以“央管虛擬實驗”為載體建立“沉浸式”學(xué)習(xí)模塊

鄧燕麗

〔摘? ? 要〕? 小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)很多只停留在表面，為加強小學(xué)科學(xué)“沉浸式”學(xué)習(xí)，以“央管虛擬實驗”作為載體，在虛擬世界中進(jìn)行建模，依據(jù)“以虛輔實”的設(shè)計思路，建立感知沉浸、思維沉浸和心智沉浸三個“沉浸式”學(xué)習(xí)模塊。通過多樣化、動態(tài)化的感官整合為“沉浸式學(xué)習(xí)”創(chuàng)造條件，通過可設(shè)計可交互的實驗場景為思維發(fā)展搭建支架，通過多變化智能化的拓展方法為學(xué)習(xí)評價提供依據(jù)，以此改變學(xué)生學(xué)習(xí)小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生自動參與、合作探究。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；央館虛擬；“沉浸式”學(xué)習(xí)；以虛輔實

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 02? ? 010-012

小學(xué)科學(xué)課堂上所需的資源較多，教師往往很難正常開展教學(xué)，學(xué)生無法“沉浸式”探索科學(xué)界的奧秘規(guī)律。借助于“央館虛擬實驗”，利用現(xiàn)實（又稱VR）、多媒體和仿真等技術(shù)，在計算機上營造可輔助、部分替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實驗者通過人機交互的方式操作實驗，開展各種實驗項目，讓學(xué)生在感知、思維、心智中“沉浸式”學(xué)習(xí)，使學(xué)生的思維、能力發(fā)展不再浮于表層，優(yōu)化小學(xué)科學(xué)素養(yǎng)的沉淀。

一、具象感知：多?；母泄僬?，以虛輔實，為“沉浸式”學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件

單單依靠聽覺的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生收獲的信息是單一的。相關(guān)機構(gòu)研究表明，通過單一的學(xué)習(xí)形式，如，閱讀文字或觀看圖片，學(xué)習(xí)效率約為10%。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中滲透央館虛擬技術(shù)，利用三維立體、多元驅(qū)動、萬象場景三種“感知”，全面覆蓋學(xué)生學(xué)習(xí)。在虛擬實驗中創(chuàng)設(shè)各種感知情境，對學(xué)生多種感官形成一定沖擊，可使學(xué)生全方位、具象地感知學(xué)習(xí)，大幅度提高學(xué)生小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)效率。

（一）“三維立體感知”啟全景式學(xué)習(xí)

小學(xué)科學(xué)實驗涉及領(lǐng)域眾多，以往多將資料編制成圖片。利用“央館虛擬實驗”設(shè)備，將原有的二維照片與文字信息轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體的，使知識學(xué)習(xí)從2D轉(zhuǎn)化為3D，從平面圖片轉(zhuǎn)化為視頻動畫，從而實現(xiàn)仿真虛擬實驗、三維結(jié)構(gòu)的交互性、三維結(jié)構(gòu)的可視化，讓小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)更深層化和具體化，大大增強學(xué)生對小學(xué)科學(xué)知識的全景式感知體驗。

如，在學(xué)習(xí)“植物生長”時，對于某些生長于難尋地區(qū)的植物，可采用“央館虛擬實驗”設(shè)計植物生長動畫，從而實現(xiàn)學(xué)生對植物的觀察。不單是通過平面圖片觀看，設(shè)計完整的植物生長周期，動態(tài)呈現(xiàn)植物的生長變化，讓生長時間軌跡覆蓋春夏秋冬四個季節(jié)，學(xué)生還可通過虛擬實驗多方位觀察植物一年的生長狀態(tài)和外部生長變化。三維動畫讓學(xué)生更身臨其境地感知，更完整地觸發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)技能。

（二）“多元驅(qū)動感知”促交互式學(xué)習(xí)

不論是以講知識為主，還是以看圖片為主的科學(xué)課堂，學(xué)生接受的感覺過于簡單化。在央館虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，可以計算機技術(shù)為核心生成一個三維空間的虛擬世界，借用設(shè)備為學(xué)生提供關(guān)于聽覺、視覺、觸覺的感官模擬，并通過鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備操作實現(xiàn)人機交互。單方感知變?yōu)槎喾礁兄Y(jié)合，“多元感知”驅(qū)動學(xué)生對小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)更有深層次的體驗。

如，在學(xué)習(xí)《彈簧測力計》一課中，學(xué)生要觀察探究“彈簧測力計”的具體使用方法，利用“央館虛擬實驗”，學(xué)生可以在鼠標(biāo)控制下研究彈簧測力計內(nèi)外部結(jié)構(gòu)特征，并使用彈簧測力計測量眾多物品，在虛實結(jié)合下加深對工具的了解。

（三）“萬象場景感知”激具象式學(xué)習(xí)

