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1、 虚拟现实（VR）技术在小学科学教学中的应用研究 前言 小学科学是结合物质科学、生命科学、地球和宇宙科学、技术与工程四个领域的一门基础性、实践性、综合性课程。小学科学课程以培养学生科学素养为宗旨，倡导以探究式学习为主的多样化学习方式、促进学生主动探究。突出创设学习环境，为学生提供更多自主选择的学习空间和充分的探究式学习机会。因而，将虚拟现实技术等现代化信息技术巧妙地融入到小学生喜闻乐见的各种科学主题中，对于改变传统科学课堂、提高课堂质量有重要意义。1、虚拟现实技术含义 虚拟现实技术（Virtual Reality）通常简称“VR”，是运用计算机来模拟出现实和非现实的三维场景，使用者利用视觉、听
2、觉、触觉、味觉等多感官来体验虚拟场景里的事物，同时可以通过自然语言、肢体语言等进行实时互动，创造出一个人适化的多维信息空间。它是一种利用计算机生成模拟环境的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户产生身临其境的体验感。该技术目前广泛应用于教育、医学、娱乐、军事航天、室内设计、房产开发等领域。2、虚拟现实技术在小学科学教育中的特征及优势以 STEM 课程 设计喂鸟器为例 美国科学家 BurdeaG 和 PhilippeCoiffe 提出了虚拟现实技术的三个基本特征,即为 3I，分别是沉浸性(Immersion)、交互性（Interaction）、想象性（Imagination），获得较多学
3、者的认同。3I 特征在小学科学教育中有巨大优势。2.1 沉浸性 是指利用计算机生成的仿真环境，带给用户一种身临其境的感觉，让用户融入到虚拟世界中。用户所体验到的沉浸性来源于虚拟现实技术的多感官性，它除了具备一般计算机所具有的视觉感知外，还具备听觉感知、触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。著名的新西兰教育学家克里斯蒂沃德在她的“友善用脑”加速学习新方法的书中提到，尽量充分使用身边的每一个小道具来刺激学生的各种感官都能够达到意想不到的效果。在 STEM 课程设计喂鸟器中，虚拟现实技术的沉浸性体现在：学生可以通过视觉、听觉、运动感知等多种感官来观察小鸟的形态特征和行为习惯，取代传统科学
4、课堂中单一的视觉感官参与方式，多感官的参与有助于提高学生对知识点的记忆。2.2 交互性 指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。用户以第一人称的视角沉浸在虚拟世界中，通过自然运动方式与虚拟环境进行互动，让用户产生置身于虚拟世界中的感觉。用户通过动作给虚拟世界中的物体指令，虚拟世界给予用户反馈对应动作，人机互动。沉浸性这一特征来源于交互性，这两者是虚拟现实技术最普遍也是最重要的特征。在 STEM 课程设计喂鸟器中，交互性体现在：学生通过自然运动如前进，旋转身体等方式，置身于虚拟世界中，寻找火烈鸟等鸟类的踪迹，将视觉红点停留在学生想了解的鸟身上数秒后，会出现该品种鸟的三维动态
5、外部形态、叫声、文字介绍等。通过这种交互式的体验学习，可以增强学生的无意识记，轻而易举地达到教学目标。2.3 想象性 是运用虚拟现实技术把理性与感性相结合，创建出人为想象的场景或事物，帮助人们思考和想象现实世界中不存在的事物，提高感性和理性认识，促使人们深化概念，引发新的联想2。这一特征的体现程度较多地取决于软件开发者的技术能力以及想象力。在 STEM 课程设计喂鸟器中，想象性体现在“设计喂鸟器”这一环节，学生通过 VR 眼镜了解某一种鸟的形态特征、生活习性（如嘴型、身形、食物），以及虚拟世界中的喂鸟器，深化学生对“喂鸟器”的概念，促使学生产生新的联系，发挥丰富的想象力，为其他鸟类设计合适的喂
