沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

張 莉 ，路虹劍

（1.北京市東城區(qū)文匯小學(xué)，北京 100022；2.北京市東城區(qū)教師研修中心，北京 100022）

0 引言

小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出：“早期的科學(xué)教育對(duì)一個(gè)人的科學(xué)素養(yǎng)的形成具有十分重要的作用”[1]。特定環(huán)境或具體情境很容易激發(fā)中小學(xué)學(xué)生的好奇心和探知欲，這個(gè)年齡段的學(xué)生善于動(dòng)手，喜歡合作，在這個(gè)階段，創(chuàng)設(shè)特定的學(xué)習(xí)情境，提供充分的學(xué)習(xí)資源，為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)良好的適合科學(xué)探究的環(huán)境，體驗(yàn)探究學(xué)習(xí)的過(guò)程，對(duì)于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)情趣，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)至關(guān)重要。

實(shí)驗(yàn)法作為人類探索自然的基本方法，是小學(xué)科學(xué)探究課上的常用方法。學(xué)生通過(guò)親自實(shí)驗(yàn)，觀察現(xiàn)象，會(huì)對(duì)科學(xué)事實(shí)形成直觀的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也能養(yǎng)成尊重事實(shí)的科學(xué)意識(shí)。傳統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)通常需要有充足的材料作為支撐，然而小學(xué)科學(xué)知識(shí)點(diǎn)眾多，涵蓋地理與宇宙科學(xué)、生物科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、技術(shù)與工程等諸多領(lǐng)域，有很多情境是傳統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法不能完全呈現(xiàn)和表述的，如不復(fù)存在的情境、難以到達(dá)的情境、難以觀察的情境等。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)出現(xiàn)已久，筆者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)它在科學(xué)教學(xué)中，對(duì)于創(chuàng)設(shè)科學(xué)情境、支持實(shí)驗(yàn)探究等都有出色的表現(xiàn)，解決了一線科學(xué)教師困惑已久的問(wèn)題，是信息技術(shù)與科學(xué)教學(xué)融合的重要突破。

1 相關(guān)理論及概念解讀

1.1 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，英文名為Virtual Reality，是一項(xiàng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的綜合集成技術(shù)，涉及3D 圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、立體顯示等高新技術(shù)[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前主要有4 種類型，分別是桌面式、分布式、沉浸式和增強(qiáng)式[3]。本文主要研究的是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，在這種技術(shù)中，用戶一般會(huì)配備頭盔、手臂等，將用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等封裝起來(lái)，得到一種完全沉浸在虛擬情境中的感受，從而達(dá)到學(xué)習(xí)目的。

1.2 情境認(rèn)知理論

情境認(rèn)知理論認(rèn)為個(gè)體心理常常產(chǎn)生于構(gòu)成、指導(dǎo)和支持認(rèn)知過(guò)程的環(huán)境中，認(rèn)知過(guò)程的本質(zhì)是由情境決定的，情境是一切認(rèn)知活動(dòng)的基礎(chǔ)[4]。知識(shí)的學(xué)習(xí)只有被放在特定的情境中時(shí)，學(xué)生才能形成豐富的情感體驗(yàn)，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，在交流討論的過(guò)程中，進(jìn)行有意義的知識(shí)建構(gòu)，將新的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)內(nèi)化到認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，最終實(shí)現(xiàn)有意義的學(xué)習(xí)。

情境認(rèn)知理論十分重視真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)，教師應(yīng)當(dāng)建立豐富的蘊(yùn)含學(xué)習(xí)資源的場(chǎng)景，滿足學(xué)生智力和情感的需要和體驗(yàn)，使學(xué)生主動(dòng)體驗(yàn)，主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的多維立體情境，能夠綜合刺激學(xué)生的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官，是其他媒體和教學(xué)環(huán)境所無(wú)法比擬的。

1.3 探究性虛擬實(shí)驗(yàn)

科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式之一[1]。科學(xué)探究的流程包括提出問(wèn)題、猜想假設(shè)、制訂計(jì)劃、觀察實(shí)驗(yàn)制作、搜集整理信息、思考與結(jié)論、表達(dá)與交流。探究學(xué)習(xí)可以極大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生善于思考以及解決問(wèn)題的技能，通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行知識(shí)的意義建構(gòu)。對(duì)于一些特殊的內(nèi)容，傳統(tǒng)的真實(shí)性探究實(shí)驗(yàn)因?qū)嶒?yàn)場(chǎng)所、材料等原因無(wú)法開(kāi)展，而虛擬實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有虛擬性，能夠打破現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的局限性，可以根據(jù)教師的教學(xué)目的進(jìn)行靈活的調(diào)整以及開(kāi)放性的搭配，從而得到廣大教育工作者的持續(xù)關(guān)注。

