運用VR技術建構小學數學課程新模式

仇大成 楊 蘭

隨著物聯網、大數據、云計算的普及，互聯網虛擬技術在不同領域應用廣泛。虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）由于其運行高效便捷、互動融合、信息分享直觀方便等特點，在中小學得到廣泛應用。基于VR技術的小學數學課堂能夠創建互動氛圍，激發學生的學習興趣，以其特有的虛擬空間幫助構建數學與現實世界的橋梁，進而融合更多的人工智能教育技術參與數學學習，提升師生的數學素養。

一、感知VR技術，體驗虛擬互動學習

VR綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感器技術、顯示技術等多種科學技術，著重通過計算機模擬虛擬環境給人以環境沉浸感，具有與環境完美交互作用的能力，并有助于啟發構思。“沉浸—交互—構想”是VR環境系統的三個基本特性。區別于傳統的計算機演示型課件播放文本、圖片、音頻與視頻的模式，當前小學數學課堂中應用的VR技術能引導學生適度想象，通過計算機產生的虛擬場景與體驗效果，可以把現實場景重現，例如“確定位置”一課創設棋盤格子的虛擬場景等；可以為學生提供豐富的想象空間，例如“體積”單元設計外星球整理物品的3D游戲等；能便于學生互動操作，在呈現的模擬場景中，學生與虛擬對象便捷互動，例如“重量”單元通過不同感知設備（如頭戴顯示器、數據手套、位置追蹤器等）給予學生適當的實時反應，增加或減少重量都能產生模擬真實的感覺；能實現學習深度融合，通過各種輸入設備，為學生提供包括視覺、聽覺、觸覺、身體移動等感官知覺，例如“時間”單元比較抽象，設計虛擬空間，學生“步入”其中，引發其融入感及參與感，進而領會“時、分、秒”的概念并加深理解。

二、發揮VR優勢，優化數學課程資源

基于VR技術的小學數學課堂，教師以生活中的數學知識為載體，應用“Zspace或慧玩教具”等VR平臺或學具，設計沉浸式學習活動或游戲，發揮VR技術的互動優勢。

創設游戲化情境，激發求知欲望。以“行程問題”單元學習為例，將數學知識和解決問題的方法策略融入挑戰性、游戲化故事，避免枯燥乏味的數學知識講解和練習，通過VR技術整合了無形的“情”和有形的“境”，學生由情入境，產生樂學與愿學的欲望，根據由易到難設計新穎的“行程問題”游戲關卡，學生能將所學知識應用真實情境中，解決學習中遇到的問題。

開展沉浸式學習，提升學習效能。沉浸式教學關心學生的生理和心理體驗，讓數學學習變成一種快樂的事情。Zspace一方面通過VR技術以360°環繞對象方式錄制學習視頻，將平面的內容用實體、實際的景像呈現，另一方面可以分工攝影模擬數學相關的教具學具，讓學生更近距離的觀察和理解教具學具，從做中學，提升學習的專注力，在潛移默化中掌握數學的知識點，提升能力點。

展開主題式設計，充實操作內容。小學數學空間、幾何等部分教材內容相對抽象，基于VR技術設計沉浸式主題活動，例如“圓的世界”“體積與容積”等整合制作課程資源，學生的學習過程不受時間和地點的限制。如今常用的桌面3D顯示器，不用3D眼鏡就可以實現虛擬現實三維顯示，學生還可以在VR未來教室增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）的環境中進行交互操作，引導學生通過團隊合作，共同提高實踐操作能力。

有機串聯知識點，形成整體認知。就小學數學課程而言，系統性不僅體現在知識點難易和呈現順序上，而且也表現在知識點的串聯方面。“慧玩教具”等同類VR學具根據統編版小學數學教材而設計，涵蓋13個知識模塊，129個以上的教學知識點。基于VR的虛擬體驗和探索式的自主學習幫助學生將各知識點串聯起來，形成整體的認知能力和綜合應用能力。

三、應用VR技術，開展數學互動學習

在小學數學教學過程中恰當地運用互動學習，可以提升學生自主學習的動力和動手操作的能力。新課標很重視學生學習的主體地位，倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手，培養學生搜集處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力。教師在日常小學數學互動學習中嘗試云平臺、項目式、雙層次檢測等VR技術的應用。

