小學(xué)科學(xué)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

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（山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西大同 037009）

2023 年5 月26 日教育部等十八部門《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》（教監(jiān)管〔2023〕2 號(hào)，簡(jiǎn)稱《意見》），提出要深化學(xué)校教學(xué)改革，提升科學(xué)教育質(zhì)量。強(qiáng)調(diào)實(shí)施啟發(fā)式、探究式教學(xué)，探索項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生深度思維。探索利用虛擬現(xiàn)實(shí)、AI 等技術(shù)手段改進(jìn)和強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并注重利用先進(jìn)教育技術(shù)彌補(bǔ)薄弱地區(qū)教學(xué)資源不足的狀況[1]。意見明確提出了利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)科學(xué)教育的指導(dǎo)思想，“科學(xué)”作為小學(xué)很重要的科學(xué)教育課程，迫切需要教學(xué)模式和教學(xué)方法層面的改進(jìn)，這也為本研究奠定了充分的政策依據(jù)。

經(jīng)過實(shí)地調(diào)研和文獻(xiàn)查閱發(fā)現(xiàn)，小學(xué)“科學(xué)”課程教學(xué)中存在如下一些問題。首選是師資不足或不完備：很多學(xué)校對(duì)科學(xué)教育認(rèn)識(shí)不夠，“科學(xué)”課程被默認(rèn)為副科，沒有受到應(yīng)有的重視，配備的相關(guān)任課教師數(shù)量不足，且絕大多數(shù)“科學(xué)”課程教師沒有對(duì)應(yīng)的專業(yè)背景，也有部分被所謂的主科教師兼任，長(zhǎng)期被教師與家長(zhǎng)忽視。其次是實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備缺乏：部分學(xué)校特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)校，與科學(xué)課相配套的實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備嚴(yán)重不足或陳舊，無法滿足該課程正常的教學(xué)保證，因此急需加強(qiáng)物化的和虛擬的實(shí)驗(yàn)器材與環(huán)境建設(shè)。再次是教學(xué)形式單一：小學(xué)科學(xué)課程內(nèi)容豐富、包含學(xué)科眾多，只通過常規(guī)課堂教學(xué)形式，往往無法兼顧課標(biāo)中強(qiáng)調(diào)的課程目標(biāo)[2]。目前很多小學(xué)科學(xué)課授課是在教室中以講授型為主，學(xué)生僅僅一聽、一看、做筆記而已，沒有深度參與學(xué)習(xí)活動(dòng)，科學(xué)課作為一門實(shí)踐性、操作性很強(qiáng)的課程，很難實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)。

解決以上問題除了改善師資配備（如《意見》中要求實(shí)現(xiàn)每所小學(xué)至少有1 名具有理工類碩士學(xué)位的科學(xué)教師）、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)儀器配備、提供豐富的教學(xué)形式之外，很顯然利用信息技術(shù)手段，特別是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是非常好的選項(xiàng)之一。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱虛仿實(shí)驗(yàn)）是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建的一種具有教學(xué)功能的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，與之相對(duì)應(yīng)的是現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗(yàn)環(huán)境，根據(jù)沉浸性真實(shí)程度與交互性的多樣化可以劃分為桌面式和沉浸式類型。隨著觸覺反饋技術(shù)和交互設(shè)備的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)營(yíng)造了更加真實(shí)的效果，學(xué)習(xí)者置身虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，可自主地與實(shí)驗(yàn)室中的設(shè)備進(jìn)行交互[3]。重點(diǎn)以桌面式為例闡述虛仿實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是融合了目前前沿的信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的產(chǎn)物，可以拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容、資源、時(shí)間與空間，特別適合探究式學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神，同時(shí)可以提升教師的教學(xué)理念和方法，豐富教師的教學(xué)模式，改變了講授式、填鴨式的教學(xué)方式，解決了一些學(xué)校沒有實(shí)驗(yàn)條件或?qū)嶒?yàn)儀器設(shè)備不足的困境。

1 設(shè)計(jì)過程

1.1 設(shè)計(jì)與開發(fā)工具

重點(diǎn)使用的設(shè)計(jì)與開發(fā)工具為Unity3D 2019，簡(jiǎn)稱U3D。Unity 是由英國(guó)Unity Technologies 公司開發(fā)的一個(gè)集虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)、游戲開發(fā)引擎、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫創(chuàng)建、建筑可視化等功能的跨平臺(tái)的開發(fā)工具[4]。具備良好的跨平臺(tái)特性，支持20 多種平臺(tái)，擁有眾多的功能模塊，如圖1。

圖1 Unity3D的基本功能模塊

除此之外虛仿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作過程需借助腳本開發(fā)環(huán)境Visual Studio、建模工具軟件3Dmax 和和圖像處理PS等專業(yè)軟件協(xié)作完成作品的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

