基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)實(shí)踐研究

馮茹 李芮溪

中國海洋大學(xué)（山東省青島市 266100）

1 引言

隨著國家對(duì)中小學(xué)信息化建設(shè)的不斷推進(jìn)，近幾年的學(xué)校課堂里教師一般都會(huì)通過放映PPT 來進(jìn)行教學(xué)，而且大部分教室中都安裝有多媒體教學(xué)裝置，用以完成課堂教學(xué)任務(wù)，然而幻燈片無法達(dá)到三維立體圖的展示效果，許多知識(shí)點(diǎn)都是以形式化的方法進(jìn)行傳遞，課件和學(xué)習(xí)者都是分割的，兩者之間無法形成直接互動(dòng)，無法引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，影響到課堂教學(xué)效果[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件可以通過創(chuàng)建一個(gè)逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使教師、學(xué)習(xí)者和參與者投入到逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境中，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，改善教學(xué)效果[2]。VR 應(yīng)用在近幾年越來越受到國家的重視。為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記有關(guān)加強(qiáng)思想實(shí)踐教育工作的重要指示精神，同時(shí)也貫徹執(zhí)行全國高等學(xué)校思想政治工作會(huì)議精神，教育部按照《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要點(diǎn)》等有關(guān)規(guī)定，決定基于學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目信息化發(fā)展規(guī)劃，于2017-2020 年在全國普通本科院校實(shí)施國家示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作。VR技術(shù)在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》中被列為未來最有潛力的科技之一[3]。在《2017 新媒體聯(lián)盟中國高等教育技術(shù)展望：地平線項(xiàng)目區(qū)域報(bào)告》報(bào)告中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也被列為重要的教育技術(shù)，報(bào)告中指出，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有高沉浸性、交互性的特征，這些特征非常有助于促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)的發(fā)生[4]。在教學(xué)應(yīng)用方面，國外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的具體應(yīng)用非常廣泛，如愛爾蘭皇家外科醫(yī)學(xué)院：在道路交通事故后體驗(yàn)并模擬醫(yī)生救助情景，為“患者”提供正確的幫助[5]。Neal E.Seymour 指出虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)系統(tǒng)帶來了新的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，在醫(yī)學(xué)中使用虛擬現(xiàn)實(shí)來訓(xùn)練外科醫(yī)生已經(jīng)得到了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持[6]。Jang 等學(xué)者利用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備Dextroscope 設(shè)計(jì)了操作性的3D解剖課程，模擬操作人體解剖過程，增強(qiáng)人體結(jié)構(gòu)理解[7]。Potkonjak 等學(xué)者綜述了虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室在物理電磁學(xué)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)和機(jī)器人技術(shù)等課程中的應(yīng)用情況[8]。我國的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步較晚，在20 世紀(jì)70 年代才有相關(guān)研究產(chǎn)生，我國VR 在教育領(lǐng)域的初探可以追溯到天津大學(xué)基于VRML 國際標(biāo)準(zhǔn)，最早開發(fā)了虛擬校園，可以代表我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用教育的開啟了新篇章[9]。

隨著十八大建設(shè)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出，加強(qiáng)海洋科普教育、提高國民海洋意識(shí)勢(shì)在必行。海洋科普教育在各個(gè)層級(jí)的政策文本中均有體現(xiàn)[10]，《國家海洋事業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》同樣提及“把普及海洋知識(shí)納入國民教育體系，在中小學(xué)開展海洋基礎(chǔ)知識(shí)教育”。因此，海洋科普在中小學(xué)教育中也尤為重要。然而，我國內(nèi)陸地區(qū)的科普教育一般以組織觀看海洋知識(shí)宣傳片、閱讀海洋書籍與文獻(xiàn)、參觀海洋生物、礦物標(biāo)本以及海洋裝備模型等學(xué)習(xí)活動(dòng)為主[11]，然而，這種灌輸式的科普難以調(diào)動(dòng)公眾的情緒，互動(dòng)性和啟發(fā)性較差，活動(dòng)效果不理想，無法滿足國家戰(zhàn)略計(jì)劃推進(jìn)的客觀要求，科普教育推行方式也應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要作出靈活調(diào)整[12，13]。將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用到中小學(xué)的海洋科普教育中，可以發(fā)揮其高沉浸性、交互性的特征，有助于促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，是一種新型且有效的思路和方法。

