應用VR/AR技術構建虛擬實驗優化小學數學學習體驗*

摘" 要：探討虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術應用于小學數學教學面臨的挑戰，結合課堂教學實例，提出申請經費、加強培訓、開發資源庫等應對措施，以促進VR/AR技術在小學數學教學中有效應用，從而優化小學數學學習體驗。

關鍵詞：VR/AR技術；虛擬實驗；小學數學；學習體驗

文章編號：1671-489X（2025）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.05.

0" 引言

小學數學作為基礎教育的重要組成部分，對培養學生的邏輯思維、問題解決能力和創新精神具有不可替代的作用。傳統小學數學教學往往側重于知識灌輸，學生在抽象概念理解、空間想象等方面面臨諸多困難。虛擬現實（VR）和增強現實（AR）技術在小學數學教學中的應用，為解決上述問題提供了全新的思路與方法。應用VR/AR技術構建虛擬實驗，能夠為學生創造沉浸式、交互式的學習環境，使抽象的數學知識變得直觀、形象，從而有效優化小學數學學習體驗 [1]。

1" VR/AR技術概述

VR技術是一種利用計算機生成三維虛擬環境的技術，用戶通過佩戴頭戴式顯示設備等硬件，能夠身臨其境地感受虛擬場景，并通過交互設備與虛擬環境中的對象進行互動。在VR環境中，用戶的視覺、聽覺甚至觸覺等感官能得到全方位的模擬體驗，仿佛置身于真實世界之中。例如，在學習“認識圖形”時，學生可以通過VR設備進入一個充滿各種立體圖形的虛擬空間，近距離觀察正方體、球體、圓柱體等的形狀特征，還能通過手柄操作將圖形旋轉、拆解，從不同角度深入了解圖形結構。

AR技術可將虛擬信息與真實世界相結合，通過手機、平板電腦或頭戴式AR設備等，將虛擬的圖像、模型、文字等信息疊加在現實場景之上。學生在觀察真實世界的同時，能夠看到與之相關的虛擬信息，實現虛實融合的交互體驗。以“位置與方向”教學為例，學生可以使用AR設備掃描現實環境，設備屏幕上會顯示出方向標識、距離信息和周邊建筑物的虛擬標注等，幫助學生更直觀地理解位置與方向的概念。

2" VR/AR技術在小學數學教學中應用的優勢

2.1" 激發學習興趣

小學數學知識相對抽象，對小學生而言，理解和掌握存在一定難度，容易導致學習興趣缺失。VR/AR技術以其獨特的沉浸式和互動性體驗，能夠迅速吸引學生的注意力。例如，在學習“分數的初步認識”時，應用VR技術創建一個虛擬的比薩店場景，學生扮演店員，需要將一個虛擬比薩平均分成若干份，分給不同的顧客。這種有趣的互動方式，讓學生在游戲化的情境中學習分數知識，極大地激發了他們的學習興趣和參與熱情。

2.2" 促進抽象概念理解

數學中的許多概念，如幾何圖形的性質、數量關系等，較為抽象，難以通過傳統教學方式讓學生直觀理解。VR/AR技術可把抽象概念巧妙地轉化為直觀且可視化的模型。在“圓的周長和面積”教學中，通過應用AR技術，學生可以在現實桌面上看到一個虛擬的圓形，通過點擊操作，能夠展示圓的半徑、直徑、周長的動態變化，還能將圓分割、拼接成近似長方形，直觀呈現圓面積公式的推導過程，幫助學生輕松理解這一抽象概念。

2.3" 培養空間想象能力

小學數學涵蓋眾多空間幾何知識，對培育學生的空間想象能力有重要意義。VR/AR技術提供的三維空間展示和交互功能，為學生創造了良好的空間學習環境。在學習“觀察物體”時，學生通過VR設備從不同角度觀察虛擬的立體物體，能夠清晰地看到物體在不同視角下的形狀變化，從而有效提升空間想象能力和空間觀念[2]。

2.4" 提供個性化學習體驗

學生的學習進度與方式各有差異。VR/AR技術支持下的虛擬實驗可以根據學生的操作數據和反饋，為學生提供個性化的學習路徑。例如，在數學解題練習中，虛擬實驗系統可以根據學生對不同類型題目的答題情況，自動調整題目難度和側重點，滿足每個學生的學習需求，實現因材施教。

3" 應用VR/AR技術構建虛擬實驗的實施策略

3.1" 結合教學內容設計虛擬實驗

3.1.1" 深入分析教材

教師深入鉆研小學數學教材是應用VR/AR技術開展教學的關鍵前提。以“圖形的平移與旋轉”為例，該部分旨在讓學生理解平移和旋轉的概念以及它們在生活中的應用。這是較為抽象的動態幾何概念，學生單純通過課本上的靜態圖形和文字描述很難建立直觀認知。應用VR/AR技術構建虛擬實驗，學生能在虛擬場景中看到房屋、橋梁等大型建筑在建設過程中物體的平移過程，或是游樂園里旋轉木馬、摩天輪等設施的旋轉運動。這種直觀呈現可幫助學生輕松理解圖形的平移與旋轉本質，遠比傳統教學方式更具效果。

