基于VR技术的小学科学课例设计

陈久东 王玉龙

摘  要 阐述虚拟现实的概念和特点，分析小学科学课程标准中的教学理念与要求，在此基础上以体验式和探究式学习理论为指导，基于VR技术设计课例，希望为小学科学课程教学提供参考与借鉴。

关键词 VR技术;VR设备;小学科学;沉浸式教学;探究式学习

中图分类号：G623.6    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）07-0113-03

1 虚拟现实的内涵

虚拟现实的概念界定  虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）目前主要应用于医疗、军事等领域，在教育或课堂教学中应用比较少。它涉及众多学科，如计算机图形学、人工智能、模拟仿真等。由组成的技术可以看出，它可以给人以视觉上的冲击、听觉上的艺术、触觉上的真实感等，还可以创建不存在的或者存在卻难以呈现的虚拟环境，并可进行实时交互[1]。

虚拟现实的特点

1）真实性。VR技术可以构建模型，创设场景，进行交互设计，对科学事件的产生与发展过程进行仿真与模拟，再现科学现象。VR技术可以让学生“置身于现场”，观察到在现实生活中难以观察到的事物、现象，让学生在贴近真实的环境中去学习知识，让学生比较直观地观察到科学现象。在“输送血液的泵——心脏”课例设计中，运用VR技术再现立体心脏模型，可以让学生通过观察心脏模型，认清心脏的位置，通过尺子测量了解心脏的大小，利用切片功能辨别心脏壁的厚薄。

2）交互性。VR技术可以实现人机交互，并有及时的反馈功能。VR技术可以再现生活情境，创设科学探究场景，仿真科学现象。在“输送血液的泵——心脏”课例设计中，学生通过与VR进行交互观察和探索心脏模型，并填写VR设备里关于本节课的相关习题，通过VR设备的及时反馈，了解血液流动方向、血管和心房心室的连接以及瓣膜的结构，推测心脏的功能，提高课堂教学的生动性和交互性。

3）沉浸性。VR技术可以高度还原真实场景，让学生沉浸在虚拟的、可以实时交互和反馈的、与切身经历相似的环境中去学习知识。在“输送血液的泵——心脏”课例设计中，利用VR设备探究心脏的结构与功能，通过与VR设备实时交互，以及根据VR设备的及时反馈，使学生产生身临其境的感觉，让学生感受和掌握本节课学习的知识。

2 小学科学课程标准解读[2]

小学科学课程性质  小学科学课程是基础性课程，学生在科学学习过程中，通过自学、互学、群学等方式掌握科学知识、方法与技能，为今后继续学习打下基础。小学科学课程是实践性课程，强调学生亲自参与生活化的课堂学习或课外实践调查等，以培养学生的科学探究能力和积极的科学态度，帮助其掌握科学方法。小学科学是综合性课程，强调学生在解决问题的过程中善于综合运用多学科知识（如科学、语文、数学、社会、哲学、技术、工程等）解决实际问题，并强调各学科之间要相互渗透，以培养学生的发散思维，为其成为复合型人才打下基础。

小学科学课程的基本理念  小学科学课程要面向全体学生，照顾到每个学生的心理、生理和实际经历，并且主张教师根据学生的特点开展探究式教学;学生在参与教学活动的过程中，通过完成一系列学习任务掌握科学知识、方法与技能，并能根据掌握的知识初步设计实验。小学科学课程强调保护小学生的天性，即活泼好动且对世界万物充满好奇，他们对科学的学习也不例外，充满热情，渴望探索未知的科学奥秘，这有利于学生的继续学习和终身学习。小学科学课程突出学生的主体地位，教师在科学课堂上要对学生进行合理组合以形成学习小组，让学生在自学、互学、群学中打破原有知识结构并建构新知识;同时，教师要在学生有疑难或困惑时，及时提供相关学习资源或帮助，以保证学生学习活动的顺利进行。

