陸吉健 沈曉媛

【摘? ?要】從教育與科技相結(jié)合的趨勢(shì)來看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)教育教學(xué)改革。借助VR一體機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件平臺(tái)進(jìn)行課程教學(xué)，不僅可以帶給使用者高度的沉浸感，而且能夠增進(jìn)交互感，適度延伸課堂教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生有效學(xué)習(xí)?；诿艚菡n程開發(fā)理念，建構(gòu)包括準(zhǔn)備、迭代設(shè)計(jì)、迭代開發(fā)三個(gè)階段的VR一體機(jī)輔助下的課程開發(fā)模式，結(jié)合相關(guān)VR教學(xué)資源，設(shè)計(jì)VR一體機(jī)輔助下的小學(xué)數(shù)學(xué)拓展性課程“數(shù)學(xué)VR探險(xiǎn)”。

【關(guān)鍵詞】VR一體機(jī);課程開發(fā)模式;小學(xué)數(shù)學(xué);拓展性課程

近年來，隨著教育信息化的不斷推進(jìn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸成為教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。當(dāng)下，借助“VR頭顯”和“VR眼鏡”教學(xué)，是虛擬現(xiàn)實(shí)輔助課堂教學(xué)較常規(guī)的方式，這些設(shè)備雖然可以帶給學(xué)生高度的沉浸感，但在使用者協(xié)作交互等方面存在較大的局限性。借助VR一體機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件平臺(tái)，可以增強(qiáng)師生、生生之間的交互感，可以適度延伸課堂教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生更加有效地學(xué)習(xí)?，F(xiàn)以“數(shù)學(xué)VR探險(xiǎn)”課程為例，介紹VR一體機(jī)輔助下的課程資源開發(fā)模式及實(shí)踐。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)與小學(xué)教育

國(guó)內(nèi)關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在小學(xué)教育中的應(yīng)用研究目前還處于起步階段。zSpace的VR一體機(jī)是近年興起的虛擬現(xiàn)實(shí)教育設(shè)施，具有豐富的VR課程資源，在小學(xué)教育領(lǐng)域有較好的發(fā)展前景。其硬件系統(tǒng)主要包括3D顯示器、VR觸控筆、3D立體眼鏡等;軟件系統(tǒng)主要有富蘭克林實(shí)驗(yàn)室、3D工作室、歐幾里得圖形等。在使用過程中，學(xué)生不僅可以利用VR觸筆對(duì)顯示器上的對(duì)象進(jìn)行位移、放大、解剖等操作，帶來較高的沉浸感，而且通過平臺(tái)可以及時(shí)導(dǎo)出學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，便于開展分享交流。在實(shí)際教學(xué)中，教師要將4～6位學(xué)生分為一組，并為每組學(xué)生配備一臺(tái)VR一體機(jī)進(jìn)行協(xié)作探究學(xué)習(xí)。[1]

二、VR一體機(jī)輔助下的課程開發(fā)模式

為應(yīng)對(duì)VUCA時(shí)代帶給教育領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，敏捷課程開發(fā)理念應(yīng)運(yùn)而生。敏捷課程開發(fā)的本質(zhì)就是主動(dòng)、有效且高效地響應(yīng)學(xué)習(xí)者個(gè)性化且不斷發(fā)展變化的學(xué)習(xí)需求，快速為學(xué)習(xí)者交付契合學(xué)習(xí)需求的可用課程[2]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助下的課程開發(fā)，不僅要考慮虛擬現(xiàn)實(shí)資源及課程教學(xué)特點(diǎn)等多方面的因素，而且要根據(jù)師生的實(shí)際需求進(jìn)行課程內(nèi)容的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，這些要求與敏捷課程開發(fā)理念相匹配。因此，研究團(tuán)隊(duì)基于Allen提出的SAM模型（Successive Approximation Model，逐漸逼近模型），建構(gòu)起包括準(zhǔn)備、迭代設(shè)計(jì)、迭代開發(fā)三個(gè)階段的VR一體機(jī)輔助下的課程開發(fā)模式，具體如圖1所示。

其中，準(zhǔn)備階段主要是進(jìn)行VR課程資源選配，研究團(tuán)隊(duì)需要縱覽VR課程資源，根據(jù)學(xué)情進(jìn)行案例的選配。在迭代設(shè)計(jì)階段進(jìn)行VR課程規(guī)劃，生成初步創(chuàng)意，構(gòu)建課程開發(fā)模型，并通過對(duì)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的不斷評(píng)估，迭代設(shè)計(jì)出新穎的課程方案。其中，課程開發(fā)模型是迭代設(shè)計(jì)階段的核心，它是課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可以引發(fā)更多富有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)思路。迭代開發(fā)階段中，研究團(tuán)隊(duì)通過課程開發(fā)、實(shí)施、反饋等環(huán)節(jié)生成標(biāo)準(zhǔn)課程設(shè)計(jì)，并對(duì)上述環(huán)節(jié)進(jìn)行迭代循環(huán)產(chǎn)出A版本、B版本，乃至VR課程設(shè)計(jì)的黃金版本。在這個(gè)階段中，研究團(tuán)隊(duì)不斷收集學(xué)生的反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決相應(yīng)問題，通過不斷迭代設(shè)計(jì)方案的方式縮短課程開發(fā)周期，提升課程設(shè)計(jì)質(zhì)量和實(shí)踐效果。