2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的情境創(chuàng)設(shè)

2.1 不復(fù)存在的情境

這種情境主要是指另一時(shí)間的情境，即與學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活的情境相差較遠(yuǎn)的過(guò)去或未來(lái)，如恐龍時(shí)代、未來(lái)人工智能時(shí)代等。學(xué)生很難從已有認(rèn)知遷移到對(duì)這些概念知識(shí)的學(xué)習(xí)。之前我們常用一些視頻、圖片引導(dǎo)學(xué)生，但是如果利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以激發(fā)學(xué)生興趣，使其身臨其境地觀察和思考，形成基于事實(shí)的推理和學(xué)習(xí)。

以“穿越古生物時(shí)代”為例，本課屬于小學(xué)科學(xué)的生命科學(xué)領(lǐng)域，是新課標(biāo)生命世界第11個(gè)主要概念下的第4 小節(jié)，即11.4。首先“一起去穿越”中，學(xué)生佩戴VR 眼鏡，觀察到大象變成了鏟齒象，鴿子變成了孔子鳥(niǎo)，繼而引導(dǎo)學(xué)生思考它們之間有什么關(guān)系。第二階段“一起來(lái)變身”中，學(xué)生再次利用VR 技術(shù)，觀察孔子鳥(niǎo)的細(xì)節(jié)，如喙、翅膀等，通過(guò)給始祖鳥(niǎo)、孔子鳥(niǎo)和鴿子的進(jìn)化進(jìn)行排序，發(fā)現(xiàn)生物進(jìn)化的關(guān)系。第三階段“一起去探秘”中，通過(guò)對(duì)化石的研究，可以理解動(dòng)物的進(jìn)化會(huì)根據(jù)不同的環(huán)境而變化，從而形成不同的形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)等，這是動(dòng)物適應(yīng)它的生活環(huán)境所必需的（如圖1、圖2所示）。

圖1 鳥(niǎo)的細(xì)節(jié)

圖2 鳥(niǎo)的進(jìn)化順序

2.2 難以到達(dá)的情境

這種情境主要是指另一空間的情境，如受地域、地理等條件限制，學(xué)生無(wú)法到達(dá)或親臨體會(huì)的知識(shí)內(nèi)容，如沙漠、雪山、宇宙等。我們可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬，開(kāi)展跨時(shí)空、跨地域的學(xué)習(xí)模式。

以“太陽(yáng)系”一課為例，本課對(duì)應(yīng)地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域即13.4。根據(jù)五年級(jí)學(xué)生的特點(diǎn)，主要了解太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心，知道太陽(yáng)系中有8顆行星，并描述它們?cè)谔?yáng)系的相對(duì)位置（如圖3所示）。第一步通過(guò)VR 眼鏡營(yíng)造太空環(huán)境，使學(xué)生形象地了解太陽(yáng)系的空間組成，了解太陽(yáng)系行星排布的基本規(guī)律。接下來(lái)再次利用VR 眼鏡，觀察太陽(yáng)系，探索8 顆行星的具體特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)每個(gè)行星的顏色不同，表面組成也存在差異，土星外側(cè)還有光環(huán)，天王星、海王星、木星外側(cè)也有小光環(huán)。學(xué)生根據(jù)興趣，自主探究太陽(yáng)系行星的具體資料，通過(guò)分析，知道除地球外的其他星球環(huán)境都不適合人類生存，并且發(fā)現(xiàn)行星的自轉(zhuǎn)和衛(wèi)星環(huán)繞特點(diǎn)。第三步再次通過(guò)VR 眼鏡觀察回顧，手繪太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)圖，加深對(duì)空間概念的理解。

圖3 八大行星的位置

在操作中，教師把主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，VR 眼鏡是學(xué)生本節(jié)課遨游太陽(yáng)系的“宇宙飛船”，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓學(xué)生以“上帝的視角”觀察外世界景象，通過(guò)自己的“操縱”，“飛向”感興趣的星球，獲取數(shù)據(jù)資料，對(duì)天體奧秘產(chǎn)生一種破解的喜悅感。

2.3 難以模擬的情境

這種情境主要是指一些災(zāi)害情境和較大范圍的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。日常生活中很難模擬這類情境，如地殼運(yùn)動(dòng)中的地震、火山噴發(fā)等。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠呈現(xiàn)虛擬災(zāi)害的情境，讓學(xué)生直觀感受災(zāi)害產(chǎn)生的原因、造成的危害，并學(xué)會(huì)在災(zāi)害情境下的自我保護(hù)；也能夠很直觀地展現(xiàn)地殼運(yùn)動(dòng)、地表變化等大范圍運(yùn)動(dòng)情境。