1.2 設(shè)計(jì)原則

1.2.1 教學(xué)性

作為學(xué)習(xí)用途的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)首要的任務(wù)是滿足教學(xué)要，教學(xué)要達(dá)到教學(xué)大綱的要求和目標(biāo)，提供的環(huán)境和內(nèi)容應(yīng)遵循教學(xué)規(guī)律和學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的任務(wù)。

1.2.2 科學(xué)性

科學(xué)性是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)當(dāng)遵循的最基本的原則?？茖W(xué)包含著三層含義：一要正確地運(yùn)用用教學(xué)原理；二是實(shí)驗(yàn)中的對(duì)象描述要與現(xiàn)實(shí)世界一致；三是要符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律[5]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)演示的原理必須具備科學(xué)性，要與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果相一致，否則會(huì)誤導(dǎo)學(xué)習(xí)者，也有礙培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的科學(xué)探索精神，甚至起到反面作用。

1.2.3 仿真性

仿真實(shí)驗(yàn)重在“真”，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)盡可能無限接近現(xiàn)實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的過程，這就要求設(shè)計(jì)者協(xié)同學(xué)科專家和學(xué)科教師共同完成虛仿實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，使學(xué)習(xí)者在虛仿實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)到身臨其境的感覺，實(shí)現(xiàn)心流體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)。

1.2.4 交互性

交互性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三大特征之一，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)為學(xué)習(xí)者提供實(shí)時(shí)的交互性體驗(yàn)，學(xué)習(xí)者通過各種輸入輸出設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，環(huán)境給予與相應(yīng)的反饋，該特性也是探究式學(xué)習(xí)的條件之一。

1.3 設(shè)計(jì)與開發(fā)流程

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)具備教學(xué)性、演示性、可操作性和交互性的綜合性的虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)，仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和質(zhì)量直接決定了實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。在設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中既要考慮教學(xué)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)也要考慮軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身的規(guī)律和方法。教學(xué)設(shè)計(jì)是保障，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是手段，二者需達(dá)成同一目標(biāo)，為學(xué)習(xí)者有效學(xué)習(xí)提供支持。筆者通過長(zhǎng)期教學(xué)和設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)踐將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要素與開發(fā)過程總結(jié)為4個(gè)環(huán)節(jié)，主要包括：需求分析階段、功能分析階段、設(shè)計(jì)階段、開發(fā)階段（含測(cè)試評(píng)價(jià)階段及打包試運(yùn)行階段）及反饋完善階段。其設(shè)計(jì)與開發(fā)流程如圖2。

圖2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)流程

2 案例設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 功能需求分析

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以小學(xué)六年級(jí)下冊(cè)“綠葉在陽光下可以產(chǎn)生淀粉”知識(shí)點(diǎn)為例，教學(xué)目標(biāo)是驗(yàn)證綠葉在光下可以產(chǎn)生淀粉的事實(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手和觀察能力，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探究精神和科學(xué)興趣。

實(shí)驗(yàn)面向的學(xué)習(xí)對(duì)象是小學(xué)高段學(xué)生，該段學(xué)生的學(xué)習(xí)思維仍以形象、直觀為主，抽象思維不足，具備一點(diǎn)操作能力但仍需要實(shí)時(shí)的指導(dǎo)與相應(yīng)的學(xué)習(xí)支架支持，實(shí)驗(yàn)既需要演示環(huán)節(jié)又需要探究式學(xué)習(xí)支持，包括相應(yīng)的其他教學(xué)環(huán)節(jié)如鞏固練習(xí)等，如圖3。

圖3 功能模塊設(shè)計(jì)

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

登錄注冊(cè)模塊：進(jìn)入登錄模塊后，系統(tǒng)先判斷用戶是否注冊(cè)過，如是新用戶需注冊(cè)，已注冊(cè)用戶可以直接登錄，輸入框內(nèi)容必須填寫，格式不正確、不匹配都會(huì)有相應(yīng)的提示。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)模塊：為學(xué)習(xí)者提供實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和要求，使其學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確。

實(shí)驗(yàn)探究模塊：為學(xué)習(xí)者提供探究式學(xué)習(xí)支持，學(xué)習(xí)者以探究方式與實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行交互操作，同時(shí)系統(tǒng)給出相應(yīng)的提示，操作正確給出正反饋如“你很棒，完全正確”，操作錯(cuò)誤給出負(fù)反饋如“很遺憾，你可以換個(gè)位置”等交互提示。

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模塊：主要說明實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、過程、操作說明等，為學(xué)習(xí)者順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)知識(shí)和技能。

實(shí)驗(yàn)演示模塊：用視頻的形式演示整個(gè)實(shí)驗(yàn)正確操作的完整過程，講解實(shí)驗(yàn)過程的細(xì)節(jié)與注意事項(xiàng)。