6、鸟器。3、虚拟现实技术在小学科学教学的特征体现 3.1 真实比例模拟现实 是指按照真实比例 1:1 设计的高度模仿真实场景，为使用者带来最接近真实场景的感受。在小学科学教学中适用于模拟客观存在但无法到现场观察的情景，像动植物的生态环境、人文地理考察、水域考察、生态环境等场景。例如在教科版科学五年级上册中“生物环境”、“地球表面及其变化”单元学习中，利用真实比例模拟现实来观察雨水对土地的侵蚀、河流对土地的作用等自然现象。3.2 缩放现实模拟 是指利用 VR 虚拟缩放的功能，将现实中的微观世界放大或将宏观世界缩小，以第一人称视角呈现出来，当学习者以参与者的身份“亲身经历”，把原本通过客体观察的有意
7、识记，转变成主观主动经历的无意识记，使得学习者编码的材料和手段更加丰富，后期可供提取的记忆线索也更多，学习者有了“亲身经历”后，更轻松地巩固和加深了对知识的记忆。放大现实模拟技术在小学科学教学中适用于微观世界的观察和学习，像生物细胞结构、物理微观变化、化学反应原理、生理系统等。例如应用于教科版科学四年级上册的“溶解”“我们的身体”单元学习中，利用放大现实模拟技术来观察物体如何溶解在水中、食物在体内的消化等微观现象。缩小现实模拟技术在小学科学教学中适用于宏观世界的观察和学习，例如教科版科学六年级下册的“宇宙”这一单元，用缩小现实模拟技术来观察月相变化、日食和月食等宇宙场景和天体运动。3.3 三维
8、成像 还原物体的 3D 本质，还原三维物体的原型。相比普通课件的二维图片和视频，三维成像可以全方位地呈现出物体的细节，在小学科学课堂中可以用来展示现实生活难以接触到的物体，像动植物的器官、建筑物的结构等。例如教科版科学四年级上册第四单元“我们的身体”中骨骼、关节和肌肉一节，利用三维成像可以充分地展示人体骨骼、关节和肌肉的形态结构以及功能；又如六年级上册中桥的形状和结构的学习，在虚拟世界中学生可以“到达”世界上每一座桥旁边，全方位地观察桥的形状和结构。4、虚拟现实技术对小学科学课堂的积极影响 4.1 激发热情，提升学习效率 虽然早已有教育者将虚拟现实技术带入课堂，但是对大多数学生来说，虚拟现实技
9、术还是个新鲜事。沉浸式、交互式的体验给学生带来身临其境的体验感，改变了以往枯燥的坐在凳子上听老师讲授的枯燥课堂，学生的学习热情会因此得到充分的激发。多种感官的参与，满足小学生对世界的好奇心和探索欲望，促使他们在快乐的学习中轻松地获取知识、掌握知识。4.2 打破限制，实现智慧课堂 传统科学课堂上，学生的学习脚步只能停留在图片、视频上，而虚拟现实技术可以将整个宇宙都“搬”到课堂上，学生可以轻而易举地“到达”地球上任何一个角落，领略大自然的鬼斧神工；可以钻到身体里，看看吞噬细胞如何吞噬入侵的病原体，保护我们的身体；可以瞬间飞向宇宙中的任何一个天体，做一个名副其实的“外星人”。4.3 避免部分实验带来
10、的安全隐患 在小学科学教材中，难免有部分实验对于小学生来说可能存在一定的安全隐患，例如教 科版四年级上册中分离盐和水的方法这一课时，需要用到酒精灯等较为危险的实验器材。对于这种存在安全隐患的课时，教师一般会采用观看视频的方式来取代实际操作。但这种形 式对特点实验的认识流于表面，而虚拟现实技术可以在避免危险的前提下让学生进行三维模拟的实验操作，既加深了学生 对知识点的认识与理解，又有效地规避实验可能造成的危险3。5.虚拟现实技术融入小学科学课堂的必要性 传统的小学科学教学已无法满足当前教育事业发展的需求，无法满足学生对科学知识的渴望和需求。出生于信息化时代的小学生热衷于摸索各种先进的信息技术，对于科学知识的探索更有一颗炙热的心，将两者巧妙结合必定会碰撞出先进科技的火花。美国著名教育家杜威主张“从做中学”，他认为儿童不从活动而由听课和读书所获得的知识是虚渺的。在小学科学这样一个多学科、多领域综合的实践性基础学科中，结合虚拟现实技术进行多样化的探究式学习，能够更好的促进学生主动探究学习，培养学生的科学素养。教育 4.0 时代提出以互联网和智能终端为信息载体和传递方式，创造以教学权威组织结合自主学习社群为组织形式的教育新形态。虚拟现实技术逐步融入小学科学教学中，对提升小学科学教学质量，实现让学生成为课堂真正的主人有着重要意义。