小学科学课程目标  《义务教育小学科学课程标准（2017版）》将科学技术作为课程目标之一，并要求将学习目标定为培养在现实生活中会生存的人。在科学教学中，根据科学学习目标，选择科学主题或项目时要从社会、资源、自然、环境、生态、科技和日常生活等实际问题出发，学习的内容要与学生的生活息息相关;教师作为学生学习的引导者，要将科学课堂交给学生，改变教学方式，改变师生互动方式，让学生在学习活动中完成学习任务，掌握科学知识，从而培养学生适应社会、学会生存的本领。

可见，虚拟现实的真实性、交互性和沉浸性的特点与小学科学新课标的核心理念高度一致，将虚拟现实技术融入小学科学课程教学中，可以激发学生的学习兴趣，培养学生的创新能力，为促进学生终身学习、适应现代社会奠定基础。

3 基于VR技术的小学科学课例设计

沉浸式教学理论和探究式学习理论  美国心理学家Mihaly Csikazezentmihal最早提出沉浸理论（Flow Theory），它是指人们在参与某种活动时，非常专注地投入该活动中，并从中感受到满足和快乐[3]。我国学者余璐和周超飞认为，沉浸式教学是教育者在社会生产生活或科技发展的背景下，利用信息技术手段构建贴近学生、贴近自然、现实中不存在或难以呈现的虚拟学习环境，让学生在仿真的学习环境中去体验、探究、获取、理解知识，完成学习任务，激发学习兴趣，促使他们沉浸在学习活动中，以达到提高教学效率的目的[4]。

探究式学习从学习目标出发，是教师根据社会生产生活、自然、生态、环境等真实现象创设情境，并提出与科学课堂相关的、有针对性的、真实存在的问题，让学生通过教师提供的学习资源（视频、案例等）对问题进行猜想假设，并根据自己的已有知识设计探究方案，在贴近生活的、真实的实践中掌握科学知识、方法与技能，最后以获取科学知识、树立正确科学思想、学习科学技能与方法为目的的学习方式[5]。

综上可知，在以沉浸式教学理论和探究式学习理论为指导的课堂中，学生是主动者。在科学课堂上，教师首先创设问题情境，并把学习过程置于各种真实或虚拟的学习环境中，使学生沉浸其中并体验身临其境之感。

基于VR技术的小学科学课例设计  本研究以沉浸式教学理论与探究式学习理论为指导，结合小学科学课程标准的理念与要求，设计基于VR技术的小学科学课例。

【课程名称】输送血液的泵——心脏

【教学对象】小学六年级

【目标设计】

1）科学知识：概述心脏的位置、大小以及结构，说明心脏的功能;识别人体心脏的解剖图并通过VR尝试探索心脏结构;认同生物体结构和功能相适应的观点。

2）科学探究：利用VR设备探索心脏结构，培养学生协作探究的能力;通过分析心脏结构与其功能，培养学生综合分析的思维能力。

3）科学态度：通过VR观察立体心脏模型，激发学生的好奇心和对科学学习的兴趣;利用VR设备的交互式探索功能，让学生对科学学习充满求知欲;通过互学、群学，培养学生的合作学习意识。

4）科学技术社会与环境：通过对心脏相关疾病的调研，让学生认识到心脏对人体的重要性，并鼓励学生将来从事医学，在国家需要时，要像战士一样，敢于上战场，勇于担当;通过对心脏知识的学习，知道如何在环境、饮食和健身等方面保护好心脏;通过将VR设备融入科学课堂的学习，学生感叹科技的进步与发展，鼓励学生长大后从事与科技相关的职业。

【教学环节】

①教师活动：教师引导学生通过脉搏、手的感受来体会心跳;通过AR实体触感方式体验心脏跳动，感受心脏的跳动（平静时和运动时），探究心脏的位置、大小，心脏的结构和功能。