以“地表的變化”為例，本課屬于課標(biāo)中“地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域”的內(nèi)容。這些內(nèi)容比較抽象，學(xué)生很難想象自然界中的風(fēng)雨、流水等是如何塑造著地表的，而借助于VR 技術(shù)可以更好地學(xué)習(xí)。首先學(xué)生利用VR 進(jìn)行觀察，認(rèn)識(shí)我國(guó)的幾種主要地表形態(tài)，知道地球表面有著不同的形態(tài)特點(diǎn)。其次，以一顆鵝卵石的視角，全方位引入本課的地表變化場(chǎng)景中，通過(guò)觀察一顆鵝卵石的“旅行”，分析鵝卵石的前世和今生的變化，知道大自然中的風(fēng)雨、溫度、流水等在地表的活動(dòng)中塑造著地表形態(tài)（如圖4 所示）。在觀察、分析、交流過(guò)程中，突破本節(jié)課的重難點(diǎn)。

圖4 地表形態(tài)

2.4 難以觀測(cè)的情境

這種情境主要是指生活中難以用肉眼觀察到或觀測(cè)準(zhǔn)的情境，如在顯微鏡下觀察的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、分子原子以及關(guān)于器官內(nèi)部的位置、構(gòu)造、運(yùn)作等內(nèi)容。平時(shí)授課時(shí)一般會(huì)使用圖片、視頻，但是都過(guò)于平面，有些學(xué)生很難馬上接受，需要不斷練習(xí)或很長(zhǎng)時(shí)間的具象過(guò)程。VR 技術(shù)的支持可以幫助呈現(xiàn)這種微生物以及器官或組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、環(huán)境等，不僅可以幫助學(xué)生快速掌握知識(shí)，而且對(duì)他們的學(xué)習(xí)積極性也有極大提升。

以“肺的保健”一課為例，本課選自首師大版教材《科學(xué)》第四冊(cè)“關(guān)愛(ài)健康”單元的第三課。屬于新課標(biāo)中“生命世界”中“多種多樣的生物”之動(dòng)物——人。上課之初，學(xué)生利用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)體驗(yàn)三維立體的人體器官（如圖5 所示）。通過(guò)炸裂式的模擬圖認(rèn)識(shí)肺的特點(diǎn)，感受肺的位置、外形、作用及整個(gè)呼吸系統(tǒng)。第二次VR 體驗(yàn)，通過(guò)觀察呼吸時(shí)氧氣進(jìn)入、二氧化碳排出，了解人體呼吸時(shí)氣體進(jìn)入的路徑和氣體變化的過(guò)程，支持了探究的過(guò)程。最后階段通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)查和資料搜索，得出保持肺的健康是非常重要的結(jié)論。

圖5 三維人體器官

3 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下的探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)

小學(xué)科學(xué)課是一門探究性極強(qiáng)的課程。探究性特點(diǎn)主要體現(xiàn)在探究式學(xué)習(xí)過(guò)程中。探究式學(xué)習(xí)流程一般按照“問(wèn)題導(dǎo)入—猜想假設(shè)—合作探究—信息交流—得出結(jié)論”幾個(gè)步驟進(jìn)行（如圖6 所示）。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，也分為導(dǎo)入支持、探究支持和鞏固支持3部分。

圖6 小學(xué)科學(xué)課探究教學(xué)模式的一般過(guò)程

3.1 導(dǎo)入支持

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的導(dǎo)入支持，主要是利用VR 導(dǎo)入的多樣性和真實(shí)性，創(chuàng)設(shè)與發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有助于快速引起學(xué)生的關(guān)注和興趣，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，提高后續(xù)探究環(huán)節(jié)的效率（如圖7 所示）。

圖7 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的導(dǎo)入支持

以“窗花的形成”一課為例，冬天能夠在窗戶里面看到或摸到窗花，而春天的清晨卻是在車窗外面看到和摸到窗花（如圖8 所示）。同樣的現(xiàn)象，形成的位置卻大不一樣。這一情境能夠極大地調(diào)動(dòng)起學(xué)生的好奇心和探究欲，但是如果課堂上利用視頻或圖片進(jìn)行情境的介紹及引入，就會(huì)顯得黯淡失色。此時(shí)，可以借助沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并結(jié)合4D 技術(shù)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，讓學(xué)生觀察并感知，使學(xué)生將過(guò)往的生活經(jīng)驗(yàn)和課堂的情境感知迅速合二為一，為接下來(lái)進(jìn)行科學(xué)探究做了良好的鋪墊。

