基于VR技術的中小學科學教育解決方案｜2024年智慧教育優(yōu)秀案例283
【摘要】科學教育旨在通過傳授科學知識和素質培養(yǎng)，讓學生掌握科學思維與探究方法。運用VR技術于中小學課堂，能以其逼真顯示和沉浸式體驗，有效激發(fā)學生的好奇心和探究欲，提供身臨其境的學習環(huán)境，讓學生在虛擬科學世界中自由探索，并通過直觀展示促進對科學原理的理解，提升學習成效。解決方案從賦能教師、實驗室和學校三個角度出發(fā)，深入分析需求痛點，探索針對性賦能模式，推動中小學科學教育在學校的發(fā)展。
一、引言
為全面提升中小學生科學素質，2023年5月，教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》，深入貫徹習近平總書記在二十屆中共中央政治局第三次集體學習時的重要講話精神，系統(tǒng)部署在教育“雙減”中做好科學教育加法，支撐服務一體化推進教育、科技、人才高質量發(fā)展。
作為全面部署新時代中小學科學教育的專門文件，《意見》旨在適應科技發(fā)展和產業(yè)變革需要，從課程教材、實驗教學、師資培養(yǎng)、實踐活動、條件保障等方面強化頂層設計，充分整合校內外資源，推進學校主陣地與社會大課堂有機銜接，為中小學生提供更加優(yōu)質的科學教育，全面提高學生科學素質，培育具備科學家潛質、愿意獻身科學研究事業(yè)的青少年群體?！兑庖姟访鞔_，實施“校內科學教育提質計劃”重點項目。2023年12月，教育部印發(fā)通知，啟動了首批全國中小學科學教育實驗區(qū)、實驗校推薦工作。
二、現(xiàn)狀分析
義務教育階段和普通高中階段的課程標準均提出要讓學生掌握科學思維方法，“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素?？茖W思維是科學核心素養(yǎng)的關鍵成分，讓學生從小掌握這些方法，有助于培養(yǎng)批判性思維能力、增強解決問題的能力、提升創(chuàng)新和研究能力、促進終身學習、應對未來挑戰(zhàn)的能力，有助于提高整個社會的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力?？偟膩碚f，學生掌握科學思維方法不僅有助于其個人發(fā)展和學習能力的提高，更重要的是，這也是建設科技強國和推動社會進步的重要基礎，對于國家的長遠發(fā)展具有重要的意義和影響。
然而，中小學科學教育工作的推進和發(fā)展卻面臨著教育資源分配不均衡、教師素質和專業(yè)發(fā)展水平參差不齊、學生應試教育的壓力、學生的科學興趣和參與度不高、學?？茖W教育設施和環(huán)境缺乏等的挑戰(zhàn)。
當前，基于VR技術的應用已全面滲入我國教育系統(tǒng)的各個領域，形成了VR支持的集體課堂學習、小組研討學習、自主探究學習、職業(yè)技能學習和教師素養(yǎng)培訓等典型應用場景。VR技術憑借著逼真的顯示能力和沉浸式的交互能力，給教育教學帶來了翻天覆地的變化。為應對中小學科學教育面臨的種種挑戰(zhàn)，結合VR技術的特征優(yōu)勢，中教將VR技術作為核心技術路徑，從而為我國中小學科學教育工作的蓬勃發(fā)展注入強勁動力，推動其邁向新的高度。
三、方案構成
（一）先進的裸眼XR便攜終端作為硬件載體
裸眼XR便攜終端，通過融合前沿的虛擬現(xiàn)實顯示技術和基于空間定位的交互技術，打造了一種無需借助沉浸式頭盔和專用眼鏡的全新體驗方式。這種創(chuàng)新的技術方式使得使用者能夠身臨其境地感受逼真的VR場景互動，并欣賞到虛實交織的AR效果呈現(xiàn)。這種技術的運用不僅支持教師在日常課堂中的常態(tài)化應用，還鼓勵他們進行創(chuàng)新型教學探索，從而滿足多樣化教學應用需求，為教育帶來無限可能與活力。