實驗材料有部分較難獲得，有時教師會用其他物品替代實驗場景，學(xué)生的感觀大大減弱。借助央館虛擬技術(shù)組織學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)活動，學(xué)生不僅能體驗逼真的實驗場景，還有更多選擇。虛擬技術(shù)可以提供瞬間轉(zhuǎn)換場景的可能性，將整個科學(xué)實驗過程由多個不同的生活場景拼接起來，打破空間、時間的限制，讓學(xué)生從起始到結(jié)束完整感受實驗過程。

如，在《動物是怎樣適應(yīng)新環(huán)境的》一課中，聚焦問題“動物如何適應(yīng)不同的環(huán)境”，設(shè)計三個環(huán)節(jié)，運用“央館虛擬實驗”，轉(zhuǎn)換不同動物在不同環(huán)境中的生存活動，通過比較青蛙、丹頂鶴以及植物等，在春、夏、秋、冬中行為活動的不同，進(jìn)而分析動物適應(yīng)環(huán)境的能力。

二、具身探究：可交互的實驗場景，以虛促實，為沉浸思維搭建支架

小學(xué)科學(xué)中涉及周期長、實驗條件難以滿足或操作準(zhǔn)備復(fù)雜的實驗項目，是當(dāng)前傳統(tǒng)演示實驗或無實驗?zāi)Ｊ降谋锥?。通過央館虛擬仿真實驗，學(xué)生的學(xué)習(xí)在虛擬技術(shù)構(gòu)建起來的實驗操作環(huán)境中進(jìn)行3D仿真實驗探究，將實驗課延伸到第二課堂。體驗周期完整、現(xiàn)象可視、變量嚴(yán)控的生物實驗探究，可將學(xué)生動手實踐與高階思維融合，規(guī)范學(xué)生對小學(xué)科學(xué)實驗的操作，提高學(xué)生的實驗技能和動手能力。

（一）集零為整：完整周期場景育“關(guān)系思維”

“央館虛擬實驗”可突破實驗操作的空間和時間限制，對于小學(xué)科學(xué)中周期長或者需要耗費較長時間的實驗，可以在較短時間內(nèi)讓學(xué)生完整觀察到某些變化過程。如種植鳳仙花、飼養(yǎng)蠶等實驗，需要一個月乃至數(shù)月的時間，而利用虛擬仿真技術(shù)，把條件有所限制的教學(xué)內(nèi)容放到理想化的情境中，在一堂課內(nèi)高效完成自主實驗探究，學(xué)生可以隨時隨地開展實驗。完整的實驗周期讓學(xué)生對生物生長有了整體化的閉合思維，極大地提升了實驗“關(guān)系思維”能力。

（二）化隱為顯：可視現(xiàn)象場景育“邏輯思維”

因生物生長環(huán)境、宇宙多樣變化、地球內(nèi)部運動等無法采集到真實材料的實驗，會因涉及復(fù)雜的空間想象能力以及思維能力而成為學(xué)習(xí)難點。采用“央館虛擬實驗”，將虛擬和實際場景相結(jié)合，即將虛擬物體疊加到真實環(huán)境中，或者將真實物體添加到虛擬環(huán)境中，讓學(xué)生在可視化的狀態(tài)下開展探究實驗。通過將可視化物質(zhì)放入虛擬場景，使難理解的結(jié)構(gòu)或抽象、看不見、摸不到的物質(zhì)形象化，使課堂教學(xué)化難為易，能夠幫助學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，形成思路簡單化的“邏輯思維”，厘清小學(xué)科學(xué)知識關(guān)系，更好地掌握科學(xué)知識的深層理念。

（三）化繁為簡：嚴(yán)控變量場景育“批判思維”

小學(xué)科學(xué)實驗反應(yīng)受很多內(nèi)在和外部因素的影響，且各因素間又相互關(guān)聯(lián)、相互影響，較難簡便精確地控制單一變量，這使實驗結(jié)果不易觀察。利用央館虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展探究活動，可排除天然干擾，嚴(yán)格控制每個變量條件，嚴(yán)格控制每個外部影響因素。絕對化的實驗條件可讓每位學(xué)生真正、絕對地完成變量探究過程。學(xué)有余力的學(xué)生還可以根據(jù)自己的實際情況完成多個條件的探究，在精準(zhǔn)探究中形成“批判思維”，真正讓學(xué)生用心體會后掌握科學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

三、真心拓展：智能化的拓展方法，虛實相融，為沉浸評價提供依據(jù)

學(xué)習(xí)以學(xué)生為主，實驗課堂的器材、步驟都是教師限定好的，往往不利于學(xué)生知識的進(jìn)化構(gòu)建?？梢越柚把腽^虛擬實驗”平臺的實驗創(chuàng)編功能開展研究性課題，布置一些科學(xué)學(xué)習(xí)延伸拓展內(nèi)容，供學(xué)生自我思考。學(xué)生利用創(chuàng)編系統(tǒng)中的3D實驗器材庫，自主設(shè)計新的實驗方案，并在平臺上不斷試錯糾錯、競賽探索、發(fā)展創(chuàng)新。不落窠臼的拓展學(xué)習(xí)可以拓寬學(xué)生的知識面，培養(yǎng)智力因素和非智力因素，提高思維、認(rèn)知、素養(yǎng)等。