選用VR學習云平臺。科大訊飛VR學習平臺，集“教、學、做”為一體，兼顧與中小學課程相融合、與新型教學模式相融合。其中小學數學各知識模塊、知識點能力點的主題教學、思維鍛煉，教師可選擇直接取用。學生一方面線上遠程學習，突破地域限制，另一方面多人同時協作，互動交流便捷。以“分數乘法”為例，依托訊飛VR視頻系統讓教師有更充分的時間進行指導，還能以實時記錄小組討論作答的過程與步驟，更精確與快速地發掘出學生運算的步驟在哪里出了問題，或是同樣的問題還發生在哪些同學身上。針對多數學生都有疑問的部分逐一提出，讓全班進行討論，而過程中教師再給予回饋與講解，讓學生在后設認知的學習技巧中，學得更完善、扎實。

開發VR悅趣學習空間。運用Zspace平臺可自行開發VR互動課程資源，結合信息化手段開展悅趣學習，學生在游戲中學習數學知識。例如五年級“體積”單元，通過3D畫面、音樂以及劇情，帶給學生一個個趣味盎然的虛擬學習空間，學生可以拿起任意一個物體翻轉，并可近距離擺放該物體是由幾個正方體所組成。根據單元知識點設計多個項目任務，根據具體的任務要求拼湊指定的立體圖形。操作力求簡化步驟，便于互動。當學生完成該項任務，立即反饋給予獎勵。

制作VR交互式影片。小學數學高年級的學習內容，除了涵蓋基本概念與運算技巧的問題外，還有相當的比例是屬于高層次思考、推理或歸納的高認知問題，以符合課程標準中強調高層次思考能力的培養。實際教學中，可以運用Zspace將高認知問題制作3D影片，抽象的思考過程通過3D投影機具體呈現出來，讓全班學生可以同時佩戴3D眼鏡觀看并互動交流。有條件的學校還可以通過社團活動，選用AnimVR等工具組織學生制作數學VR交互影片，讓學生在體驗制作的過程中互動學習，感受數學的魅力。

嘗試VR雙層次測驗。雙層次測驗，是一種分成簡單及困難兩種程度的選擇題。第一層的問題主要是評估學生較基本的知識，第二層是第一層問題的延伸，為探討學生在第一層所選擇的答案原因。依托訊飛VR學習平臺自主設計小學數學VR雙層次測驗程序，包含虛擬現實小學數學教材編輯模塊、雙層次測驗學習模塊及數據庫模塊。當學生登入該程序后，會呈現VR學習引導及雙層次測驗題目。學生在進行雙層次測驗時，每一題目皆有兩個層次以選擇題形式呈現。結合虛擬現實雙層次測驗學習程序，更深入了解學生對于概念理解的程度，精準分析學情，重視差異化教學和個別化指導。

四、融合人工智能，培育數學核心素養

虛擬現實是多種先進技術的應用和多學科知識的匯聚與融合，更好地服務于學生綜合素養的提升。

強化數學文化熏陶。數學核心素養框架體系的第二層是數學思想層。通過VR交互式影片還原歷史上數學規律、方法發現推理的過程，以及中國博大精深的歷史文化，將數學文化融入互動學習活動中，不僅讓數學思想方法學習有生長點，而且有助于培養學生的數學核心素養以及正確的是非觀，同時提供思想支持和方向指引。

培養數學應用意識。基于VR技術的數學學習情境為學生的學習提供大量的現實表象，帶動學生多感官參與活動，幫助學生將虛擬、現實世界進行融合，切合學生最近發展區，解釋生活中的數學現象，解決生活中的數學問題。在虛擬情境互動活動中培養學生運算能力、數感、抽象等核心素養，提升學生的數學應用意識。

激發數學發散思維。基于VR技術的游戲化學習任務，鼓勵學生盡快聯想，盡多作出假設和提出多種解決問題方案。對于學生欲尋不同解法而不得時，可通過虛擬空間的實時互動，教師細心點撥，潛心引導，幫助他們獲得成功，使學生漸漸生成自覺的求異意識，并日漸發展為穩定的心理傾向，進一步提升發散思維的流暢性、變通性和精細性。拓展發散性思維，迸發出更加豐富的創新火花。

提升數學抽象素養。借助于物聯網、AR、MR等技術，對數學學習過程中所提出的各種假設抽象模型進行虛擬，直接地觀察到情境抽象或理論抽象所還原的結果或效果，進一步培養學生的旋轉、組合、展開、翻轉等空間想象能力，結合教學實際，采取不同的策略讓學生更好地認識具象和抽象之間的聯系。