3.1.2" 設計實驗流程

仍以“認識圖形”為例，在虛擬實驗中，實驗目的設定為讓學生清晰辨別長方形、正方形、三角形等常見圖形的特征。實驗步驟上，首先，學生通過VR設備進入一個充滿各種圖形的虛擬空間，在該空間中圖形會以立體、可交互的形式呈現。學生可以走近圖形，用手觸摸（通過手柄模擬觸摸操作），初步感受圖形的輪廓。教學要點在于引導學生關注圖形邊的數量、長度關系和角的特征。在思考問題環節，教師可設置諸如“為什么長方形的對邊相等”“三角形的穩定性在生活中有哪些體現”等問題。在這個過程中，學生通過操作VR設備對不同圖形進行旋轉、平移等操作，進而深入理解圖形的特征。

3.2" 選擇合適的VR/AR設備與軟件

3.2.1" 設備選型

在教學中，考慮到教學預算和小學生的使用便利性，學校選用一款與手機適配的移動VR設備。在“分數的初步認識”教學中，學生通過手機連接VR設備，進入虛擬的“美食分享會”場景。在這個場景里，學生需要將一個虛擬的比薩、蛋糕等食物平均分成若干份，以此理解分數的概念。這種設備小巧輕便，學生可以輕松佩戴，且成本較低，便于在班級中普及。在“位置與方向”教學中，學校采用AR平板設備。例如在校園內開展教學活動時，學生使用AR平板掃描校園的不同區域，平板屏幕上會實時顯示各個建筑物的方位信息，以及學生自身所在位置與目標地點的距離和方向指引。AR平板設備較大的屏幕顯示區域讓小組內的學生能夠圍在一起共同觀察和討論，促進了學生之間的交流與合作。

3.2.2" 軟件評估

一款名為“數學樂園VR”的教學軟件，內容涵蓋小學數學各個年級的知識點，以生動有趣的動畫形象和故事情節串聯教學內容。在教授“乘法口訣”時，該軟件創設了一個“森林探險”的情境，學生在探險過程中需要應用乘法口訣解決遇到的各種難題，如幫助小動物計算搭建房子所需的木材數量等。從交互特性來看，該軟件操作簡便，學生借助手柄進行按鍵操作即可達成各類指令，而且軟件穩定性強，經過長時間的課堂使用測試基本未出現卡頓、閃退等問題。同時，該軟件支持教師根據教學需求對部分關卡和任務進行定制修改，以更好地契合教學進度。

3.3" 教師培訓與指導

3.3.1" 技術培訓

學校安排教師參與為期一周的VR/AR技術培訓。培訓過程中，教師們學習了VR設備的組裝、調試和常見故障排除方法。在軟件使用技巧方面，教師們深入了解了如何在虛擬實驗軟件中設置任務、添加提示信息，如何導出學生的學習數據。在學習虛擬實驗設計與開發時，教師們掌握了簡單的場景搭建方法，能夠根據教學內容，在已有的軟件模板基礎上添加一些個性化的元素。例如，在“認識人民幣”虛擬實驗中，教師自行添加了一些生活中常見的購物場景，讓虛擬實驗更貼合實際教學需求。

3.3.2" 教學指導

在“圓柱的體積”教學中，教師在虛擬實驗開啟前，通過一系列精心設計的提問，引導學生回顧長方體體積的計算方式，并促使學生深入思考圓柱與長方體之間可能存在的內在關聯。在實驗過程中，教師巡視各小組，發現學生使用VR設備測量圓柱的底面半徑和高出現誤差時，及時給予指導，幫助學生正確操作設備獲取準確數據。實驗結束后，教師組織學生討論圓柱體積公式的推導過程，引導學生思考在虛擬實驗中將圓柱轉化為近似長方體的過程中，哪些量發生了變化，哪些量沒有變化，從而幫助學生將虛擬實驗中的直觀體驗轉化為對圓柱體積公式的深刻理解。

3.4" 課堂教學組織與實施

3.4.1" 導入環節

在“數學廣角——植樹問題”教學中，教師使用AR設備展示一條虛擬的道路，道路兩旁有一些待種植的樹苗。學生通過AR設備可以看到不同種植方式（兩端都種、只種一端、兩端都不種）下樹苗的分布情況，從而引出本節課要探究的植樹問題。這樣直觀且饒有趣味的導入形式，剎那間抓住了學生的目光，成功點燃他們的探究熱情。

