基于混合现实技术的体验式教学课例研究

张久娟

摘要： 在教育信息化2.0时代，依托现代信息技术创设虚拟环境，已成为科学类学科支持探究活动、增强学习体验的重要手段。研究者以“认识骨骼”一课为例，整理了基于混合现实技术（以zSpace平台为支撑）开展的体验式教学课例研究过程，呈现了备课与思考、试讲与反思、改进与探索、完善与检验，最终达成良好教学效果的具体研究流程，并形成了值得推广的基于混合现实技术的体验式教学模式：探究体验、体验反思、抽象概括、迁移应用及再体验的良性循环。

关键词：混合现实技术；zSpace平台；体验式教学；课例研究；小学科学

随着新技术的发展，科学类学科数字化学习环境的设计越来越受到重视。在传统的缺少真实实验、实训条件的教学环境中开展教学，存在体验感差、缺少交互性、难以支持探究等缺点。虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR）技术可以创设虚拟情境或虚拟与现实混合的情境，支持学生自主探究学习，增强他们的学习体验。其沉浸性、交互性与构想性等特点，与体验式教学的情境性、开放性、亲历性相得益彰。zSpace平台作为一个混合现实交互式软硬件平台，可以弥补教学中环境、资源欠缺的不足。

在科学类课程中，開展基于混合现实技术的体验式教学课例研究具有现实意义，越来越多的课例也应运而生。但由于教学理念、教学资源、教学设计、反思深度等原因，许多课例有待于进一步研究与完善。基于区域信息化教学研究与指导，本课例研究以zSpace混合现实交互平台为支撑，以苏教版小学科学四年级下册“认识骨骼”一课为例，呈现课例研究过程，为教师在VR/AR/MR 环境下开展教学研究提供参考。

一、备课与思考

骨骼是人体重要的内部结构，在真实情境下开展“认识骨骼”的体验式学习存在较大难度。传统教学多以呈现图片、播放视频、展示模型为主要教学方式与手段，难以促进学生积极的情感体验，极少量模型也难以满足学生开展探究活动的需求。混合现实技术可以创设逼真的学习情境、愉快的教学氛围，激发学生探究人体内部骨骼的好奇心和求知欲，形成科学探究的内在动力。

在技术营造的三维世界里，所有学生均可以360°观察逼真的骨骼，还可以很方便地数骨骼、拼骨骼等，积极的情感体验有利于激发学生学习兴趣，发动和促进学生对骨骼的认知及建构。

在分析教学资源现状及zSpace平台功能特点的基础上，执教者对本课教学进行了如下设计，并进行了第一次试讲。

教学目标：1.了解人体内骨骼的分布与构成。知道骨骼是人体的支架，知道成年人体内骨骼的数量。2.知道骨是有生命的，骨可以生长，知道什么是骨髓以及骨髓的功能。3.能够通过看、摸、敲、掂等多种方法观察动物骨头，进而了解人体骨头的内部结构。4.知道人体骨骼的支撑、保护、造血等作用。教学重点是知道骨骼有运动、支撑和保护的作用，难点是拼人体骨骼。

主要教学过程：教师先出示高楼图片，问学生为什么高楼能够屹立不倒，进而引出人体能站立也是因为有骨骼支撑，顺利引入新课。接着，教师基于zSpace平台中的骨骼模型这一三维教学资源，引导学生认识骨骼、了解骨骼分类、数骨骼等。随后，教师播放视频，让学生了解骨骼的作用。最后，师生互动讨论，增强学生保护骨骼的意识。

二、试讲与反思：第一次试讲教学观察及建议

第一次试讲，总体感觉课堂教学环节有些混乱，教学效果欠佳。执教者也备感困惑：教学资源无法满足体验式教学的需要，基于混合现实技术的探究与体验未达到预期效果，活动过程感觉生硬，骨骼特点的教学环节需要技术建模以支持教学。

研究者通过教学观察与分析，指出第一次试讲存在两个问题：一是教学过程设计缺少以生为本的理念，教学方式与教学模式需要创新；二是教学资源（教学活动）设计缺乏科学性，在交互、体验、交流、探究等方面的设计也不符合教学规律与学生认知规律。针对问题，研究者提出以下教学建议。

1.从生活中来，到生活中去。课堂引入要从贴近学生生活实际的现象引入。教学要从生活中来，再回归到生活中去，要引导学生对知识进行拓展提升、迁移运用。

2.运用AR技术，增强情境体验。教师要通过增强现实技术激发学生兴趣，增强学生体验，让虚拟的骨骼框架与真实的学生身体叠加，引导学生在真实与虚拟叠加的情境中学习。

3.分解VR资源，促进知识建构。虚拟环境下的教学活动（资源）设计可以分为两部分：一部分是骨骼的整体模型认识，另一部分则是改进原有三维骨骼的整体模型，将不同部位的骨骼分解为独立素材，设计成可支持自主探究的交互式资源，开展探究型活动，从而加深学生认识。

