感科課堂VR與AI的應用

〔摘" "要〕" 近年，隨著國家“雙減”政策深化實施，技術創新成為破解教育資源均衡化與教學方式變革雙重挑戰的關鍵路徑。沉浸式學習環境有助于學生對概念的理解，AI驅動的自適應系統能有效降低認知負荷。本文將從以上兩個方面進行闡釋、分析，創造性地構建了一種基于“VR+AI”雙驅動的小學科學大單元教學模式：“感科課堂——VR-AI學堂”。

〔關鍵詞〕" 小學科學；AI；VR；大單元教學

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）17" " 0028-03

一、緒論

（一）研究背景

隨著時代的發展，科學素養已成為國家基礎教育改革的戰略重點。我國《義務教育科學課程標準（2022年版）》明確提出“強化實踐探究，培養創新思維”的目標要求。而在數字化轉型加速推進的背景下，小學科學教育面臨三重結構性矛盾：其一，傳統講授式教學導致學生對抽象概念理解困難，學生認知參與不足；其二，實驗資源分布不均，農村地區學校實驗設備保有量較低，專任教師缺口較大；其三，大單元教學要求與課程實施能力不匹配，大單元教學強調跨學科整合，但現有教材的知識呈現方式難以支撐系統性思維培養。

在此背景下，VR與AI技術的融合發展為重構科學教育生態提供了技術解決方案。根據《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022-2026年）》，教育領域被列為重點垂類應用場景，5G網絡的高覆蓋率基建成果為技術落地奠定基礎。技術創新作為突破點，通過虛擬實驗室、智能學伴系統等應用形態，正在重塑“具身認知—數據驅動—精準評價”的新型教育范式。

（二）研究目的和意義

本研究旨在構建一種基于“VR+AI”雙驅動的科學大單元教學模式，旨在實現以下四大目標：第一，通過設計AI驅動的學情診斷與路徑推薦系統，精準鏈接課堂教學，實現個性化學習；第二，開發適配大單元主題的VR場景資源庫，涵蓋情境模擬、互動功能等多元化功能；第三，建立包含學生參與度、知識掌握度等多維度的教學效果評價體系；第四，結合AI與VR功能優勢，創設多樣化的學習環境，彌補教師素養的不足。以期對教育領域的創新發展有所貢獻。

（三）概念界定

1.科學教育

小學科學教育面向小學生，旨在傳授自然科學基礎概念與原理，培養探究能力和科學方法，激發學生好奇心與探索欲。通過動手實驗與實踐活動，強化實踐能力，同時注重跨學科整合。此外，小學科學教育還著重培養科學態度、情感價值觀及終身學習能力，為學生的全面發展奠定基礎，并鼓勵自我完善以適應社會需求。

2.大單元教學

張優幼提出，大單元教學相較于自然單元教學，構成了一個更為完整的教學結構體系，強調了其全面性。徐鵬則指出，大單元教學圍繞大任務與大問題展開，激勵學生投身于語文實踐活動，以此培養其學科素養，突出了任務驅動的重要性。趙慧提出，大單元教學建立在單元教學的基礎上，通過整合多元學習元素，利用真實問題引領學生學習語言，凸顯了學生在學習過程中的主體地位，這被視為一種創新的教學方法。

二、VR與AI技術基礎及教育應用

（一）感科課堂——VR"-"AI學堂

1.功能解析

感科課堂——"VR與AI學堂是一種創新型的教學模式或教學平臺，它將虛擬現實（VR）技術與人工智能（AI）技術融合于科學課程教學中。通過VR創建沉浸式的科學學習環境，讓學生仿佛置身于真實的科學場景中，直觀地感受和探索科學知識；利用AI實現教學資源的智能整合與推送、學生學習情況的個性化分析與跟蹤、智能輔導答疑等功能，為教師和學生提供全方位的支持。既可提升教學效果，又能激發學生對科學的學習興趣和探索精神，培養學生的科學素養和綜合能力。

2.AI智能管家

AI智能管家是感科課堂的核心組成部分。對教師而言，備課階段，它可依據教學大綱和教材，快速從海量網絡資源里篩選素材，生成教學計劃和活動計劃，減輕教師負擔。課堂上，它借助圖像、語音分析技術，實時捕捉學生的表情、動作和聲音，分析專注度。作業批改時，它自動批改客觀題，對主觀題給出評分建議，按照三維評價體系生成分析報告，方便教師精準定位教學難點，因材施教。它還具備智能交互功能，能與學生交流，對課本知識問題給予準確定位，對課本外的，或者其他相關學科知識給予學生講解，節約學生查找復雜資料的時間，有效降低認知負荷。

3.VR虛擬仿真科學實驗室

VR虛擬仿真科學實驗室為學生提供了一個安全、便捷且資源豐富的實驗環境。在傳統科學教學中，由于實驗設備、場地等因素的限制，一些實驗難以開展。而該實驗室不同，學生可在虛擬環境中進行各種科學實驗。在教科版科學四年級下冊“植物的生長變化”單元教學中，利用VR，學生能清楚看到種子膨脹、胚根突破種皮等現象。系統實時展示葉片參數，講解生長知識，還會對實驗操作進行實時指導和糾正錯誤。學生可隨時暫停、回放，用虛擬工具測量數據。這樣，學生從被動變為主動，抽象知識也變得直觀，學習效果顯著提升。

