虛實結合巧解暗箱

小學科學教材中有許多學習內容屬于解暗箱的類型，這些內容是不能直接被感知的，但根據一定的可感知的外部情況，可以間接推斷出來。在這些學習活動中，常常通過引導學生反復感知那些可感知的事物的外部情況，研究有關事實，抓住推理的突破口，間接推斷出事物的本質和特征，探索其內部奧秘。

《食物在體內的旅行》是一節典型的“解暗箱”課。本課教學，通常的做法是：調動學生的生活經驗，結合人體解剖學的圖示，輔以各種食物在部分消化器官中發生變化的模擬實驗，讓學生認識人體消化道的主要器官，以及各器官的主要作用。有的教學更進一步，也僅僅是采用一些清晰度較低的內窺鏡視頻，幫助學生加強對個別消化器官如胃的作用的了解。這樣教學，從整體上來看，學生雖然興致較高，思維也比較活躍，但對各消化器官在人體中所處的部位把握不夠精確，對消化道部分器官順序的認識往往有偏差，對部分消化器官結構及其作用的認識有限。

現代三維技術的發展，尤其是3D影像和VR互動等虛擬現實技術的不斷發展，為我們嘗試使用新的技術手段幫助學生將“暗箱”轉化為與現實世界類似的環境，從而重新設計和實施《食物在體內的旅行》一課的教學提供了可能。

一、利用3D影像，實現透視觀察

在虛擬現實技術條件下，我們使用3D影像的方式，引導學生對消化道進行整體認知和觀察。學生帶上3D眼鏡，觀看3D影像，師生就被虛擬為即將進入消化道的食物這一角色，師生一起經歷人體消化道的虛擬環境，按照完全正確的虛擬路徑“進入其中”，詳細觀察各種消化器官的內部結構。

在這個過程中，學生以食物這一虛擬角色進入人體消化道，隨著進入不同的消化器官，“食物”自身發生著變化，同時觀察到所處的消化器官結構，如光滑的食管、口袋般滿是褶皺的胃、彎彎繞繞且絨毛密布的小腸，以及各個消化器官的不同運動方式。所到之處，皆是“身臨其境”。這種直接獲取的經驗，使學生很容易將食物的變化與器官的結構和運動方式聯系起來，大大提高了學習效率。這樣教學，充分考慮到小學生的心理特征，體現了生動性，強化了表現力，保持了學生的注意力，并通過減少不必要的干擾信息，把學生的注意力引向要學習的信息。教學實踐中我們發現，即使完成3D影像的觀看，走出虛擬的全過程，學生也很容易調動短時記憶，將所觀察到的現象和過程清晰地再現出來，與外部所能感受到的器官運動能夠緊密聯系起來，對消化器官與食物變化的認識更充分。

二、利用3D交互，實現虛實結合

在指導學生探究消化道各器官的順序及其在人體中所處部位時，我們采用了桌面VR+AR教學系統，這個系統主要由桌面級VR交互一體機和VR、AR交互軟件組成。“VR+AR+教育軟件”將教學從平面圖像轉變到虛擬現實，該系統不僅能實現單人（教師或學生）的VR交互操作，配合AR交互軟件還能將使用者的體驗過程投射到另一屏幕或第二臺監視器上，實現增強現實的功能，可將真實環境與虛擬圖層疊加后展現給學生，旁觀者裸眼也能看到隔空操縱模型的效果。我們將主要的消化器官以虛擬實物的方式零散呈現，學生可以根據自己的意愿對虛擬的實物進行移動、旋轉或縮放，通過對虛擬實物的操作來完成學習。

第一層操作，學生通過操作筆，夾取虛擬器官，按照順序擺放和組合，通過系統判定操作的準確性，獲取對消化道主要器官順序的正確認知。

第二層操作，學生從桌面提取個別消化器官，移動、旋轉和伸縮，觀察器官的外部形態。

第三層操作，學生用操作筆操控個別消化器官，進行分解，進一步觀察器官的內部結構特征。

學生最感興趣且效果最好的當屬增強虛擬現實操作了，操作者可以邀請一位同學與虛擬環境融合，桌面上的消化器官可根據受邀者體型實現成比例縮放，然后由操作者夾取不同的虛擬消化器官，從桌面轉移到受邀者身體相應的部位，其他學生討論后指引操作者擺放虛擬的器官，最后系統自動識別、提示擺放的準確性。通過增強虛擬現實手段，所有學生不僅在虛擬環境中能夠準確組合消化道，而且每個孩子都能在脫離虛擬環境后準確指出食道、胃、小腸、大腸在自己身體中所處的部位，大大提升了教學效能。

我們充分運用虛擬現實技術開展本課教學時，沒有放棄實驗對比、實物模擬等教學手段。如作為整個消化道最便于直接觀察的口腔，我們既可以讓學生照鏡子觀察自己口腔的結構，還可以讓學生將食物分成兩組，一組食物未經口腔直接觀察，另一組食物在咀嚼后吐進透明塑料袋密封觀察，對比食物的變化并結合照鏡子的觀察，認識口腔的結構與作用。再比如，選用塑料直管、細橡膠管、粗波紋管分別模擬食道、小腸和大腸，尤其是為了表現小腸的長度而將7米長的細橡膠管完全展開的過程，同樣帶給學生強烈的感官刺激，激發了他們的興趣且形成深刻的認知。

通過實踐我們也發現，虛擬現實技術作為一種教育工具仍處于早期階段。我們自身缺乏相關軟件的制作能力，且投入的成本比較高，軟件制作者與實際使用者之間還缺乏必要的溝通。前面所使用的3D影像還需要提高交互性，應當以片段化的方式呈現并與桌面VR實現對接，從而更有效地讓學生在主動操作中學習。

可以預期，隨著技術的不斷進步，VR、3D影像等虛擬現實技術將會成為小學科學教學領域具有廣泛應用前景的“明星”技術，它的“沉浸性”“交互性”與“構想性”，不僅有利于科學教師構建一種全新、多變的教學環境，而且為學生提供了一種可以進行交互、直觀、自主探索的學習環境和學習方法，從而激發學生的學習積極性，提高他們科學學習的效果。

廣東省深圳市南山外國語學校

（集團）文華學校（518057）