虛擬和增強現(xiàn)實技術在科學課教學中的運用

近年來無論是在產業(yè)領域，還是在教育領域，抑或是研究領域，虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實成為當之無愧的熱點。各個行業(yè)都在積極探索如何利用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)自身的實質性轉變。因此，以虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)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(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)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(huán)境或事物達到真實體驗的技術。增強現(xiàn)實（Augmented Realit，簡稱AR）是一個比較寬泛的概念，不同行業(yè)從業(yè)人員對其有不同的定義。簡言之，增強現(xiàn)實技術給現(xiàn)實世界增加了一層虛擬信息，使之成為虛擬現(xiàn)實技術的延伸，它可以用來模擬對象，讓學習者在現(xiàn)實環(huán)境背景中看到虛擬生成的模型對象，有時稱為“混合現(xiàn)實”。

虛擬現(xiàn)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(chuàng)造模式，關注虛擬場景是否有良好的體驗和交互。增強現(xiàn)實技術更關注復原人類視覺的功能，不隔離周圍的現(xiàn)實環(huán)境，注重虛擬場景與現(xiàn)實場景的相互“融合”。在教育實踐中，虛擬現(xiàn)實技術構建合理、夸張或虛幻的 VR 環(huán)境，為學生帶來想象性、交互性、沉浸性的學習體驗;而增強現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)工程等技術的高速發(fā)展，虛擬現(xiàn)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(huán)境，虛擬場景模型分布式VR系統(tǒng)的開發(fā)正朝著深度和廣度發(fā)展。從對國內VR/AR教育行業(yè)的概覽可以看到，近年來增強現(xiàn)實技術在教育方面的應用越來越多地得以實現(xiàn)。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(tǒng)，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(lián)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(fā)兒童VR教育產品，推出了多學科VR課件產品。例如廈門創(chuàng)壹軟件推出“100唯爾教育網”，是全國最大的虛擬現(xiàn)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(xiàn)實技術。其他方面：高校成立VR的各類虛擬增強現(xiàn)實實驗室;早教積極探索應用方面的研究和開發(fā);VR/AR教育行業(yè)網站越來越多，人才培訓、實訓教育課程體系均有發(fā)展。目前虛擬和增強現(xiàn)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(xiàn)出使用虛擬現(xiàn)實技術教學的趨勢。

三、虛擬和增強現(xiàn)實技術在小學科學教學中的運用

虛擬和增強現(xiàn)實技術具有交互性、沉浸性、多感知性和可操作性等優(yōu)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(chuàng)造性，讓學生在安全和可控的環(huán)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?？茖W教育工作者如果能夠充分發(fā)揮技術支持，將為教學帶來以下優(yōu)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(xié)作、交流，利用必要的信息，主動地建構知識。虛擬現(xiàn)實技術是創(chuàng)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(xiàn)實系統(tǒng)，并成為系統(tǒng)的一部分，在虛擬場景的三維環(huán)境里進行人、物、景的多重交互，體驗到與現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(tài)，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(xiàn)出來，學生能通過不同的視角觀察，從而增強對現(xiàn)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(xiàn)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)角色的立體圖像，實現(xiàn)“立體動起來”的效果，這能給學生創(chuàng)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(tài)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(tài)的圖文“活”起來。例如借助“AR人體醫(yī)學系統(tǒng)”，人體的構造就會直觀地展現(xiàn)到學生面前，學生可以按照自己的步調探究大腦、消化系統(tǒng)、神經系統(tǒng)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(xiàn)實空間和虛擬3D模型等教學情境下，就會明顯優(yōu)于傳統(tǒng)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(tǒng)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(tài)度，為學生創(chuàng)設良好舒適的學習環(huán)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(xiàn)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(tǒng)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(lián)系，以此增強學生對試驗、模型等事物的理解，既節(jié)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(xiàn)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(fā)的虛擬實驗室，依托虛擬現(xiàn)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(huán)境和實驗對象。在實驗教學時，創(chuàng)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(jié)約真實實驗環(huán)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(xiàn)象的實驗，在虛擬環(huán)境中可以通過調節(jié)速度、增強顏色變化、過濾無效干擾信息等，讓學生節(jié)省實驗時間，集中精力研究實驗現(xiàn)象本身的特性與規(guī)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(yōu)越性。例如，運用虛擬現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)實技術可以改變課程內容承載的介質，改變呈現(xiàn)形態(tài)，彌補傳統(tǒng)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(xiàn)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>