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.

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