3.4.2" 實驗操作環節

在“測量不規則物體的體積”實驗中，學生以小組為單位，借助VR設備開展虛擬實驗。在虛擬實驗室中，每個小組都要完成一個不規則石塊體積的測量任務。學生們按照教師設計的實驗流程，首先在虛擬場景中找到一個裝滿水的量杯，然后將石塊放入量杯中，觀察水面上升的高度，通過計算上升水的體積得出石塊的體積。在操作過程中，小組里的學生各司其職、協同合作。部分學生專注于操作設備，精準執行實驗步驟；部分學生負責記錄數據。一旦遭遇問題，大家共同探討解決方案。教師穿梭于各小組之間，實時解答學生在操作中的疑問，比如怎樣精確讀取量杯中的數據等。

3.4.3" 總結與反饋環節

“多邊形的內角和”虛擬實驗結束后，各小組紛紛匯報成果。有的小組另辟蹊徑，應用將多邊形分割成三角形的獨特方法，推導出多邊形內角和的計算公式，令人眼前一亮。教師對各小組的匯報進行總結，強調不同方法的優缺點，并通過提出“如果是一個十邊形，它的內角和是多少”“多邊形的內角和與邊數之間有怎樣的函數關系”等問題，對學生的學習效果進行反饋檢測。針對學生在回答問題時暴露的對多邊形內角和公式理解不透徹的問題，教師再次結合虛擬實驗中的場景進行講解，幫助學生鞏固所學知識[3]。

4" 實證研究與案例分析

4.1" 研究設計

為驗證應用VR/AR技術構建虛擬實驗對小學數學學習體驗的優化成效，本研究選取某小學水平相近的兩個平行班級展開對比研究：將五（1）班設為實驗組，在數學教學中充分應用VR/AR技術構建虛擬實驗；將五（2）班設為對照組，沿用傳統教學法。研究周期設定為一學期，全面涵蓋數學知識理解、學習興趣、學習態度等多維度內容。

在研究進程中，綜合采用多種方法收集數據。在課堂觀察環節，由專業觀察員依據詳細的觀察量表，記錄學生在課堂上的參與度、專注度、互動表現等情況；問卷調查則圍繞學生對數學學習的興趣、自信心，對不同教學方式的喜好等設計題目，確保全面、準確地反映學生的學習體驗；測試成績分析通過階段性單元測試、期中期末考試等，重點關注與實驗相關知識點的得分情況。隨后，借助SPSS統計軟件對所收集數據進行深度剖析，借此揭示兩組數據之間的差異情況與內在關聯。

4.2" 案例分析

在“三角形的內角和”教學中，實驗組學生借助VR設備，走進一個專為探究而設的虛擬三角形實驗室。在該實驗室中，學生能夠自由選擇銳角三角形、直角三角形、鈍角三角形等進行研究。應用虛擬測量工具精確測出三角形三個內角，并將所得度數相加。學生還能通過簡單操作，將三角形的三個內角進行拼接，直觀觀察拼接后的圖形。實驗結果清晰表明，無論何種三角形，其內角和均為180°[4]。

實驗過程中，課堂觀察數據顯示，實驗組學生的主動發言次數平均每節課達到15次，而對照組僅為8次。在操作環節，實驗組學生的專注度高達95%，對照組則為80%，充分體現出實驗組學生極高的參與熱情和專注度。反觀對照組，學生通過傳統的紙質三角形剪拼、測量等方法學習。課堂觀察發現，約30%的學生在剪拼過程中遇到操作困難；在測量角度時，由于手工測量誤差，約40%的學生得出的內角和與180°存在一定偏差，導致對三角形內角和的理解不夠深入。測試成績分析結果令人眼前一亮。在“三角形的內角和”單元測試里，實驗組學生的平均成績達到85分，相較對照組的72分，足足高出13分。成績分布方面，實驗組成績在80分及以上的學生占比達60%，而對照組成績在這一分數段的學生占比僅為35%。問卷調查結果同樣凸顯出VR/AR技術的優勢。當被問及“你對數學學習的興趣是否提高”時，實驗組有80%的學生給予肯定回答，對照組僅有40%。在“你是否對自己學習數學更有信心”這一問題上，實驗組75%的學生表示贊同，對照組則為45%。諸多數據表明，實驗組學生對數學學習的興趣和自信心顯著提升。

通過實證研究與案例分析，有力地證明了應用VR/AR技術構建虛擬實驗在小學數學教學中能夠有效提升學生對數學知識的理解，激發學生的學習興趣，增強他們的學習自信心，為優化小學數學學習體驗提供了強有力的支持。

