基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的小學(xué)科學(xué)項目式學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建與實施

摘要：小學(xué)科學(xué)項目式教學(xué)強調(diào)創(chuàng)設(shè)情境，以問題為驅(qū)動引導(dǎo)學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)，能更好地提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，而以虛擬現(xiàn)實為基礎(chǔ)開展小學(xué)科學(xué)項目式教學(xué)，能依托虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）等技術(shù)手段，彌補真實實驗中存在的問題。本文以教科版小學(xué)科學(xué)四年級下冊《模擬安裝照明電路》一課為例，將內(nèi)容分解為對應(yīng)的虛擬教學(xué)項目，在創(chuàng)設(shè)的虛擬環(huán)境中實施電路布局、線路設(shè)計、虛擬實操等環(huán)節(jié)，以優(yōu)化基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的小學(xué)科學(xué)項目式學(xué)習(xí)模式。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；小學(xué)科學(xué)；項目式學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）23-0000-04

《義務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）倡導(dǎo)項目式學(xué)習(xí)、跨學(xué)科學(xué)習(xí)等綜合性探究方式，其中項目式學(xué)習(xí)是以真實“項目”為載體的科學(xué)教育活動，它能基于創(chuàng)設(shè)的真實問題情境，設(shè)置進階、有序的探究活動，以提升學(xué)生遷移應(yīng)用科學(xué)知識的能力，幫助學(xué)生提高科學(xué)思維和探究實踐等科學(xué)素養(yǎng)。而借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展項目式學(xué)習(xí)，能夠幫助學(xué)生更好地感受科學(xué)教學(xué)實驗場景，它特有的沉浸式、想象性和交互性等優(yōu)勢，能使教學(xué)環(huán)節(jié)與知識遞進的關(guān)系更為緊密，使構(gòu)建實驗探究中的安全性高、體驗性強成本較低的實驗探究場景成為可能。

作為教科版四年級下冊一節(jié)典型的科學(xué)、技術(shù)與工程結(jié)合的實踐課，《模擬安裝照明電路》包括應(yīng)用、創(chuàng)造兩部分?！皯?yīng)用”部分要求能夠?qū)W會為房間設(shè)計一個照明電路，應(yīng)用既往課程解決工程活動中的問題；“創(chuàng)造”部分則要求通過實驗的方式完成電路的連接，在實踐教學(xué)過程中逐步熟練照明電路的安裝。下面，筆者以此課為例，在教學(xué)過程中融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，從項目式學(xué)習(xí)視角再現(xiàn)電路實驗場景，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬交互中掌握運用工程思維解決真實問題的能力。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入小學(xué)科學(xué)的項目設(shè)計

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)過程中融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，并非單純地追求數(shù)字化“形式”，其核心在于基于虛擬場域搭建更真實的實驗場景與實驗操作反饋，引導(dǎo)學(xué)生基于既有知識框架思考、探索、操作，對科學(xué)知識建立更直觀的認識。因此，教師在融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)時，尤其是在呈現(xiàn)實驗過程與實驗操作反應(yīng)時，需要發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的場景再現(xiàn)作用，強化學(xué)生的臨場感受與知識認同，唯有如此，才能發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)成效。圍繞虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以從四個方面開展項目設(shè)計，具體下頁如表1所示。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在小學(xué)科學(xué)項目式學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

1.項目任務(wù)設(shè)計，明確教學(xué)解決問題

小學(xué)科學(xué)項目式學(xué)習(xí)的關(guān)鍵在于明確動機，即“我要做什么”，學(xué)生明確了項目動機以及預(yù)期目標，才能在教學(xué)過程中合理設(shè)計、創(chuàng)建、搭建實驗要素，進而在問題情境中達到既定目標，感受科學(xué)課帶來的實驗成就與探索趣味。