（二）VR與AI技術賦能大單元教學模式

1.對教師的賦能

在小學科學大單元融合教學中，AI能根據教師輸入的大單元主題，從海量教育資源中精準篩選整合科普視頻、學術研究摘要等素材，幫助教師搜集到尚未掌握的知識材料，降低教師個人認知負荷，彌補教師素養不足。同時，能借助智能生成課件，從現有小學科學1～6年級教材中提取與大單元主題相關，且符合教育對象年齡段的內容，自動生成“大單元主題教育計劃”，極大節省備課時間。同時，VR技術助力打造沉浸式大單元教學情境，如教師綜合課本內容設定“植物的一生”這樣一個大單元教學，在課程中，教師可利用VR資源讓學生“走進”虛擬植物園，觀察植物生長全過程，讓教學更生動直觀。

2.對學生的賦能

AI根據課本提取出的大單元主題教育計劃對某方面的知識進行有邏輯性的生成，讓學生對某方面的知識學習更系統，例如“植物的一生”這個大單元，對應生成的教學計劃從種子階段開始，包括土壤、陽光、空氣等相關內容，具體且富有邏輯性。除此之外，為了輔助學生學習，AI"智能管家以趣味化方式解答學生疑問，如語音交互、動畫演示等。同時，還能根據學生學習狀況提供個性化學習路徑。而"VR虛擬仿真實驗室營造的沉浸式學習環境，能激發學生學習興趣，讓學生更直觀地理解知識。學生還可以在虛擬空間中開展小組合作學習，共同完成任務，培養團隊協作與溝通能力。

（三）教師素養與理念挑戰

在VR與AI技術賦能的小學科學大單元教學中，教師面臨著素養與理念的雙重挑戰。一方面，教師需掌握VR與AI技術的基本操作，能夠熟練運用技術進行教學設計和教學實施；另一方面，教師需轉變教學理念，從傳統的知識傳授者轉變為學生學習的引導者和促進者。

三、VR與AI技術在大單元教學中的應用

（一）研究主要結論——教學模式創新

1.以學生為學習中心的大單元教學模式

研究成功構建了一套以學生為學習中心的大單元教學模式：教學計劃按大單元模式進行，具有系統性和邏輯性，更便于學生吸收；學生能夠在VR實驗和AI輔助下進行互動式深度學習；AI及時解答學生的疑問，提供個性化的輔導，降低認知負荷；智能系統根據評價體系全面評估學生的學習成果，并提出科學的教學建議。

2.以教師為教學中心的大單元教學模式

研究成功構建了一套以教師為教學中心的大單元教學模式：將AI技術大范圍應用到教學中，其中AI驅動的自適應系統在資料搜集整合階段，幫助教師搜集到尚未掌握的知識材料，降低教師認知負荷，提供了多元化的教學材料；VR技術的應用調動課堂氛圍，沉浸式教學對學生吸引力更大，減輕教師潛在的教學壓力。

（二）研究的局限與改進空間

1.缺乏應用與數據支持

本研究內容主要處于觀察設計階段，應用尚未普及到學校，難以搜集大量相關數據用于研究分析，難以得出應用性結論。

2.設備與性能瓶頸

成本高昂。VR設備的購置、維護以及軟件的開發與更新需大量的資金。對于許多學校和機構來說，這構成較大的財務負擔。同時，實施VR教學還需要考慮師生培訓成本，以確保他們能有效地使用這項技術。

性能不足。VR的分辨率和刷新率有待提高，AI在處理復雜任務時的速度有待加快。針對這些問題，建議政府加大對教育技術的投入力度，同時鼓勵企業研發低成本、高性能的設備，并推出更多適配教育場景的產品。

3.AI算法與數據安全挑戰

算法精確度不夠。AI算法在個性化推薦和智能輔導方面的精準度和可解釋性有待提升。

數據隱私與安全風險。AI系統需要收集和分析大量學生數據，存在隱私侵犯和數據不安全的風險。因此，需加強算法研究，提高AI的準確性與可解釋性；同時建立健全的數據管理制度，采用先進的加密技術，并加強對數據使用的監管力度。

（三）未來展望

1.發展趨勢預測

未來，VR與AI技術將與物聯網、大數據等技術更加緊密地融合。例如，通過物聯網技術實現虛擬與現實實驗設備的聯動操作，利用大數據技術為AI算法提供更為精準的優化支持，這將使教學資源更加豐富多彩，如虛擬科技館、交互式科學課程等將成為常態。同時，教育評價也將更加科學全面，AI將能夠實時分析學生的學習過程，而VR則能提供更為真實的評價情境，根據學生的個體差異提供更加精準和有效的教學支持。

2.研究方向與重點

后續將從四個方面出發，進行技術與教學融合的研究。第一，進一步聚焦教學模式的優化與創新。探索項目式學習、探究式學習等新型學習方式與VR，AI技術融合的方式。第二，加強教師培訓力度。提升教師的技術應用能力和教學創新能力。第三，關注學生的情感體驗和心理需求，在技術應用中注重學生的全面發展。第四，確保科學策略的實施。建立一套完善的反饋體系，確保新觀念與新方式的落實。

【本文系2024年四川省“大學生創新創業訓練計劃”項目“感科課堂——VR與AI應用于科學教育研究”的研究成果，立項號：X2024039】

參考文獻

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