三、VR課程資源選配

（一）VR課程資源縱覽

zSpaceVR一體機(jī)的VR教學(xué)資源主要分為社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)語(yǔ)言等模塊，其中科學(xué)領(lǐng)域的課程資源占比較大，具體如表1所示。數(shù)學(xué)模塊的VR教學(xué)資源設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，并不適合小學(xué)數(shù)學(xué)拓展型課程的開發(fā)，因此研究團(tuán)隊(duì)主要從工程設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行資源選配。

（二）VR課程資源案例選配

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)上述的VR課程資源進(jìn)行篩選后，確定圍繞“三角形、圓形和正方形”“問題解決者”“轎車、巴士和自行車”“工程設(shè)計(jì)過程”4個(gè)VR課程資源，進(jìn)行小學(xué)數(shù)學(xué)拓展性課程的開發(fā)。

上述4個(gè)VR課程資源的3D模型演示非常形象直觀，學(xué)生置身于問題情境中學(xué)習(xí)，可以獲得良好的情景感。借助以上課程資源進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生需要利用所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)分析問題，能深刻地體會(huì)到數(shù)學(xué)知識(shí)不僅僅是印在課本上的定理、公式，更是“活”的知識(shí)。同時(shí)，學(xué)生也要嘗試運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)來解決問題，這有助于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力、知識(shí)遷移能力及創(chuàng)新思維等。課程各模塊及其VR資源、教科書內(nèi)容（人教版）和核心素養(yǎng)指向[3]詳見表2。

四、VR小學(xué)數(shù)學(xué)拓展性課程設(shè)計(jì)

使用VR課程資源進(jìn)行教學(xué)，需要教師提前進(jìn)行課程規(guī)劃及課程設(shè)計(jì)?！皵?shù)學(xué)VR探險(xiǎn)”是研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行VR一體機(jī)輔助教學(xué)嘗試的重要內(nèi)容之一。

（一）“數(shù)學(xué)VR探險(xiǎn)”課程結(jié)構(gòu)

“數(shù)學(xué)VR探險(xiǎn)”課程面向5～6年級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)，課程由探險(xiǎn)準(zhǔn)備、探險(xiǎn)啟程、探險(xiǎn)開始、探險(xiǎn)總結(jié)4個(gè)模塊構(gòu)成，課程開展16周，每周1課時(shí)，授課教師可以根據(jù)實(shí)際情況安排具體的教學(xué)課時(shí)，具體課程計(jì)劃詳見表3。整個(gè)課程圍繞小學(xué)數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)進(jìn)行跨學(xué)科整合設(shè)計(jì)，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平逐漸深入。在課程實(shí)施過程中學(xué)生要利用數(shù)學(xué)知識(shí)分析、解決具體情境問題，并使用VR觸控筆進(jìn)行模型構(gòu)建，有助于提升學(xué)生用數(shù)學(xué)思維分析、解決問題的能力，促進(jìn)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)技能的整合應(yīng)用，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)也有重要意義。

（二）“給恐龍建房屋”教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

下面以VR一體機(jī)輔助下“數(shù)學(xué)VR探險(xiǎn)”課程中“給恐龍建房屋”這一代表性案例為例，介紹其具體的實(shí)施流程。

1.熱身環(huán)節(jié)

教師確定課程主題和教學(xué)目標(biāo)后，融合多學(xué)科交叉知識(shí)，設(shè)計(jì)“熱身環(huán)節(jié)”激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，并為后續(xù)工程設(shè)計(jì)流程的探究做鋪墊。在學(xué)生都佩戴好3D眼鏡后，教師首先介紹著名的工程師及其相關(guān)貢獻(xiàn)，讓學(xué)生體會(huì)工程師在日常工作和生活中的重要性。教師通過在zSpace上出示各類發(fā)明成果，引導(dǎo)學(xué)生思考：這些發(fā)明成果都解決了什么問題？并請(qǐng)學(xué)生在軟件上輸入自己的想法，之后進(jìn)行交流分享。

教師引導(dǎo)學(xué)生先想一想：工程師解決問題的一般流程是怎樣的？然后在zSpace上出示工程設(shè)計(jì)流程圖，介紹工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的相關(guān)知識(shí)。接著引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組討論：“為什么工程師需要遵循這個(gè)流程？”讓學(xué)生初步感知設(shè)計(jì)流程的環(huán)節(jié)。

2.設(shè)計(jì)