圖8 窗花

3.2 探究支持

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究支持，主要是通過(guò)提供探索工具和資源，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證假設(shè)、解決問(wèn)題，如在前例中對(duì)太陽(yáng)系和八大行星的位置關(guān)系的研究（如圖9 所示）。

圖9 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的探究

以“四季變化”為例，本課選自首師大版教材“科學(xué)”第四冊(cè)“共有的家園”單元的第三課?！八募咀兓钡某梢蚴潜容^難的內(nèi)容，以往的教學(xué)中，通常會(huì)利用視頻或?qū)嵨锬Ｐ停龑?dǎo)學(xué)生操作并探究成因，但是由于模型的真實(shí)性和具象性有限，學(xué)生很難將它抽象成具體的天體和位置，理解起來(lái)比較困難。引入沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之后，學(xué)生可以在探究實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，通過(guò)VR 手柄進(jìn)行操作，通過(guò)VR 眼鏡進(jìn)行觀測(cè)，以一個(gè)“站在地球上某一位置的巨人”的視角，以宏觀的角度觀測(cè)四季變化時(shí)地球與太陽(yáng)的位置以及地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)（如圖10 所示），從而探究成因，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在本節(jié)課的探究環(huán)節(jié)，可以極大地輔助學(xué)生的探究過(guò)程，為學(xué)生驗(yàn)證假設(shè)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律提供支持。

圖10 地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)

3.3 鞏固支持

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的鞏固支持，通常是在學(xué)生交流匯報(bào)或拓展練習(xí)時(shí)，將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于其中，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。在虛擬現(xiàn)實(shí)情境下完成交流匯報(bào)，完成練習(xí)，有助于學(xué)生理解和鞏固知識(shí)，同時(shí)也鞏固探究解決的思路和方法（如圖11 所示）。

圖11 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的鞏固支持

以“奇妙的光與色”為例，五年級(jí)學(xué)生對(duì)于彩虹的形成都有了解，這些了解從課外書、視頻中獲得，幾乎沒(méi)有學(xué)生對(duì)此產(chǎn)生質(zhì)疑，但在訪談時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)于多種色光混合成為白光的事實(shí)并不肯定，多數(shù)學(xué)生會(huì)把光的顏色與顏料的顏色混為一談，造成對(duì)光顏色的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。本節(jié)課利用VR 技術(shù)，觀察太陽(yáng)光在小水珠的作用下分散成7 種色光，發(fā)現(xiàn)不同色光和陽(yáng)光照射物體的差異。更重要的是，本節(jié)課學(xué)生可以控制多種色光的合成，學(xué)生一邊操作，一邊將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果投射在VR 設(shè)備中，便于其他學(xué)生的觀察，為學(xué)生驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)以及匯報(bào)探究過(guò)程提供支持。本課最后一個(gè)拓展環(huán)節(jié)，學(xué)生再次佩戴VR 眼鏡，感受“如果太陽(yáng)光不包含這么多的顏色，只剩下其中一種或兩種顏色，會(huì)是什么樣子”。通過(guò)這一環(huán)節(jié)的拓展練習(xí)，借助VR 技術(shù)更深入地認(rèn)識(shí)熟悉的太陽(yáng)光包含多種顏色的光，如果沒(méi)有多種顏色混合的太陽(yáng)光，我們看到的世界會(huì)跟現(xiàn)在完全不同，生活中美麗多姿的色彩也會(huì)變少，培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)自然、尊重科學(xué)的價(jià)值觀。

4 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值與未來(lái)展望

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拓展了教學(xué)形式，突破了時(shí)空局限性，豐富了科學(xué)教學(xué)模式，提高了科學(xué)課堂探究解決環(huán)節(jié)的有效性，提高了學(xué)習(xí)效率。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)⒊橄蠡癁樾蜗螅S富科學(xué)教學(xué)資源形式，幫助學(xué)生多視角觀察事物、分析事物，讓學(xué)生全面了解知識(shí)點(diǎn)、解決知識(shí)難點(diǎn)；同時(shí)，提高教師信息化教學(xué)的解決能力和學(xué)科素養(yǎng)，為教師提供一個(gè)豐富的廣闊的發(fā)展平臺(tái)。

當(dāng)然，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也有它目前的局限性，如虛擬現(xiàn)實(shí)資源不足、難以留下學(xué)習(xí)痕跡、技術(shù)不能完全普及、掌握難度較高等。未來(lái)，隨著沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，應(yīng)當(dāng)加快小學(xué)科學(xué)VR 資源庫(kù)的建設(shè)；同時(shí)，教師應(yīng)當(dāng)思考VR 技術(shù)與其他信息化技術(shù)手段和工具的結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)和實(shí)體教學(xué)的真正融合，以期最大限度地提高課堂效率，指導(dǎo)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)。