4.虚拟环境与真实环境相结合。骨骼的特点可通过实物实验来完成（触摸实体骨头感受），这符合科学类实验教学要求。

三、改进与探索：在磨课中探索技术与教学的深度融合

（一）教学改进与第二次试讲

经过指导后，执教教师改进教学方法与策略，完成了第二次教学设计并进行第二次试讲。改进要点如下。在教学理念上，树立以人为本、生活即教育的教学理念，从生活中学生不良写字姿势引入，让学生主动认识其负面影响。通过观看视频，学生了解到不良坐姿对身体的危害以及骨骼的作用，对骨骼的学习产生认知期待。教师再引导学生讨论如何保护骨骼健康，拓展至生活中要增强保护骨骼的意识。在教学资源上，教师引入AR资源，让虚拟骨骼与真实人体叠加，引导学生观察体验，认识骨骼及分类，并在原有VR资源整体骨骼素材的基础上，将不同部位的骨骼分解为独立的素材。这样，学生可分别认识每个部位的骨骼，点击鼠标移向骨骼时，可出现对应的知识讲解，还可以拼装骨骼。在教学策略上，教师让学生在真实情境下，通过观察与触摸实物牛骨（与人骨特点接近），感受骨骼硬、结实等特点，并完成实验记录与汇报。

改进后的第二次试讲，学生的学习兴趣与活动参与度明显提高，教学效果明显提升，但学生在VR环境下数骨骼时，由于数量太多，操作VR技术不熟练，以致没能完成教学任务。研究者通过观察分析与研讨，提出以下教学建议。1.找准技术切入点：教师要充分关注学生心理的变化，在适当的时机切入技术。如对于AR资源的调用，演示者要先确定位置再调出资源；教师要引导学生先观察3D模型说出自己的结果，再做补充。2.有效设置探究：教师要设置明确清晰的引导性探究任务，切忌含糊不清，注重对活动过程的指导。3.任务分解：对于数骨骼活动，教师可以把活动资源分解成四个活动（课件），学生分组选择一个任务或多个任务。

（二）思考与再改进：第三次试讲

执教者在吸纳研究者建议后做了深入思考，对教学设计进一步完善，进行了第三次试讲。第三次教学设计改进要点如下。

一是把握技术切入点。教师在学生站立确定位置后，问学生想不想看他的骨骼结构，然后通过新技术变个小魔术，在学生好奇心被激活时调出AR资源。教师再引导学生触摸自身骨骼，每摸一处，边感受边观察VR骨骼结构，并点击交互式课件，了解相关知识。

二是分解任务并指导。学生分组选择一个或多个任务开展数骨骼活动，随后，教师让学生将四部分骨骼拼成一个整体。学习任务有明确的活动步骤与提示，活动过程中教师进行观察指导。

执教者改进后的第三次试讲，师生评价较好，学生全都表示教学活动有趣、吸引人，喜欢这样的课堂。研究者建议将教学与技术应用进一步融合，特别是要思考教学规律，适时调控，把握和引导学生思维发展，精益求精。

四、完善与检验：最终教学设计及效果评价

本课例从初始备课与思考起，经过试讲与反思、改进与探索、完善与检验等多次研究，历时两个多月。经过三次改进与验证，本课例在第四次区域信息化教学展示活动中取得了较理想的效果与反馈。第四次教学设计的教学过程如下。

（一）联系实际，引入新知

教师出示一组事先拍摄的学生坐姿图片，引导学生讨论哪些坐姿是正确的，哪些是不正确的，不正确的坐姿会对身体有什么危害。接着，教师播放视频，让学生了解脊柱侧弯、颈椎变形等普遍现象，引导学生思考：骨骼很软吗，为什么会变形？提示学生，只有了解骨骼、认识骨骼特点，才能更好地保护骨骼。

（二）活动探究，认识人体骨骼系统的构成

活动1：AR小魔术（初步认识骨骼，了解骨骼分类）

学生1站立，教师从屏幕移动AR模型至人体对应位置。学生2边指边说出不同部位的骨骼。

教师此时要引导学生对头骨、上肢骨、躯干骨、下肢骨做出分类，并引导学生用其他方法，如根据硬和软等对骨骼分类，由此过渡到研究骨骼要使用哪些方法上。

设计思路：教师通过AR增强现实技术设置虚拟情境，让真实与虚拟叠加，增强学生学习体验，激发他们的学习兴趣。

活动2：摸一摸、猜一猜

教师启动zSpace平台，打开课件“活动2”。学生对照AR模型，分别摸一摸骨头，认识骨骼。

教师提示学生可以翻转3D模型，从不同角度观察骨骼，也可以单击某部位，课件会显示相应骨骼名称以及相关知识介绍，还可以边触摸边思考骨骼有什么特点和作用，假如人体没有骨骼会怎样。