《模擬安裝照明電路》作為以“電路”為主的實驗教學(xué)課，是典型的科學(xué)工程實操課，突出了新課標中“工程的關(guān)鍵是設(shè)計”這一基本要求。本課的實驗關(guān)鍵是學(xué)生基于虛擬場景的電路實驗素材為房間安裝一個照明電路，將電路知識應(yīng)用于實操。

師：同學(xué)們，學(xué)校教室正在進行裝修改造，需要為教室重新鋪設(shè)照明線路。如果你承包了此項工程，將如何利用現(xiàn)有工具搭建照明線路呢？具體要求如下。

熟悉場景：根據(jù)教室場景圖，明確課桌、講臺、窗戶、門的位置。

設(shè)計照明電路：需要在教室前、后設(shè)計兩處照明燈，兩處電燈分別由教室前門、后門旁的兩個開關(guān)控制。

小組討論：劃分小組合理設(shè)計電路設(shè)計圖。

虛擬實操：基于虛擬現(xiàn)實場景素材，根據(jù)小組電路設(shè)計圖組裝照明電路。

在明確項目流程后，學(xué)生很快便完成了電路圖紙的設(shè)計，并就圖紙方案在虛擬場景中進行實操。

2.項目內(nèi)容實施，經(jīng)歷解決問題過程

（1）設(shè)計完善，基于問題解決

虛擬場景的實驗操作是項目式學(xué)習(xí)的第一步，學(xué)生通過實驗操作，綜合應(yīng)用電路知識解決場景問題，強化了對電路工程任務(wù)的基礎(chǔ)概念認知。在完成虛擬實操后，學(xué)生已經(jīng)初步了解照明電路開關(guān)、線路“通”和“斷”的工程原理。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生就“兩個開關(guān)控制兩盞燈”進行組內(nèi)討論，最終形成照明電路設(shè)計方案，并繪制最終電路設(shè)計圖。

（2）量表引領(lǐng)，滲透制作要素

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與項目式學(xué)習(xí)的融合為學(xué)生提供了更多的自主探究時間與實操空間，但是，怎樣更好地發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)對項目式學(xué)習(xí)的支持，而不局限于單一的虛擬場景操作應(yīng)用？在明確這一優(yōu)化目標后，可將評價量表前置，提出教學(xué)改良建議?！赌M安裝照明電路》的評價量表設(shè)計既要考查虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合的實效性，也要考查在項目式教學(xué)開展過程中的方法、內(nèi)容、技能的掌握情況，以此保障學(xué)生在自主經(jīng)歷、管控、調(diào)整、反思中實現(xiàn)科學(xué)技能的掌握與提升。

3.項目任務(wù)延伸，提升實驗教學(xué)效率

（1）巧用KT板立體模型，助力虛擬概念建構(gòu)

在虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合教學(xué)中，除了立體房間的模型搭建，還可采用虛擬場景功能。例如，將KT板立體模型接入虛擬現(xiàn)實場景，先依次為學(xué)生展示電路設(shè)計素材，再讓學(xué)生利用虛擬KT板立體模型設(shè)計燈與開關(guān)的位置，并賦予相應(yīng)的電路設(shè)計圖。形式多樣的空間立體項目環(huán)境的搭建，有助于學(xué)生快速建立立體概念。

（2）提供多元材料，驅(qū)動學(xué)生深度探究

基于虛擬現(xiàn)實場景的《模擬安裝照明電路》一課的項目式學(xué)習(xí)，克服了以往實驗材料單一的弊端。學(xué)生在虛擬現(xiàn)實場景中不僅能自主參與到房間的電路設(shè)計與實操環(huán)節(jié)，還能結(jié)合生活實際，靈活融入單刀雙擲開關(guān)、雙刀雙擲開關(guān)（如下圖）。

4.項目評價反思，學(xué)習(xí)模式效果評估

在基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的《模擬安裝照明電路》一課的項目式學(xué)習(xí)中，還需融入“形成性評價”與“總結(jié)性評價”，以明確學(xué)生在虛擬現(xiàn)實場景學(xué)習(xí)中，是否達成教學(xué)目標。