青島被譽(yù)為“帆船之都”，作為海洋科普教學(xué)實(shí)踐研究基地有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。青島市地方海洋課程《藍(lán)色的家園：海洋教育篇》是青島市推出的海洋教育系列教材，具有重要海洋科普意義。為了驗(yàn)證基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)的可行性和有效性，強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)中小學(xué)海洋基礎(chǔ)知識(shí)普及，本文選擇青島地方海洋課程五年級(jí)下冊(cè)《藍(lán)色的家園》中的帆船知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行案例設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，最終得出實(shí)施結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)部分

（1）實(shí)驗(yàn)對(duì)象。本研究選取青島市一所優(yōu)秀小學(xué)五年級(jí)2 班和3 班兩個(gè)班級(jí)的學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究設(shè)計(jì)2 班為對(duì)照班，使用傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，3 班為實(shí)驗(yàn)班，采取基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)方式開展教學(xué)。（2）取樣方法。為了保證實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的初始能力水平相差不大，在開展實(shí)驗(yàn)之前，利用測(cè)試題測(cè)試兩個(gè)班級(jí)的帆船知識(shí)水平，并用問卷調(diào)查學(xué)生對(duì)于帆

船學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)效果等情況進(jìn)行考察。以前測(cè)結(jié)果為依據(jù)，選取初始水平相當(dāng)并且教學(xué)進(jìn)度相同的兩個(gè)班級(jí)。（3）實(shí)驗(yàn)變量。本研究的自變量為教學(xué)方式，對(duì)照班級(jí)采取傳統(tǒng)的教學(xué)方式，實(shí)驗(yàn)班級(jí)采取基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)方式。本研究的因變量為學(xué)生學(xué)習(xí)成效，主要從學(xué)生作品、學(xué)習(xí)成績來分析。（4）實(shí)驗(yàn)處理。為排除無關(guān)變量對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的授課教師、教學(xué)時(shí)間、授課環(huán)境等方面都進(jìn)行了具體安排。首先，授課教師均為同一老師，傳統(tǒng)授課方式僅在最終提交作品的環(huán)節(jié)以小組為單位制作提交，上課過程均采取教師講授、學(xué)生聽課的形式，兩個(gè)班級(jí)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)時(shí)長一致，教學(xué)時(shí)間分別為每周二上午第四節(jié)和周五上午第四節(jié)；其次，除了對(duì)照班教室擁有20臺(tái)VR 眼鏡設(shè)備作為輔助資源，其他授課環(huán)境一致。（5）實(shí)驗(yàn)方法。本研究采用的實(shí)驗(yàn)方法有：準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究法，對(duì)照班使用傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，實(shí)驗(yàn)班采取基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)方式開展教學(xué)，最后通過對(duì)主題作品評(píng)價(jià)、成績測(cè)試的數(shù)據(jù)分析來對(duì)比對(duì)照班和實(shí)驗(yàn)班之間的帆船教學(xué)成效。（6）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本研究選用五年級(jí)青島地方海洋課程教材《藍(lán)色的家園：海洋教育篇》中的內(nèi)容。其中上冊(cè)課本共有八個(gè)章節(jié)，第一章《我愛帆船運(yùn)動(dòng)》，第二章《帆船之都》，在對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)設(shè)計(jì)的原則，以及學(xué)生對(duì)知識(shí)技能的需求，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新組織和架構(gòu)，確定《帆船之都》、《帆船結(jié)構(gòu)》、《帆船駕駛》內(nèi)容設(shè)計(jì)海洋科普教學(xué)。

