虛擬和增強現實技術在科學課教學中的運用

近年來無論是在產業領域，還是在教育領域，抑或是研究領域，虛擬現實和增強現實成為當之無愧的熱點。各個行業都在積極探索如何利用虛擬現實技術實現自身的實質性轉變。因此，以虛擬現實和增強現實技術為核心的新一代信息技術能否推動甚至顛覆教育的變革，有待我們進一步實踐和研究。

一、虛擬和增強現實技術

虛擬現實 （Virtual Realit，簡稱VR） 技術是指建立在計算機技術基礎上，融合了計算機、網絡、視聽、多媒體、人工智能等多種交互技術手段，從而使人們能借助仿真環境或事物達到真實體驗的技術。增強現實（Augmented Realit，簡稱AR）是一個比較寬泛的概念，不同行業從業人員對其有不同的定義。簡言之，增強現實技術給現實世界增加了一層虛擬信息，使之成為虛擬現實技術的延伸，它可以用來模擬對象，讓學習者在現實環境背景中看到虛擬生成的模型對象，有時稱為“混合現實”。

虛擬現實技術強調建構場景與“投射”的過程，因此，它側重于構建和創造模式，關注虛擬場景是否有良好的體驗和交互。增強現實技術更關注復原人類視覺的功能，不隔離周圍的現實環境，注重虛擬場景與現實場景的相互“融合”。在教育實踐中，虛擬現實技術構建合理、夸張或虛幻的 VR 環境，為學生帶來想象性、交互性、沉浸性的學習體驗;而增強現實技術則更加強調學習過程的興趣性、智能性、自主性，從而提升現實工作、生活或學習的思維動力和實踐能力。

二、國內虛擬和增強現實技術應用于教育領域的研究

隨著計算機圖形學、計算機系統工程等技術的高速發展，虛擬現實技術已經得到了相當的重視，引起我國各界人士的興趣和關注。研究與應用VR，建立虛擬環境，虛擬場景模型分布式VR系統的開發正朝著深度和廣度發展。從對國內VR/AR教育行業的概覽可以看到，近年來增強現實技術在教育方面的應用越來越多地得以實現。許多VR公司積極開拓教育領域的市場，如推出沉浸式課堂系統，VR/AR超級教室等;教育公司引入VR技術開啟VR全景式教學，打造一整套中小學VR實驗室等;互聯網巨頭、上市公司、傳媒等紛紛布局VR教育，進行教育領域應用VR技術的研究，開發兒童VR教育產品，推出了多學科VR課件產品。例如廈門創壹軟件推出“100唯爾教育網”，是全國最大的虛擬現實三維互動在線教育云平臺，擁有全部自主知識產權的虛擬現實技術。其他方面：高校成立VR的各類虛擬增強現實實驗室;早教積極探索應用方面的研究和開發;VR/AR教育行業網站越來越多，人才培訓、實訓教育課程體系均有發展。目前虛擬和增強現實技術在教育領域的研究主要有以下幾項成果：虛擬仿真校園、虛擬實驗、虛擬教學（包括虛擬實體展示、虛擬漫游、虛擬過程演示、虛擬角色扮演）、虛擬游戲等。成果的研究與應用不僅集中在高校教學，還開始運用于基礎教育。小學科學課程也呈現出使用虛擬現實技術教學的趨勢。

三、虛擬和增強現實技術在小學科學教學中的運用

虛擬和增強現實技術具有交互性、沉浸性、多感知性和可操作性等優勢，可以虛擬教學情境、教學實驗以及用于技能訓練等，能充分調動學生的主動性和創造性，讓學生在安全和可控的環境中實踐所學，促進學習者知識和概念的積極建構，從而有效解決教學中的重點和難點問題。科學教育工作者如果能夠充分發揮技術支持，將為教學帶來以下優勢。

（一）為有意義的學習建構情境

建構主義的學習觀非常重視情境的教學作用，強調學習者在一定情境下，通過人與情境之間的協作、交流，利用必要的信息，主動地建構知識。虛擬現實技術是創設真實情境最有效的工具。高度逼真的“虛擬真實”世界，加上交互功能，能讓學習者很快融入虛擬現實系統，并成為系統的一部分，在虛擬場景的三維環境里進行人、物、景的多重交互，體驗到與現實一樣的情境。例如在小學科學教學內容中的天體運動、巖石的變化、植物的生長、動物的生命周期等知識，利用虛擬現實技術提供的場景，學生能自主決定時間跨度，決定空間角度，將長期運轉過程壓縮，打破空間、時間對教學的限制，消除時間與空間造成的認知阻斷。虛擬現實技術為學生提供了生動活潑、直觀形象的思維材料，學生在與情境作用的過程中處在深度的交互狀態，由此形成良好的認知結構，知識就在不知不覺中，通過不斷的自我同化與順應的過程，逐步建構起來，形成有意義的學習。