②学生活动：将右手放到胸口左侧和左手手腕感觉心脏的搏动;通过VR观察、感受心脏平静与快跑时的心跳;通过AR实体触感方式体验心脏跳动（图1）。

③设计意图：激发学生的学习兴趣，引出本节课。

2）猜想假设。

①教师活动：引导学生对上述问题进行猜想假设。

②学生活动：在教师的引导下，对教师给出的问题做出假设。

③设计意图：学生分析问题并能够对该问题设计解决方案，为接下来的学习做准备。

3）设计探究。

①教师活动：引导学生利用VR设备探究心脏的位置、外形和大小，心脏的结构与功能，心脏是如何工作的。

②学生活动：利用VR设备对教师提出的问题进行探究，通过自主解剖立体模型，认清心脏的位置（图2）;利用尺子测量心脏的大小（图3）;利用切片功能辨别心脏壁的厚薄（图4）;进行小组探究活动，借助VR设备立体解剖心脏，利用摄像机功能主动获取有关心脏的知识，包括血液流动方向、血管和心房心室的连接以及瓣膜的结构，推测心脏的功能（图5）。

③设计意图：让学生感叹科技的发展，喜欢上新技术;为学生继续学习、适应现代社会奠定基础;通过探索心脏外形、结构，培养学生综合分析的思维能力和合作交流能力。

4）处理数据。

①教师活动：组织学生收集整理实验探究过程中的数据。

②学生活动：对实验探究过程中记录的数据进行收集、归纳和整理;上传观察到的切片以及心脏结构的填图，并介绍观察的路径。

③设计意图：培養学生处理数据的能力。

5）得出结论。

①教师活动：巡视小组讨论进展，鼓励每个学生踊跃发言，总结心脏的结构与功能。

②学生活动：总结心脏的结构与功能，并尝试讲解心脏工作的原理。

③设计意图：训练学生的总结能力。

6）表达交流。

①教师活动：组织学生汇报科学探究报告并对别人的探究报告给予评价，同时检测学生的学习效果。

②学生活动：写出简单的探究报告，能正确运用科学术语口头叙述探究过程和结果（可采用辅助手段）。

③设计意图：培养学生的科学写作能力、思辨能力和语言表达能力。

7）知识拓展。

①教师活动：引导学生调查与心脏相关的疾病和探索如何保护心脏。

②学生活动：交流自己的调查结果，并说出收集资料的方法、遇到的问题等。

③设计意图：落实科学教育目标理念，让学生意识到心脏对人体的重要性，以及知道如何保护心脏。

8）教学反思。将VR新技术第一次融入课堂，教师要仔细记录课堂中出现的问题，以便及时改正。学生也是第一次使用VR技术，学习过程中有疑惑或不懂的地方要及时反馈给老师，通过请教老师、同学或上网查找相关学习资料解决学习中的疑惑，以提高自身能力。

4 结语

随着科技的发展，虚拟现实技术也开始应用于教育领域，利用VR技术手段创设虚拟学习环境，让学生在高度还原真实的情境下探究问题，提高了课堂教学的生动性和互动性，促进了新课标的相关理念与要求在教学实践中的落实。本研究设计的基于VR技术的小学科学课例可为小学科学课程教学提供参考和借鉴。

参考文献

[1]Yelland N， kalantzis M， Cope B， learning by Design： Creating effective contexts for curriculum and peda-gogies in contemporary times[M]//Society for Infor-mation Technology & Teacher Education International Conference，2006：1888-1891.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准 2017版[S].北京：北京师范大学出版社，2017.

[3]李青，赵越.具身学习国外研究及实践现状述评：基于2009—2015年的SSCI期刊文献[J].远程教育杂志，2016，34（5）：59-67.

[4]余璐，周超飞.论我国高等教育中的沉浸教学模式与实践[J].河南社会科学，2012，20（6）：78-80.

[5]边均萍.小学科学新课标课程内容分析及教学案例设计：以“技术与工程”领域为例[D].济南：山东师范大学，2018.