知識(shí)錦囊模塊：展示與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)和小技巧，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

課后鞏固模塊：強(qiáng)化學(xué)習(xí)者對(duì)該實(shí)驗(yàn)涉及知識(shí)的掌握，提供練習(xí)答題功能，練習(xí)鞏固過程中，答案是否正確都會(huì)向用戶提示。

2.3 操作邏輯流程

首先進(jìn)入登錄注冊(cè)界面，用戶登錄后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)首頁，學(xué)習(xí)者通過選擇“開始實(shí)驗(yàn)”進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景查看或操作實(shí)驗(yàn)知識(shí)錦囊、實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)驗(yàn)演示等內(nèi)容，進(jìn)行下一步操作時(shí)點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)提示”獲得相應(yīng)提示，完成后續(xù)步驟，結(jié)束實(shí)驗(yàn)后可以返回首頁。完成實(shí)驗(yàn)后可以選擇進(jìn)行“課后鞏固”，通過答題完成實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)的鞏固，結(jié)束答題后可以返回首頁，并隨時(shí)可以退出實(shí)驗(yàn)。操作邏輯流程如圖4。

圖4 操作邏輯流程

圖5 仿真實(shí)驗(yàn)首頁

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.4 詳細(xì)設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.4.1 首頁界面與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

2.4.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫

實(shí)驗(yàn)支持學(xué)生自由操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器，如支持儀器的位置擺放、旋轉(zhuǎn)及動(dòng)畫等操作，操作的過程中不符合實(shí)驗(yàn)規(guī)范和要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)情況提供及時(shí)的NPC 互動(dòng)提示，引導(dǎo)學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)，圖7是學(xué)生操作滴管將碘液滴入器皿中的綠葉上，綠葉變藍(lán)的動(dòng)畫過程。

圖7 滴管滴碘液動(dòng)畫及核心代碼

2.4.3 特效設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中“把葉片放入酒精燈并隔水加熱”的步驟中使用了特效，其中，酒精燈的火焰效果使用的是Unity3D的粒子系統(tǒng)，火焰效果如圖8。

圖8 火焰效果

2.4.4 交互設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)操作的過程中設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)交互環(huán)節(jié)和學(xué)習(xí)支持工具，如NPC 互動(dòng)提示和語音提示等功能，為學(xué)習(xí)者提供必要的學(xué)習(xí)幫助，避免學(xué)習(xí)者因操作困惑而影響學(xué)習(xí)效果甚至放棄實(shí)驗(yàn)操作，如圖9。

圖9 實(shí)驗(yàn)交互提示

2.4.5 課后鞏固

為了鞏固學(xué)習(xí)者對(duì)于該實(shí)驗(yàn)所涉及知識(shí)的掌握，提供了練習(xí)答題的強(qiáng)化功能，如圖10。

圖10 鞏固練習(xí)

3 測(cè)試

通過測(cè)試查驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中存在的Bug，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)存在的問題并完善產(chǎn)品。測(cè)試需從不同層面入手以確保程序的正確性與完整性。筆者利用黑盒測(cè)試中的功能測(cè)試查驗(yàn)了登錄模塊功能、實(shí)驗(yàn)操作的功能，確保產(chǎn)品功能性的正確，保障關(guān)鍵組件與整個(gè)系統(tǒng)的集成，利用非功能測(cè)試查驗(yàn)了完成度等相關(guān)測(cè)試，檢查了系統(tǒng)完成操作過程的正確性，并進(jìn)行了部分完善工作。詳細(xì)測(cè)試項(xiàng)目如表1。

表1 黑盒測(cè)試表

4 結(jié)語

目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在各行各業(yè)開始廣泛應(yīng)用，在教育領(lǐng)域的全學(xué)段開始逐步引入，各高校開始積極參與到國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)的建設(shè)當(dāng)中，國(guó)家智慧教育公共服務(wù)平臺(tái)推出的中小學(xué)智慧教育板塊中也正在搭建虛仿實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使更多的中小學(xué)生受益，實(shí)現(xiàn)教育資源的均衡發(fā)展。

毫無疑問，虛仿實(shí)驗(yàn)在教育領(lǐng)域（VR+教育）的研究與應(yīng)用是未來趨勢(shì)之一，在實(shí)際教學(xué)中將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)對(duì)象特征相結(jié)合并靈活應(yīng)用，能夠達(dá)到提高教學(xué)績(jī)效、優(yōu)化教學(xué)的目的。利用Unity3D 開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)虛仿課例，探討了虛仿實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則、流程、開發(fā)及測(cè)試等相關(guān)理論與技術(shù)，希望在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)方面起到拋磚引玉的作用。