学生结合观察与触摸骨骼，填写记录单，汇报交流。

记录单：

摸一摸骨骼，猜猜骨骼的作用。

我感觉骨骼_________，我认为骨骼可以_________ ；

我感觉骨骼_________，我认为骨骼可以_________ 。

我的问题：__________________？

设计思路：教师通过虚拟三维资源弥补平面图片等传统教具的不足，让学生有虚拟现实的体验，并借助课件的交互性实现自主探究学习。

活动3：数一数、拼一拼

教师将骨骼VR整体模型分解，根据头骨、躯干骨、上肢骨、下肢骨分成四个活动（交互式课件1～4），并拆散各块骨头，其中头骨、胸骨、脊椎等零碎骨头设为一个整体，肱骨、桡骨等大骨分别独立，让学生区分上臂骨和大腿骨。

学生分组选择探究活动（保证四个活动均有人选），将课件中的骨骼进行拼装，并清点数量，填写记录表。探究活动完成后，小组汇报、展示。经过讨论，学生做出小结：人体的骨头共有206块，它们共同组成人体的支架——骨骼，具有运动、支撑、保护等作用。

教师补充：婴儿期人体有300块骨头，成长过程中不断合并，数目减少。

（三）实物观察，了解骨骼特点

在教师引导下，学生通过牛骨开展以下实物实验活动。

1.拿起纸巾上的牛骨，观察它的结构特点。

2.画一画横切图，填写记录单。

我发现：_________ 。

我的结论：骨骼具有_________的作用。

学生交流汇报牛骨的特点“又硬又结实”，并思考在牛的生长过程中，骨头会不会变化。

教师引导学生迁移理解人体骨头的特点，并介绍骨髓及其作用。

（四）总结反思，知识应用

学生总结骨骼的分类、特点、作用。教师引导学生反思、讨论：骨骼受伤，会给生活带来哪些变化或影响？接着，教师播放视频对骨骼的变化知识进行拓展。学生进一步讨论：少年儿童骨骼正在生长发育阶段，应该怎样保护骨骼，使骨骼长得粗壮坚实？

（五）课堂小结（略）

在研究者的组织下，听课教师对第四次教学展示进行了评价。1.教学情境：本节课基于混合现实技术，教学情境逼真、可交互，解决了真实环境不足的教学难题。2.教学资源（活动）的设计：遵循学生心理特征与认知规律，让学生从被动接受变为主动探究，增强了学习体验，发展了学生思维。3.学生参与度：学生学习兴趣浓厚，学习主动性、积极性高，实验探究的氛围浓郁。4.教学过程与效果：教学过程突出学生主体地位，教学策略有效，教学环节流畅自然。课堂教学效果较好，不同层次学生目标达成度高。

五、教学研究启示

课例研究是研究者与执教者共同成长的过程。经历本次课例研究，所有参与其中的教师都受益颇多，在课例打磨的过程中形成以下思考与启示。

第一，形成了基于混合现实技术的体验式教学模式，即让学生经历探究体验、体验反思、抽象概括、迁移应用（可以再体验）的良性循环过程。该教学模式在区域信息化教学活动中被多次运用，是值得推广的。当然，执教者需要根据教学需求弹性把握。今后，将在不同学科的教学实践中进一步深入研究。

第二，新技术的运用要以教育理论为指导，信息化教学应以人为本、以教育为核心。课堂教学组织以技术为支持，让学生在做中学，信息技术与教学的融合是“教学+技术”，而非“技术+教学”。

第三，基于混合现实技术的体验式教学，要注重情绪心理学的指引。在教学中，教师要以引发学生积极、健康的情感体验为目的，构建虚拟情境、设计学习活动，要让学生愉快轻松、心情舒畅，才能更好地激发学生学习兴趣，让学习成为快乐的活动。

第四，本课例研究通过技术赋能实现了以下创新：一是教学环境创新，国家教育信息化相关政策在教育、教学层面得以落地生根；二是教学理念创新，以学生学习为中心，有效贯彻了新课程理念；三是育人目标创新，促进了师生信息素养、科学素养的提升。

同时，我们也要认识到，新技术支持下的信息化教学，不只是使用技术对教学环境与教学方式赋能，在教育数字化转型时期，作为教育者，我们应进一步思考如何借助新技术对教育教学进行重塑：重塑教学理念、重塑教学模式，乃至重塑教学形态。

注：本文系南京市“十四五”教育科学规划课题“基于沉浸式VR的教学资源开发与区域推进研究”（批准号：LXD/2021/15）及南京市“十四五”规划个人课题“基于zSpace平台的体验式教学课例研究”（批准号：市规划个十二字第 Jx0025号）的阶段性成果。

（作者系江苏省南京市浦口区教师发展中心信息化教学教研員）

责任编辑：牟艳娜