5" 面臨的挑戰與應對策略

5.1" 技術成本與設備管理

5.1.1" 面臨的挑戰

在課堂教學場景中，技術成本與設備管理問題凸顯。以某偏遠地區小學為例，采購一批基礎的VR/AR設備及配套軟件，花費高達數十萬元，這對該校來說是沉重負擔。在日常維護方面，由于設備精密，出現故障后需專業人員維修，增加了時間與資金成本。在“認識圖形”教學中，課堂上分發和回收設備耗費大量時間，且因學生操作不當，部分設備出現損壞，如VR設備的頭戴顯示部分松動、AR平板屏幕刮花等，影響后續教學使用。

5.1.2" 應對策略

學校積極申請政府專項教育經費，獲得資金支持用于設備采購。學校與本地科技企業合作，企業贊助部分設備，并定期安排技術人員到學校進行設備維護。課堂上，制定詳細設備使用規則，如使用前需洗手防止弄臟設備、禁止隨意拆卸設備等。在“體積與容積”教學前，對學生進行設備使用培訓，使學生了解正確的操作方法，降低設備損壞率。

5.2" 教師技術能力與教學理念

5.2.1" 面臨的挑戰

在“分數的初步認識”教學中，部分教師因對VR/AR技術掌握不足，無法在虛擬實驗中引導學生進行深入探究，如不能靈活設置軟件參數以適應不同學生的學習進度。一些教師受傳統理念束縛，在“數學廣角——搭配”教學中仍傾向于口頭講解，覺得VR/AR技術雖新穎但課堂節奏難以把控，擔心學生注意力分散。

5.2.2" 應對策略

學校每學期組織教師參加為期兩周的VR/AR技術培訓課程，邀請專家進行案例分享，如講解如何應用VR技術讓學生在虛擬超市場景中理解小數的加減法。鼓勵教師開展教學實踐。一位教師在“位置與方向”教學中，應用AR技術設計校園尋寶游戲。學生使用AR設備尋找隱藏在校園各處的“寶物”，在實踐中掌握知識。教師在這一過程中提升教學創新能力，逐漸轉變教學理念。

5.3" 教學資源的開發與整合

5.3.1nbsp; 面臨的挑戰

在“三角形的內角和”教學中，教師難以找到適配的VR/AR教學資源，現有的資源要么內容簡單，無法深入展示三角形內角和推導過程，要么操作復雜，不適合小學生。將這些資源與教材進行整合時，需花費大量時間調整，比如修改資源中的題目難度、知識點順序等，影響教學效率。

5.3.2" 應對策略

教育部門牽頭組建專業團隊，打造小學數學VR/AR教學資源庫，覆蓋各年級知識點。資源庫中的“認識鐘表”資源，以生動有趣的動畫展示時針、分針的運動，與教材知識點緊密結合。學校積極倡導教師分享資源使用經驗，全力搭建校內資源共享平臺。在“圓柱的體積”教學中，教師可從平臺獲取優質資源，并根據班級學生情況進行篩選整合，提高教學資源利用效率。

6" 結束語

VR/AR技術的應用賦予小學數學教學全新活力與機遇，通過構建虛擬實驗，可有效優化小學數學學習體驗，極大地激發學生的學習興趣，助力學生理解抽象數學概念，培育其空間想象能力與創新思維。但在實際應用時，卻遭遇技術成本高昂、教師技術能力欠缺、教學資源開發難度大等一系列挑戰 [5] 。通過采取有效的應對策略，如合理規劃資金、加強教師培訓、整合教學資源等，可以逐步克服這些挑戰，推動VR/AR技術在小學數學教學中廣泛應用，為小學數學教育教學改革提供有力支持。在未來的研究中，需要進一步探索VR/AR技術與小學數學教學融合的新模式和新方法，不斷提升教學效果，促進學生全面發展。

隨著技術的進步和教育理念的更新，VR/AR技術有望在小學數學教育領域發揮更大的作用，為培養適應未來社會發展的創新型人才作出貢獻。

7" 參考文獻

[1] 康藝旋.基于增強現實的小學數學立體圖形教學軟件的開發和應用研究[D].黃石：湖北師范大學，2021.

[2] 呂子凡.小學低段學生數學空間想象能力的培養路徑[J].試題與研究：高考版，2021（2）：119-120.

[3] 王亞.開展數學實驗，提高教學的適切性：以蘇教版小學數學四年級《多邊形的內角和》一課教學為例[J].小學教學參考，2021（21）：10-11.

[4] 門文娟.中華優秀傳統文化滲透在小學數學課堂教學中的策略探究[J].考試周刊，2023（28）：87-90.

[5] 包東輝.適用于低齡兒童的Web3D教育平臺開發研究[J].電子技術與軟件工程，2021（10）：117-119.

*項目來源：2021年甘肅省張掖市“十四五”教育科學規劃一般課題“基于經歷知識形成過程的小學數學教學研究”（課題編號：ZYLX〔2021〕031）。

作者簡介：郭芳，高級教師。