3 結(jié)果與討論

本課題內(nèi)容選自青島地方海洋課程《藍(lán)色的家園：海洋教育篇》第一章，內(nèi)容實(shí)踐性較強(qiáng)，主要圍繞如何駕駛帆船展開教學(xué)。本案例主題的知識(shí)內(nèi)容聚焦于應(yīng)用VR 技術(shù)模擬帆船駕駛，通過VR 技術(shù)操作的相關(guān)知識(shí)技能點(diǎn)的學(xué)習(xí)，體驗(yàn)真實(shí)的帆船駕駛。根據(jù)帆船駕駛的流程，將學(xué)會(huì)駕駛帆船中所涉及的知識(shí)技能點(diǎn)進(jìn)行組織連結(jié)，因此將教材中《我愛帆船運(yùn)動(dòng)》章節(jié)中相關(guān)知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行組合，補(bǔ)充必要的知識(shí)點(diǎn)，重新架構(gòu)學(xué)習(xí)內(nèi)容?！短摂M帆船運(yùn)動(dòng)》是一款通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破空間限制的VR 帆船體驗(yàn)軟件。本課題通過VR 輔助資源的支持下讓體驗(yàn)者乘坐游輪，沿途欣賞青島奧帆中心、情人壩、燈塔等青島地標(biāo)美景；通過三維建模技術(shù)，重建帆船真實(shí)結(jié)構(gòu)，打破時(shí)空限制，讓內(nèi)陸地區(qū)的學(xué)生也有條件進(jìn)一步了解帆船結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行帆船模擬駕駛，懂得通過哪幾部分結(jié)構(gòu)啟動(dòng)帆船，駕駛帆船體驗(yàn)帆船的加速、轉(zhuǎn)向等體感。虛擬現(xiàn)實(shí)與帆船駕駛相結(jié)合，以不同的方式感受帆船駕駛的樂趣。此外，本研究的案例實(shí)施者為五年級(jí)小學(xué)生。大部分學(xué)生在之前的日常生活中接觸過帆船運(yùn)動(dòng)，對(duì)這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)有一定的概念，也產(chǎn)生了相應(yīng)的學(xué)習(xí)興趣。此外，小學(xué)生思維活躍，善于動(dòng)手，對(duì)于實(shí)踐類課程具有較高的學(xué)習(xí)積極性，但由于帆船駕駛訓(xùn)練成本高，無法滿足學(xué)生的需求，因此設(shè)置合適的虛擬現(xiàn)實(shí)主題情境能夠充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性和探究意識(shí)。主要采用自主探究和小組合作相結(jié)合的教學(xué)方式開展學(xué)習(xí)活動(dòng)。首先學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行VR 帆船資源的自主探究學(xué)習(xí)，在建立自己的思考和認(rèn)知體系后，再分組分工進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，通過合作完成主題作品。教師組織學(xué)生開展探究活動(dòng)，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，參與主動(dòng)學(xué)習(xí)，教師為學(xué)生答疑解惑，通過教師的有意義的指導(dǎo)，學(xué)生在探究合作、評(píng)價(jià)優(yōu)化活動(dòng)中達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班學(xué)生在實(shí)施結(jié)束后，每個(gè)小組都將提交一份完整的學(xué)習(xí)作品。根據(jù)成果作品的評(píng)價(jià)量表可以對(duì)學(xué)生提交的任務(wù)成果進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。參考龔圓圓在其研究中設(shè)計(jì)的作品評(píng)價(jià)量表，筆者提出的具體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示，為方便進(jìn)行教學(xué)量化評(píng)價(jià)，將評(píng)分結(jié)果進(jìn)行劃分，85 分以上為優(yōu)秀，65-84 分為良好，65 分以下為差。

表1 主題作品評(píng)價(jià)量表

為驗(yàn)證評(píng)價(jià)量表的信度，在正式評(píng)分前，邀請(qǐng)帆船教師對(duì)隨機(jī)抽取的三份作品進(jìn)行打分，結(jié)果一致性較高，因此采用該評(píng)價(jià)量表進(jìn)行作品評(píng)分。

作品的評(píng)價(jià)量表包括作品的內(nèi)容設(shè)計(jì)、作品的完整性、指導(dǎo)性、匯報(bào)和交流四個(gè)方面，首先對(duì)每一項(xiàng)的總分進(jìn)行合計(jì)，然后再算出每個(gè)方面的平均分，以此來分析學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，最終算得的平均分統(tǒng)計(jì)如表2。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生作品在這四個(gè)方面的得分都高于對(duì)照班，總分統(tǒng)計(jì)也明顯優(yōu)于對(duì)照班，說明其主題作品的質(zhì)量實(shí)驗(yàn)班要優(yōu)于對(duì)照班，表明基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)有利于激發(fā)學(xué)生興趣，發(fā)揮學(xué)生的探究學(xué)習(xí)動(dòng)力，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性發(fā)展。

表2 教學(xué)實(shí)踐中作品得分統(tǒng)計(jì)表

具體分析來看，在內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，對(duì)照班學(xué)生設(shè)計(jì)的內(nèi)容都比較粗糙，無法體現(xiàn)出帆船知識(shí)體系的重難點(diǎn)，而且內(nèi)容準(zhǔn)確性低，有很多無關(guān)步驟，許多關(guān)鍵的步驟都沒有體現(xiàn)出來，與實(shí)際生活情況并不一致，只是簡單的知識(shí)點(diǎn)羅列；反觀實(shí)驗(yàn)班學(xué)生提交的作品，重難點(diǎn)一目了然，知識(shí)體系完整，內(nèi)容豐富，主題重難點(diǎn)突出，內(nèi)容明確。

