運(yùn)用VR技術(shù)建構(gòu)小學(xué)數(shù)學(xué)課程新模式

仇大成 楊 蘭

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的普及，互聯(lián)網(wǎng)虛擬技術(shù)在不同領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）由于其運(yùn)行高效便捷、互動(dòng)融合、信息分享直觀方便等特點(diǎn)，在中小學(xué)得到廣泛應(yīng)用?；赩R技術(shù)的小學(xué)數(shù)學(xué)課堂能夠創(chuàng)建互動(dòng)氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以其特有的虛擬空間幫助構(gòu)建數(shù)學(xué)與現(xiàn)實(shí)世界的橋梁，進(jìn)而融合更多的人工智能教育技術(shù)參與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)，提升師生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

一、感知VR技術(shù)，體驗(yàn)虛擬互動(dòng)學(xué)習(xí)

VR綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)等多種科學(xué)技術(shù)，著重通過計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境給人以環(huán)境沉浸感，具有與環(huán)境完美交互作用的能力，并有助于啟發(fā)構(gòu)思?！俺两换ァ獦?gòu)想”是VR環(huán)境系統(tǒng)的三個(gè)基本特性。區(qū)別于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)演示型課件播放文本、圖片、音頻與視頻的模式，當(dāng)前小學(xué)數(shù)學(xué)課堂中應(yīng)用的VR技術(shù)能引導(dǎo)學(xué)生適度想象，通過計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬場景與體驗(yàn)效果，可以把現(xiàn)實(shí)場景重現(xiàn)，例如“確定位置”一課創(chuàng)設(shè)棋盤格子的虛擬場景等；可以為學(xué)生提供豐富的想象空間，例如“體積”單元設(shè)計(jì)外星球整理物品的3D游戲等；能便于學(xué)生互動(dòng)操作，在呈現(xiàn)的模擬場景中，學(xué)生與虛擬對象便捷互動(dòng)，例如“重量”單元通過不同感知設(shè)備（如頭戴顯示器、數(shù)據(jù)手套、位置追蹤器等）給予學(xué)生適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)反應(yīng)，增加或減少重量都能產(chǎn)生模擬真實(shí)的感覺；能實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)深度融合，通過各種輸入設(shè)備，為學(xué)生提供包括視覺、聽覺、觸覺、身體移動(dòng)等感官知覺，例如“時(shí)間”單元比較抽象，設(shè)計(jì)虛擬空間，學(xué)生“步入”其中，引發(fā)其融入感及參與感，進(jìn)而領(lǐng)會“時(shí)、分、秒”的概念并加深理解。

二、發(fā)揮VR優(yōu)勢，優(yōu)化數(shù)學(xué)課程資源

基于VR技術(shù)的小學(xué)數(shù)學(xué)課堂，教師以生活中的數(shù)學(xué)知識為載體，應(yīng)用“Zspace或慧玩教具”等VR平臺或?qū)W具，設(shè)計(jì)沉浸式學(xué)習(xí)活動(dòng)或游戲，發(fā)揮VR技術(shù)的互動(dòng)優(yōu)勢。

創(chuàng)設(shè)游戲化情境，激發(fā)求知欲望。以“行程問題”單元學(xué)習(xí)為例，將數(shù)學(xué)知識和解決問題的方法策略融入挑戰(zhàn)性、游戲化故事，避免枯燥乏味的數(shù)學(xué)知識講解和練習(xí)，通過VR技術(shù)整合了無形的“情”和有形的“境”，學(xué)生由情入境，產(chǎn)生樂學(xué)與愿學(xué)的欲望，根據(jù)由易到難設(shè)計(jì)新穎的“行程問題”游戲關(guān)卡，學(xué)生能將所學(xué)知識應(yīng)用真實(shí)情境中，解決學(xué)習(xí)中遇到的問題。

開展沉浸式學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效能。沉浸式教學(xué)關(guān)心學(xué)生的生理和心理體驗(yàn)，讓數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)變成一種快樂的事情。Zspace一方面通過VR技術(shù)以360°環(huán)繞對象方式錄制學(xué)習(xí)視頻，將平面的內(nèi)容用實(shí)體、實(shí)際的景像呈現(xiàn)，另一方面可以分工攝影模擬數(shù)學(xué)相關(guān)的教具學(xué)具，讓學(xué)生更近距離的觀察和理解教具學(xué)具，從做中學(xué)，提升學(xué)習(xí)的專注力，在潛移默化中掌握數(shù)學(xué)的知識點(diǎn)，提升能力點(diǎn)。