（二）增強對事物、概念的感知與理解

VR仿真技術能將抽象、晦澀難懂的知識以更生動、直觀、全面的方式呈現出來，學生能通過不同的視角觀察，從而增強對現實事物的理解。AR作為媒介技術的一種，其本質亦是對人的延伸。利用AR在呈現現實與虛擬相融合的內容方面的專長，讓虛擬素材的展示更為形象具體，增強對現實情境的視覺感知能力。例如下載AR卡牌相應的專用軟件，使用移動設備掃描AR卡片，即可出現角色的立體圖像，實現“立體動起來”的效果，這能給學生創設立體觀察的機會。AR書籍包含的內容更加豐富，它改變了單純用眼睛去閱讀靜態的圖畫文字的形式，而擴展成視聽等多方位的體驗，與虛擬圖像產生“互動”，讓靜態的圖文“活”起來。例如借助“AR人體醫學系統”，人體的構造就會直觀地展現到學生面前，學生可以按照自己的步調探究大腦、消化系統、神經系統等;學生還可以通過旋轉和放大虛擬3D器官以查看詳細的結構，在增強現實空間和虛擬3D模型等教學情境下，就會明顯優于傳統的口頭講解或者多媒體演示的教學方式。AR/VR技術在小學科學的地理、物理、化學等領域的教學中都有用武之地。這種全新的體驗方式，會給學生帶來超越傳統的感受，不僅有利于知識吸收，更能讓學生在趣味性和互動性的過程中增強對概念的理解。

（三）支持課堂內外混合式學習

依照《小學科學課程標準》的指導思想，小學科學教學應尊重學生的意愿興趣，以開放的思想和態度，為學生創設良好舒適的學習環境，讓學生充分掌握身邊的科學知識，使他們將所學的知識和技能在平時生活中得以靈活運用。顯然，僅憑課堂教學是滿足不了學生的求知欲的。將學生的學習置于廣闊的生活背景下，到校園、大自然中去學習科學，豐富他們的學習經歷，這是非常重要的舉措。隨著網絡、平板電腦、智能手機迅速普及，基于位置信息的移動服務逐漸成為移動終端平臺上的主流應用。移動AR技術，逐漸成為正式學習與非正式學習相結合的紐帶。例如基于移動終端和AR技術的科技館展品體驗課程，它分為學校模式和科技館模式，活動內容分為虛擬和現實兩種，包括科技館走訪、課程前后的參觀以及課內外實驗。學生通過對虛擬和傳統科技館的參觀，利用AR技術將在學校中所學到的科學知識與之相聯系，以此增強學生對試驗、模型等事物的理解，既節省了時間又提高了教學的效率。借助便攜的終端硬件設備，為學生帶來難以比擬的真實感與現場感，使無處不在的合作式和情境式學習得到加強。

（四）提升學生實驗技能習得效果

專為實驗教學需求而開發的虛擬實驗室，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象。在實驗教學時，創造性地應用高水平軟件自帶的共享虛擬實驗儀器、共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學資源，不僅豐富了教學內容，拓展了實踐領域，還能提高教學質量，降低成本和風險。例如使用仿真化學實驗室，簡化了溶液的配置、實驗儀器的準備以及實驗裝置的搭建過程，節約真實實驗環境中許多簡單重復操作所浪費的時間，使一些比較枯燥的實驗變得有趣便于掌握;同時，滿足了學生在不同時間、不同場合中進行多次模擬訓練的需求。對于那些課堂上無法演示的實驗，不具備條件或難以完成的實驗，如反應過程激烈、難以看清現象的實驗，在虛擬環境中可以通過調節速度、增強顏色變化、過濾無效干擾信息等，讓學生節省實驗時間，集中精力研究實驗現象本身的特性與規律，又能提高學生學習興趣和課堂的教學效果?；谔摂M仿真實驗教學，遵循虛實結合、能實不虛的原則，相互補充可達到良好的教學效果。

（五）提高工程與技術領域的設計水平

依據《小學科學課程標準》要求，小學生到中年級的時候，能夠舉例說出一項工程所運用的科學技術和原理，應該知道工程設計的基本步驟，包括明確問題、確定方案、設計制作、改進完善基本的步驟。在教學《做框架》《建高塔》《橋的形狀和結構》等內容時，采用計算機模擬仿真軟件更能凸顯其優越性。例如，運用虛擬現實技術進行三維模型的設計，構建一個與實物同樣的三維物體，展現作品的立體面貌，使學生能夠全方位地構思產品的外形、結構，從各個方面了解自己的設計。借助模型試驗，可以進行足尺寸的試驗，測定其受力性能，還可以很方便地修改參數，測試結構在各種荷載作用下的反應，從而提高設計效率，提高作品質量。

信息技術與課程整合應用，正在促進我國的課程改革，轉變學生的學習方式。引入虛擬現實技術可以改變課程內容承載的介質，改變呈現形態，彌補傳統媒體教學的一些缺陷;它能給學生提供一個全新的學習情境，使課程內容變得更加豐富多彩。我們應該及時轉變教學觀念，積極探索虛擬技術在科學教育中的應用，提高教學質量，實現理想化教學。

【名師簡介：高翔，小學科學特級教師，高級教師，集美大學教師教育學院小學科學教育客座教授。福建省學科教學帶頭人，教育部小學科學名師工作室核心成員。出版專著《信息技術視角：小學科學教學前沿探索》《社會主義核心價值觀教育叢書—小學科學學科教育》?！?/p>