在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生需要收集、運(yùn)用相關(guān)信息設(shè)計(jì)解決方案。設(shè)計(jì)流程可以分為以下三步：①確定需解決的問題，明確評(píng)價(jià)要求。②收集信息，確定最佳解決方案。③繪制設(shè)計(jì)草圖。教師通過zSpace創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境：“想象一下，你有一個(gè)寵物劍龍，你需要在后院為它建造一間房子?！币龑?dǎo)學(xué)生先厘清任務(wù)情境中自己需要解決的問題是什么，為了解決這個(gè)問題需要考慮哪些因素。然后讓學(xué)生通過獨(dú)立思考、討論交流，將要解決的大問題分解為若干個(gè)小問題，形成大致的解決思路。接著學(xué)生可以借助計(jì)算機(jī)、書本等工具進(jìn)行資料的收集與整理。在擁有了解決問題的相關(guān)知識(shí)、初步理解了解決問題具體方法背后的原理后，教師組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論，讓每個(gè)學(xué)生闡述自己的想法和方案，并在小組內(nèi)討論各種方案的優(yōu)點(diǎn)與不足，在總結(jié)出一個(gè)完整的、組內(nèi)認(rèn)為最優(yōu)的問題解決方案后，明確小組成員的分工。最后，學(xué)生需要繪制解決方案的模型草圖，并思考所需要的材料。

3.原型創(chuàng)建

原型是模型的物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)或概念的實(shí)例化，學(xué)生能夠?qū)υ瓦M(jìn)行相應(yīng)的操作和測(cè)試。[4]在這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生在設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上利用zSpace系統(tǒng)中的模型（如木塊等）建造房屋原型，并驗(yàn)證所提出的解決方案是否合理。教師在此過程中引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)來完成原型的構(gòu)建與驗(yàn)證。

4.評(píng)價(jià)反思階段

各個(gè)小組在VR一體機(jī)上生成并提交小組成果，展現(xiàn)探究過程與成果。在這個(gè)過程中，學(xué)生要向他人說明本組的設(shè)計(jì)運(yùn)用了哪些知識(shí)，是如何解決問題的。教師與其他學(xué)生則對(duì)成果展示進(jìn)行反饋，提出相關(guān)建議，學(xué)習(xí)小組可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)方案和原型的優(yōu)化，并呈現(xiàn)最終成果。學(xué)生與他人進(jìn)行交流反饋的過程，就是對(duì)作品進(jìn)行優(yōu)化的過程，他們?cè)诓粩喔倪M(jìn)方案的經(jīng)歷中內(nèi)化對(duì)相關(guān)知識(shí)、方法的理解。

5.小結(jié)與拓展階段

在小結(jié)與拓展階段，教師再次出示工程設(shè)計(jì)流程圖，先讓學(xué)生在體驗(yàn)完整設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上思考以下問題：“工程設(shè)計(jì)流程為什么顯示為一個(gè)圓圈？”“工程師為什么需要多次完成該圓圈？”引導(dǎo)學(xué)生感悟工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)之前的活動(dòng)，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)思考“當(dāng)工程師面臨一個(gè)難以解決的問題時(shí)，他們會(huì)做什么”，并引出“快速原型創(chuàng)建”的概念與作用。最后，教師鼓勵(lì)學(xué)生遷移所學(xué)知識(shí)，針對(duì)生活中的問題進(jìn)行解決方案的設(shè)計(jì)，完成對(duì)日常生活中的問題的探索。

學(xué)生在zSpace上完整地完成課程學(xué)習(xí)后，將學(xué)習(xí)過程中的反饋與成果以PDF的形式導(dǎo)出，教師可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行課程內(nèi)容的反思與優(yōu)化。

五、研究展望

VR一體機(jī)輔助下的課程資源開發(fā)模式，雖然還需要更多的案例實(shí)踐來佐證與優(yōu)化，但研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始在這條路上進(jìn)行探索。從教育與科技相結(jié)合的趨勢(shì)來看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)教育教學(xué)改革，而這也需要更多學(xué)者和一線教師的研究與參與。相信在具身認(rèn)知理論、敏捷課程和創(chuàng)客教育等理念的支持下，一定會(huì)有更多的教師和學(xué)生基于zSpace中的資源進(jìn)行更成熟的課程開發(fā)與學(xué)習(xí)實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸吉健，錢雨楊，陳子涵.VR一體機(jī)輔助下的中學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)模式及其實(shí)踐[J].教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考），2021（6）：3-6.

[2] 李笑櫻，閆寒冰，彭紅超.敏捷課程開發(fā)：VUCA時(shí)代課程開發(fā)新趨向[J].電化教育研究，2021（5）：86-93.

[3] 馬云鵬.關(guān)于數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)的幾個(gè)問題[J].課程·教材·教法，2015（9）：36-39.

[4] 周安然，柏毅，黃雪瑩.基于工程設(shè)計(jì)思維的STEM課程開發(fā)研究及啟示：以NASA“宇宙飛船安全”課程為例[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2020，22（S1）：122-126.

（杭州師范大學(xué)經(jīng)亨頤教育學(xué)院? ?311121）