展開主題式設(shè)計(jì)，充實(shí)操作內(nèi)容。小學(xué)數(shù)學(xué)空間、幾何等部分教材內(nèi)容相對抽象，基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)沉浸式主題活動(dòng)，例如“圓的世界”“體積與容積”等整合制作課程資源，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。如今常用的桌面3D顯示器，不用3D眼鏡就可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)三維顯示，學(xué)生還可以在VR未來教室增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR）的環(huán)境中進(jìn)行交互操作，引導(dǎo)學(xué)生通過團(tuán)隊(duì)合作，共同提高實(shí)踐操作能力。

有機(jī)串聯(lián)知識點(diǎn)，形成整體認(rèn)知。就小學(xué)數(shù)學(xué)課程而言，系統(tǒng)性不僅體現(xiàn)在知識點(diǎn)難易和呈現(xiàn)順序上，而且也表現(xiàn)在知識點(diǎn)的串聯(lián)方面。“慧玩教具”等同類VR學(xué)具根據(jù)統(tǒng)編版小學(xué)數(shù)學(xué)教材而設(shè)計(jì)，涵蓋13個(gè)知識模塊，129個(gè)以上的教學(xué)知識點(diǎn)?；赩R的虛擬體驗(yàn)和探索式的自主學(xué)習(xí)幫助學(xué)生將各知識點(diǎn)串聯(lián)起來，形成整體的認(rèn)知能力和綜合應(yīng)用能力。

三、應(yīng)用VR技術(shù)，開展數(shù)學(xué)互動(dòng)學(xué)習(xí)

在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)過程中恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用互動(dòng)學(xué)習(xí)，可以提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力和動(dòng)手操作的能力。新課標(biāo)很重視學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂于探究、勤于動(dòng)手，培養(yǎng)學(xué)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(xué)數(shù)學(xué)互動(dòng)學(xué)習(xí)中嘗試云平臺、項(xiàng)目式、雙層次檢測等VR技術(shù)的應(yīng)用。

選用VR學(xué)習(xí)云平臺?？拼笥嶏wVR學(xué)習(xí)平臺，集“教、學(xué)、做”為一體，兼顧與中小學(xué)課程相融合、與新型教學(xué)模式相融合。其中小學(xué)數(shù)學(xué)各知識模塊、知識點(diǎn)能力點(diǎn)的主題教學(xué)、思維鍛煉，教師可選擇直接取用。學(xué)生一方面線上遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，突破地域限制，另一方面多人同時(shí)協(xié)作，互動(dòng)交流便捷。以“分?jǐn)?shù)乘法”為例，依托訊飛VR視頻系統(tǒng)讓教師有更充分的時(shí)間進(jìn)行指導(dǎo)，還能以實(shí)時(shí)記錄小組討論作答的過程與步驟，更精確與快速地發(fā)掘出學(xué)生運(yùn)算的步驟在哪里出了問題，或是同樣的問題還發(fā)生在哪些同學(xué)身上。針對多數(shù)學(xué)生都有疑問的部分逐一提出，讓全班進(jìn)行討論，而過程中教師再給予回饋與講解，讓學(xué)生在后設(shè)認(rèn)知的學(xué)習(xí)技巧中，學(xué)得更完善、扎實(shí)。

開發(fā)VR悅?cè)W(xué)習(xí)空間。運(yùn)用Zspace平臺可自行開發(fā)VR互動(dòng)課程資源，結(jié)合信息化手段開展悅?cè)W(xué)習(xí)，學(xué)生在游戲中學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)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(xué)生一個(gè)個(gè)趣味盎然的虛擬學(xué)習(xí)空間，學(xué)生可以拿起任意一個(gè)物體翻轉(zhuǎn)，并可近距離擺放該物體是由幾個(gè)正方體所組成。根據(jù)單元知識點(diǎn)設(shè)計(jì)多個(gè)項(xiàng)目任務(wù)，根據(jù)具體的任務(wù)要求拼湊指定的立體圖形。操作力求簡化步驟，便于互動(dòng)。當(dāng)學(xué)生完成該項(xiàng)任務(wù)，立即反饋給予獎(jiǎng)勵(lì)。