（1）表現(xiàn)性評價前置，凸顯評價的指導(dǎo)性

在虛擬現(xiàn)實項目式學(xué)習(xí)中，學(xué)生除了“動手做”，還需兼顧實操前后的表達交流與探究活動。表達交流中的一項核心環(huán)節(jié)便是學(xué)習(xí)評價。教師要指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)電路設(shè)計、電路安裝等探究過程，從電路布局、線路設(shè)計、虛擬實操、課堂表現(xiàn)等方面匹配相應(yīng)的評價指標，如表2所示。

（2）學(xué)習(xí)評價多元化，促進學(xué)生改進自我

評價活動分為自評、互評、教師點評，前兩項以學(xué)生作為評價主體，通過師生共同參與評價的方式確保評價過程的合理性、公平性、準確性。教師則在學(xué)生評價的基礎(chǔ)上分別就各個評價項目進行二次打分，并計入最終評分。多元化的評價項目設(shè)計能使學(xué)生清晰認知自身的真實情況，在反思中察覺各個環(huán)節(jié)中的潛在問題，最終在改進設(shè)計中彌補自身的不足。

（3）反思改進方案，讓項目為生活服務(wù)

基于虛擬現(xiàn)實教學(xué)技術(shù)，教師通過真實情境、問題設(shè)計進一步增加教學(xué)難度，提出“模擬安裝照明電路2.0”實操場景，在原有基礎(chǔ)上融入電扇等常規(guī)電器線路設(shè)計任務(wù)與元素，以此使項目式學(xué)習(xí)更為貼近學(xué)生生活。另外，還可進一步發(fā)散到其他電路設(shè)計場景，如實驗室、廚房等，讓項目為生活服務(wù)。

結(jié)論

本文以《模擬安裝照明電路》一課為例，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)與項目式教學(xué)設(shè)計從以下幾個方面展開課程教學(xué)設(shè)計：①結(jié)合小學(xué)生科學(xué)課程教學(xué)實驗的現(xiàn)狀，根據(jù)《模擬安裝照明電路》一課的特征，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計自主學(xué)習(xí)場景。②通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實操，為學(xué)生提供擬真的電路設(shè)計場景，實現(xiàn)虛擬項目式任務(wù)教學(xué)，學(xué)生在虛擬房間中自主設(shè)計照明電路；或融入更多場景要素豐富學(xué)生的任務(wù)體驗。③《模擬安裝照明電路》一課的虛擬現(xiàn)實教學(xué)設(shè)計是基于小學(xué)科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求進行的項目化教學(xué)設(shè)計，其項目明確、任務(wù)清晰、流程緊湊，將學(xué)生作為課堂主體，使學(xué)生能夠更加積極地參與項目任務(wù)與實驗活動。

課后，教師可以整理課堂教學(xué)中的過程性學(xué)習(xí)資料，形成微課資源，以便后續(xù)在設(shè)計過程中有可供借鑒的虛擬教學(xué)經(jīng)驗，也有利于學(xué)生回顧學(xué)習(xí)。當然，《模擬安裝照明電路》一課的開發(fā)與虛擬現(xiàn)實項目式設(shè)計并不止這些，后續(xù)還需根據(jù)學(xué)生能力的發(fā)展進一步發(fā)散項目任務(wù)，以鞏固學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

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作者簡介：張濤，男，碩士研究生，青島市城陽區(qū)第三實驗小學(xué)教師/教研組長，研究方向為項目式教學(xué)、大單元教學(xué)、信息技術(shù)與學(xué)科融合、媒介素養(yǎng)。

本文系山東省教育發(fā)展研究微課題“基于‘互聯(lián)網(wǎng)+’的小學(xué)科學(xué)實驗項目化的實踐研究”（課題編號：FJ215）、青島市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度專項課題“指向深度學(xué)習(xí)的小學(xué)科學(xué)進階式大單元教學(xué)實踐與案例研究”（課題批準號：QJK2023D002）的研究成果。