沉浸式学习场馆支持的STEAM教学实施研究

程健锋 罗家伟 孔晶

摘要：生物学科是学校教育中一门重要的基础学科，其兼收并蓄、内容丰富，但缺乏学习资源，一直是教学的难点。本研究以初中生物《人体构造》的学习为例，尝试融合初中生物、人体构造艺术以及机械工程相关课程的内容，依托沉浸式学习场馆开展项目式学习，以自主学习、小组协作探究的学习方式，通过“激发—感知—内化—输出—总结”的认知过程，形成初中生物学习的高效课堂，并将这种跨学科融合学习的方式迁移至其他学科的学习，促进学生的全面发展，提升学生的知识、技能核心素养以及知识应用和创新能力。

关键词：生物学科;STEAM;沉浸式学习场馆

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2019）09-0069-03

● STEAM教育概述

1.理念提出

STEM教育理念提出已有30余年，其最初目的是提升大学本科生的STEM综合性能力，为科技行业输送综合性人才。[1]在20世纪末，STEM教育将重点转移至中小学，同时其倡导的问题解决驱动型的学习方式被广大中小学所接纳，成为许多国家基础教育改革政策的主导，同时也逐渐成为研究热点。[2]21世纪初，艺术（Art）被加入，发展了STEAM教育理念，形成了“以数学为基础，通过工程和艺术理解科学和技术”的跨学科的、整合的STEAM教育。

2.内涵及本质核心

STEAM教育是指为了达到教学的预定目标和获得较好的教学效果，运用信息技术手段对参与教学过程的不同组成要素进行选择、整合、融合和优化，使教学效益达到最优化的理论与实践。[3]

STEAM教育的本质核心即各学科之间紧密融合，以整合的教学方式运用信息技术手段帮助学生获取知识与提升技能，并能进行灵活迁移应用于解决现实世界的问题，其最核心的是跨学科融合学习。[4]

3.创新型教育理念对教育者要求更高

跨学科融合学习是STEAM教育的一个重要内涵，在STEAM教育中最难的就是整合，我们不能仅看其概念表面的几个字母，还应该注重各部分的连接程度，以科学探究和工程设计为基础，以科技素养和数学思维为辅助，艺术修养与真实情景连接各部分，最重要的是最后有真正的成绩出来，这才是整合与连接的部分。[5]因此，我们需要培养知识型、实用型的创新人才，这就需要有更加专业的STEAM教育教师以及教学模式，而学校作为人才教育、培养基地，需培养学生综合技能，提升综合素质，为社会的发展提供人才支撑。[6]

● 沉浸式学习场馆支持的STEAM教学

虚拟学习场馆是依托VR虚拟现实技术利用计算机营造一个虚拟的学习空间，学习者通过操控交互设备，进入到预设的场景进行体验式学习，并实时互动，营造一种身临其境的体验感。沉浸式学习场馆是虚拟学习场馆中的一种，其利用沉浸式VR系统中的头盔、手柄、位置追踪器等设备让用户产生较强的浸入感与真实感，其最大的特点是实时交互性、沉浸感与构想性，可以突破一般教学方式中会遇到的空间、时间以及器材资源的限制。

本研究以初中生物《人体构造》一课为例，分析沉浸式学习场馆支持的STEAM教学。在《人体构造》这节课中，学生需要达到的学习目标有：能够说出从细胞到个体的组成层次以及区别;分析细胞学说的建立过程;认同细胞学说的建立是一个开拓、继承、修正和发展的过程;讨论人在现实生活中对生物技术的应用，如仿生或机器人技术等。

1.教学内容：整合机械工程学科内容

“人体的构造”是生物学习的一个重要部分，从生物的角度认识人、了解人的构造，能更好地促进自身发展和社会进步。生物一直是科学发展特别是在仿生学领域所研究的必不可少的对象，在立足自身的前提下，研究各个事物之间的关联性与共通特点来最大限度地发展自身潜能，沉浸式学习场馆恰恰可以做到这一点。在学习基础知识的同时运用生物学科知识且融合机械工程学的内容来完成知识点的掌握，会使学生在融会贯通的过程中完成知识迁移与知识体系构建。所以，本研究将“人体的构造”的学习与人形机器人的制作相结合，尝试融合生物学科与机械工程学科的课程内容，引导学生认识了解自己进而更好地促进自己的发展，从而得到启示并在生活中运用生物知识。