制作VR交互式影片。小學(xué)數(shù)學(xué)高年級的學(xué)習(xí)內(nèi)容，除了涵蓋基本概念與運(yùn)算技巧的問題外，還有相當(dāng)?shù)谋壤菍儆诟邔哟嗡伎肌⑼评砘驓w納的高認(rèn)知問題，以符合課程標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)高層次思考能力的培養(yǎng)。實(shí)際教學(xué)中，可以運(yùn)用Zspace將高認(rèn)知問題制作3D影片，抽象的思考過程通過3D投影機(jī)具體呈現(xiàn)出來，讓全班學(xué)生可以同時(shí)佩戴3D眼鏡觀看并互動(dòng)交流。有條件的學(xué)校還可以通過社團(tuán)活動(dòng)，選用AnimVR等工具組織學(xué)生制作數(shù)學(xué)VR交互影片，讓學(xué)生在體驗(yàn)制作的過程中互動(dòng)學(xué)習(xí)，感受數(shù)學(xué)的魅力。

嘗試VR雙層次測驗(yàn)。雙層次測驗(yàn)，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(xué)生較基本的知識，第二層是第一層問題的延伸，為探討學(xué)生在第一層所選擇的答案原因。依托訊飛VR學(xué)習(xí)平臺自主設(shè)計(jì)小學(xué)數(shù)學(xué)VR雙層次測驗(yàn)程序，包含虛擬現(xiàn)實(shí)小學(xué)數(shù)學(xué)教材編輯模塊、雙層次測驗(yàn)學(xué)習(xí)模塊及數(shù)據(jù)庫模塊。當(dāng)學(xué)生登入該程序后，會呈現(xiàn)VR學(xué)習(xí)引導(dǎo)及雙層次測驗(yàn)題目。學(xué)生在進(jìn)行雙層次測驗(yàn)時(shí)，每一題目皆有兩個(gè)層次以選擇題形式呈現(xiàn)。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)雙層次測驗(yàn)學(xué)習(xí)程序，更深入了解學(xué)生對于概念理解的程度，精準(zhǔn)分析學(xué)情，重視差異化教學(xué)和個(gè)別化指導(dǎo)。

四、融合人工智能，培育數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)

虛擬現(xiàn)實(shí)是多種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和多學(xué)科知識的匯聚與融合，更好地服務(wù)于學(xué)生綜合素養(yǎng)的提升。

強(qiáng)化數(shù)學(xué)文化熏陶。數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)框架體系的第二層是數(shù)學(xué)思想層。通過VR交互式影片還原歷史上數(shù)學(xué)規(guī)律、方法發(fā)現(xiàn)推理的過程，以及中國博大精深的歷史文化，將數(shù)學(xué)文化融入互動(dòng)學(xué)習(xí)活動(dòng)中，不僅讓數(shù)學(xué)思想方法學(xué)習(xí)有生長點(diǎn)，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)以及正確的是非觀，同時(shí)提供思想支持和方向指引。

培養(yǎng)數(shù)學(xué)應(yīng)用意識?；赩R技術(shù)的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)情境為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供大量的現(xiàn)實(shí)表象，帶動(dòng)學(xué)生多感官參與活動(dòng)，幫助學(xué)生將虛擬、現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行融合，切合學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，解釋生活中的數(shù)學(xué)現(xiàn)象，解決生活中的數(shù)學(xué)問題。在虛擬情境互動(dòng)活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)算能力、數(shù)感、抽象等核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的數(shù)學(xué)應(yīng)用意識。

激發(fā)數(shù)學(xué)發(fā)散思維?；赩R技術(shù)的游戲化學(xué)習(xí)任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生盡快聯(lián)想，盡多作出假設(shè)和提出多種解決問題方案。對于學(xué)生欲尋不同解法而不得時(shí)，可通過虛擬空間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，教師細(xì)心點(diǎn)撥，潛心引導(dǎo)，幫助他們獲得成功，使學(xué)生漸漸生成自覺的求異意識，并日漸發(fā)展為穩(wěn)定的心理傾向，進(jìn)一步提升發(fā)散思維的流暢性、變通性和精細(xì)性。拓展發(fā)散性思維，迸發(fā)出更加豐富的創(chuàng)新火花。

提升數(shù)學(xué)抽象素養(yǎng)。借助于物聯(lián)網(wǎng)、AR、MR等技術(shù)，對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中所提出的各種假設(shè)抽象模型進(jìn)行虛擬，直接地觀察到情境抽象或理論抽象所還原的結(jié)果或效果，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的旋轉(zhuǎn)、組合、展開、翻轉(zhuǎn)等空間想象能力，結(jié)合教學(xué)實(shí)際，采取不同的策略讓學(xué)生更好地認(rèn)識具象和抽象之間的聯(lián)系。