（一）試誤型拓展：“思維織密”生長可見

小學(xué)科學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，需要觀察、研究物質(zhì)的變化發(fā)展，必須關(guān)注過程，而央館虛擬技術(shù)能夠為學(xué)生提供試誤過程，幫助學(xué)生在實驗拓展過程中反復(fù)學(xué)習(xí)。在開展虛擬實驗操作時，虛擬系統(tǒng)會全程跟蹤學(xué)生的操作過程。如學(xué)生實驗操作有誤，系統(tǒng)還會以逼真的場景提示，并及時糾正錯誤的操作步驟。學(xué)生通過在虛擬平臺上反復(fù)試錯，可不斷加深實踐體驗，拓寬實驗學(xué)習(xí)內(nèi)容，形成縝密思維，以至于產(chǎn)生沉浸感，更好地理解小學(xué)科學(xué)實驗原理和內(nèi)容。

如《月相變化》一課，在以往傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式中，學(xué)生首先猜測月相的形成原因，然后模擬在宇宙中俯視觀察太陽、地球和月球的三球關(guān)系，從而判斷猜測正確與否。這樣的觀察角度單一，無法幫助觀察者真正理解月相變化的原因。利用虛擬技術(shù)，不但單可以從宇宙的角度觀察，還可轉(zhuǎn)變不同方位觀察到三球的運動關(guān)系，在轉(zhuǎn)變角度觀察中多次批判自身的猜測，亦可以通過虛擬技術(shù)的幫助，模擬人們在地球上觀察月相變化的過程。這突破了傳統(tǒng)演示的視角局限，幫助學(xué)生真正地建構(gòu)空間概念。

（二）競賽型拓展：“認(rèn)知結(jié)構(gòu)”生長可見

“央館虛擬實驗”學(xué)習(xí)環(huán)境可以整合競賽化的特點，競賽可設(shè)計科學(xué)點數(shù)、科學(xué)積分和科學(xué)排行榜，強調(diào)角色的增強。虛擬競賽的主要特點是“參與”，讓學(xué)生以主角的身份參與到虛擬科學(xué)競賽之中去。在虛擬科學(xué)競賽中，一方面強化虛擬技能訓(xùn)練，另一方面強化小學(xué)科學(xué)的知識概念，提高學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，同時又強調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)過程的沉浸性和即時性。這種在虛擬世界中的競賽挑戰(zhàn)更受學(xué)生歡迎。

如，學(xué)生在學(xué)習(xí)“一炷香”計時工具時，全班8個小組分別設(shè)計、測量燃香的計時功能。項目設(shè)計成功者獲2積分，項目設(shè)計改良者獲4積分，項目設(shè)計遷移者獲6積分。通過觀察、設(shè)計燃香的規(guī)律，使學(xué)生遷移應(yīng)用不同形狀的蠟燭計時工具的設(shè)計，以至深層次認(rèn)知。

（三）創(chuàng)新型拓展：“科學(xué)素養(yǎng)”生長可見

在解決科學(xué)課堂實驗遺留問題中，利用央館虛擬技術(shù)可以適時進(jìn)行創(chuàng)新拓展，學(xué)生可提出五花八門的問題，問題形式、問題內(nèi)容可延伸課本知識。結(jié)合這些有針對性的問題進(jìn)行分析，打破原有固定模式，發(fā)散學(xué)生的思維，形成“問題—探究—問題”的學(xué)習(xí)循環(huán)。在虛擬實驗中，學(xué)生可創(chuàng)設(shè)一個創(chuàng)作自己的作品、親自動手模擬實驗操作或充分發(fā)揮自己想象的情境，以此培養(yǎng)他們的創(chuàng)造力、想象力和感知力，提升小學(xué)科學(xué)素養(yǎng)。

如，學(xué)習(xí)“給動物分類”時，教師先讓學(xué)生利用虛擬現(xiàn)實眼鏡觀看，要求學(xué)生對看到的這些動物做出判斷，并說出其名字、生活區(qū)域和突出特點。學(xué)生對動物有一定認(rèn)識，自然能夠積極參與辨識活動。針對動物分類標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生開始討論和思考。點到可以分為脊椎動物和無脊椎動物時，讓學(xué)生根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)，將熟悉的動物重新分類，學(xué)生再度進(jìn)入熱議環(huán)節(jié)。教師利用“央館虛擬實驗”，讓學(xué)生觀察動物，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。虛擬技術(shù)展示的信息對學(xué)生的感官形成更強的沖擊。雖然沒有讓學(xué)生看到更多內(nèi)容，但在情境設(shè)計方面形成突破，給學(xué)生帶來更大的觸動，其助學(xué)效果是極為可觀的。

在3～6年級每冊每單元科學(xué)教學(xué)中，都或多或少會涉及一些學(xué)生無法實際操作研究的實驗，借助“央館虛擬實驗”，將真實教學(xué)與虛擬實驗相結(jié)合，能突破感知簡單化、探究淺表化和素養(yǎng)虛無化的困境，實現(xiàn)高效的沉浸式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生全身投入情境中學(xué)習(xí)，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)水平。

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