且高效的學(xué)習(xí)體驗。

（二）以“境”激趣，豐富學(xué)生的感知渠道

小學(xué)階段的學(xué)生在開展自主式探究性學(xué)習(xí)時，往往需要從簡單的、直觀的直接經(jīng)驗開始，逐步形成抽象的思維能力，而融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的真實性場景融合了聲與光，讓學(xué)習(xí)內(nèi)容可觸摸、可感知、可互動。學(xué)生自主學(xué)習(xí)的開展需要基于更真實的場景和問題，如此才能激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。但在情境教學(xué)中，小學(xué)階段的學(xué)生同樣展現(xiàn)出了較弱的自控能力，因此在課程教學(xué)中教師要充分發(fā)揮“引導(dǎo)者”的作用，引導(dǎo)學(xué)生在保持學(xué)習(xí)主體性的同時合理利用資源，產(chǎn)生正向的行為。

（三）以“真”喚情，內(nèi)化知識促情感升華

教師應(yīng)把握新興熱點，充分利用資源，真正實現(xiàn)技術(shù)賦能教育。在教育教學(xué)中情境的創(chuàng)設(shè)應(yīng)根植于社會問題，在知識傳遞的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的同理心和責(zé)任感；在教學(xué)活動的創(chuàng)設(shè)中關(guān)注科技的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和探索精神。在信息科技課堂教學(xué)中，教師應(yīng)五育并舉，營造數(shù)字人文環(huán)境，促進學(xué)生情感的升華，實現(xiàn)課程育人的目標(biāo)，承擔(dān)起培根鑄魂、啟智潤心的職責(zé)，將學(xué)生培養(yǎng)成有理想、有本領(lǐng)、有擔(dān)當(dāng)?shù)臅r代新人。

注：本文系2023年浙江省教育信息化研究課題“融媒體背景下信息社會責(zé)任的跨學(xué)科培養(yǎng)策略”（編號：2023ETC002）、2023年金華市教科研課題“指向信息社會責(zé)任的小學(xué)跨學(xué)科主題實踐研究”（編號：01205）的研究成果。

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（作者系浙江大學(xué)教育學(xué)院研究生，浙江省金華市外國語實驗學(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志