2.教学资源：与课堂高度交融

沉浸式学习场馆凭借有效整合的3D虚拟场景、主体局部构造、全景视频以及重点知识讲解等交互资源，为学习者创设一个虚实结合、意境融合的沉浸式学习空间以及营造人机交互式的学习体验，使得教学内容可感性增强，变得更加可视化、立体化。对于中学生来说，情境体验式学习尤为重要，所以在教学中创设沉浸式学习环境开展教学对激发学生学习兴趣以及提升技能有着极大的促进作用。

本研究中的沉浸式学习场馆（VR虚拟现实空间）分为人的发展历程、人体组成、人体机械构造和难点讲解四个板块，它们分别对应了四个学习任务：“发展历程”明确人的由来、“人体组成”知道物质组成、“机械构造”明白人体的机械构造原理并应用、“难点讲解”厘清要点知识。沉浸式学习场馆在鼓励促进学生自主学习、主动探究、协作学习的同时高度融合课前、课中、课后的学习内容，帮助学生更快地获取和运用知识，学习效率明显提高。

3.教学过程：从“人体的构造”到人形机器人的制作

课堂上，根据建构主义理论，基于“情境、协作、会话、意义建构”四要素开展项目式学习，以自主学习、小组协作的学习方式，借助沉浸式学习场馆（VR虚拟现实空间）通过“激发—感知—内化—输出—总结”的认知过程，形成初中生物學科知识运用的高效课堂。具体流程如下图。

（1）激发：创设情境

本课以视频导入，激发学生学习兴趣，同时提出问题：人体的构造是什么样的？其与机器人有什么联系吗？引发思考。

（2）感知：虚拟空间体验，认知体验

沉浸式学习场馆给人以虚拟的体验，包括感官体验和认知体验。在本课中主要体现在：①人体组成板块。该板块模拟人体的各个组成部分及其组成物质并以多种颜色渲染区分，现场版的人体感受能激发学生调动全身感官交互学习，如身临其境，学生可以3D立体操作，自主探究完成对人体组成的体验。②人体机械构造板块。在立体操作、全景视频的基础上，学生可以切换简单机械组成模式并对单体构成部件进行查看或编辑操作，720度全景视角使学生能够更好、更真实地融入到情境中，查看的同时可以实操，极大地提升了情境体验。

（3）内化：提炼知识点，结合现实

根据建构主义的学习理论，学生学习知识的过程是其不断加工知识与信息的过程，在接收到外界刺激后大脑会进行转化、加工、处理，最后成为存储的有用知识，这是内化的过程。人体组成与机械构造板块的学习就是知识不断内化的过程，前期的“人的发展历史”学习是知识储备，中后期的讲解与学习是知识点不断提炼与加工固化，后期的输出即产品的制作是知识的充分运用。

（4）输出、总结：产品制作、项目结项

本课中，利用沉浸式学习环境，在虚拟空间交互资源的支持下，教师和学生可以在一个真实的情境进行体验式学习。在学生运用所学知识制作出机器人后，小组进行作品展示与讲解，并且总结项目，对自己小组的项目进行经验总结与知识归类。同时，学生还可将制作完成的作品上传教学平台进行展示。

● 结论

沉浸式学习场馆对STEAM教学的实施有着极大的支持作用：为STEAM教学提供了多学科融合学习的平台;在教学硬件上解决了器材不足的问题;在教学内容上，融合了生物学以及工程学等学科的知识，积极帮助学生进行知识迁移;为STEAM教学提供大量网络资源，让用户可以以体验式的学习方式了解知识;在课程评价方面，在项目式学习的基础上可展示学生作品并进行点评。

相信随着教学硬件的提升、国家信息化教学的发展、VR技术的成熟与普及、相关课程的研究与实践不断深入，VR技术在教育领域将会有长足的发展，这值得我们进一步研究和探索。

參考文献：

[1]陈如平，李佩宁.美国STEM课例设计（小学卷）[M].北京：教育科学出版社，2018，4.

[2]王碧梅，韩葵葵，胡卫平.国外科学教师研究进展与趋势[J].外国教育研究，2015（5）：69-79.

[3]Griffiths，P，&Cahill，M.The opportunity equation：Transforming mathematics and science education for citizenship and the global economy[M].New York：Carnegie Corporation of New York and Institute for Advanced Study，2009.

[4]赵中建.美国中小学STEM教育研究[M].上海：上海科技教育出版社，2017，10.

[5]T.胡森，T.N.波斯尔斯韦特，安德森.教育大百科全书[M].郭华，等，译.重庆：西南师范大学出版社，2006.

[6]韩葵葵，胡卫平，王碧梅.国际科学教学心理的研究进展与趋势[J].华东师范大学学报：教育科学版，2014，32（4）：63-70.

作者简介：程健锋、罗家伟，佛山科学技术学院人文与教育学院学生，研究方向为STEAM教育与创客教育。