在完整性方面，對(duì)照班學(xué)生作品知識(shí)點(diǎn)殘缺，而且對(duì)一些技能性質(zhì)的要點(diǎn)理解都很淺顯，基本都是簡單的知識(shí)點(diǎn)文字堆砌；實(shí)驗(yàn)班部分學(xué)生在對(duì)知識(shí)內(nèi)容的加工中使用了圖解等方法，文字的講解更加生動(dòng)，并寫出了駕駛帆船的直觀感受，帆船各部分結(jié)構(gòu)的功能也更理解，相比于對(duì)照班，作品在完整及實(shí)用上有明顯優(yōu)勢(shì)。

在指導(dǎo)性方面，對(duì)照班的學(xué)生作品較為粗略，只是簡單的知識(shí)點(diǎn)羅列，不具有指導(dǎo)性；實(shí)驗(yàn)班學(xué)生提交的作品對(duì)于帆船相關(guān)知識(shí)的處理更詳細(xì)具體，知識(shí)點(diǎn)的融合更加協(xié)調(diào)，步驟流暢，描述更貼近實(shí)際操作情況，更具有實(shí)際帆船技能學(xué)習(xí)的指導(dǎo)性。

在交流和評(píng)價(jià)階段，對(duì)照班之間僅僅在制作作品的環(huán)節(jié)進(jìn)行了合作，由于分工都不是很明確，所以合作環(huán)節(jié)比較混亂，在交流評(píng)價(jià)時(shí)也不能準(zhǔn)確表述他們合作產(chǎn)出的作品，而且作品的內(nèi)容不連貫，無法流暢進(jìn)行表達(dá)，實(shí)驗(yàn)班在海洋科普教學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助資源的支持下，對(duì)于知識(shí)內(nèi)容理解更加通透，合作探究活動(dòng)也更充實(shí)，分工也更明確，對(duì)于作品的評(píng)價(jià)交流邏輯清晰。

為了保證實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的初始能力水平相差不大，在開展實(shí)驗(yàn)之前，利用測(cè)試題測(cè)試兩個(gè)班級(jí)的帆船知識(shí)水平，研究設(shè)計(jì)2 班為對(duì)照班共20 人，使用傳統(tǒng)的教師講授、學(xué)生聽課方式進(jìn)行教學(xué)，3 班為實(shí)驗(yàn)班共20 人，采取基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)方式開展教學(xué)。兩個(gè)班級(jí)共40 名學(xué)生進(jìn)行帆船知識(shí)測(cè)試，測(cè)試題包括帆船之都、帆船結(jié)構(gòu)、帆船駕駛相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)前采用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)分析兩個(gè)班對(duì)于成績是否有顯著性差異，根據(jù)表3 可知，兩個(gè)班級(jí)對(duì)于成績均無顯著性差異（p＞0.05），說明兩個(gè)班級(jí)對(duì)于成績表現(xiàn)一致，符合研究要求，可以進(jìn)行試驗(yàn)?？偨Y(jié)可知：實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班對(duì)于成績沒有表現(xiàn)出顯著性差異。以前測(cè)結(jié)果為依據(jù)，可以判斷兩個(gè)班級(jí)帆船知識(shí)水平接近，適合進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

表3 前測(cè)成績分析t 檢驗(yàn)分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)后采用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)分析兩個(gè)班對(duì)于成績是否有顯著性差異，根據(jù)表4 可知：兩個(gè)班對(duì)于成績呈現(xiàn)出顯著性差異（p＜0.05）。具體對(duì)比差異可知，實(shí)驗(yàn)班的平均值（23.15），會(huì)明顯高于對(duì)照班的平均值（20.80）。總結(jié)可知：實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班對(duì)于成績呈現(xiàn)出顯著性差異，實(shí)驗(yàn)班的成績優(yōu)于對(duì)照班。

表4 后測(cè)成績分析t 檢驗(yàn)分析結(jié)果

4 總結(jié)

通過本次教學(xué)實(shí)施，在對(duì)照班級(jí)實(shí)施傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)班級(jí)實(shí)施基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科普教學(xué)活動(dòng)，對(duì)最終的教學(xué)效果進(jìn)行一個(gè)分析，由實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的兩個(gè)班級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效后測(cè)數(shù)據(jù)比較可以得到，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)活動(dòng)相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)，其更有利于提高帆船課堂的教學(xué)成效。原因在于：基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的海洋科普教學(xué)活動(dòng)靈活運(yùn)用教學(xué)方式，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下將學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)和小組合作學(xué)習(xí)相結(jié)合，提供豐富的學(xué)習(xí)輔助資源和多元化評(píng)價(jià)方式，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)思維火花；而傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)缺乏真正意義上的合作學(xué)習(xí)，教師依舊是課堂中的主導(dǎo)者，學(xué)生們作為傾聽者，評(píng)價(jià)方式單一，有意義學(xué)習(xí)難以發(fā)生。