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（二）適配裸眼XR便攜終端的系統(tǒng)課程
小學科學課程體系涉及面廣，包含物質科學，生命科學，地球與宇宙科學，技術與工程四大板塊。并且在課程的難度上體驗了解大于理解，通過VR的方式能夠很好的幫助老師和學生，將抽象的知識具體化。并且借助VR的交互性，讓學生以實踐操作的方式進行學習，真實踐行以學生為中心的設計理念。
觀察和實驗是理解和掌握理化生知識的基礎。通過觀察和實驗，學生可以直接接觸并感知物理、化學和生物現(xiàn)象，形成對知識的直觀理解。在虛擬仿真環(huán)境中，教學和實驗能夠突破客觀條件的限制，實現(xiàn)難以完成的實驗體驗過程，從而幫助學生獲得更加近于真實的感性認識，有利于提高學習者的學習及創(chuàng)新能力。學習者通過對危險、復雜、反應周期過長、實驗現(xiàn)象不易觀察等實驗的直觀體驗，在增加實驗樂趣的同時避免了實驗器材的消耗，并且實驗操作環(huán)境也更加安全。中學理化生課程同步課程標準中要求的實驗內容，課程內容充分呈現(xiàn)課本中的演示實驗與學生分組實驗。
課程提供的中學地理資源內容以地理課程標準的四大地理核心素養(yǎng)：區(qū)域認知、綜合思維、人地協(xié)調觀、地理實踐力為基礎，將較大時空跨度的地理景觀、場景及復雜的區(qū)域地貌、人文景觀以三維、動態(tài)、仿真的形式進行呈現(xiàn)。課程案例：時區(qū)，利用VR技術，就可以實現(xiàn)將時區(qū)動畫以圓柱投影的方式，從平面到球面進行切換。學生還可以拿起模型，進行360°觀察，放大、縮小、拆解，直至完全理解。
中學歷史課程資源以歷史核心素養(yǎng)：時空觀念、史料實證、歷史解釋、家國情懷、唯物史觀為基礎，以擬人化的表現(xiàn)手法和智能化的交互方式，讓文物開口“說話”，讓“穿越時空”成為可能，讓歷史“活”起來。學生在教師的引導下自主探究，尋訪文明的足跡，觸摸歷史的脈搏，感受華夏文化的獨特魅力，激發(fā)求知欲、好奇心和想象力。課程案例：司母戊鼎、南海一號。能夠利用VR技術，復現(xiàn)歷史文物和古代的技術。學生通過場景沉浸和人機交互可以360°自由觀察，縮放進行自主學習，充分了解文物的特征和歷史故事，體現(xiàn)出學生在課程中主體地位。
四、規(guī)劃路徑
為了全方位助力學校開齊開足開好科學類課程，提高科學教育質量，解決方案從學科教師、實驗室及學校三大主體出發(fā)，通過不同視角深入剖析其需求痛點，并探索針對性的解決路徑。方案旨在精準滿足各方需求，推動學?？茖W教育的全面發(fā)展，進而促進整體教育生態(tài)的優(yōu)化與升級。
場景一：缺少科學教育專用空間
受限于校園布局的老舊、教室數(shù)量的有限、平行班級數(shù)量眾多以及班額較大的現(xiàn)實狀況，不具備建設各類科學教育專用教室的條件；普通教室條件有限，主要適用于講授式教學，不適用于進行實驗或科學探究活動；教學方式單一，科學教育演示與實驗主要以教師演示或播放視頻為主。
需求：克服這些限制，靈活使用現(xiàn)有空間，提升課堂教學演示與實驗展示的質量。
建設模式一：VR移動課堂
在現(xiàn)有空間中配置VR移動課堂，實現(xiàn)”與師同行“的常態(tài)化應用，既可在常規(guī)教室中進行基于VR技術的科學教學活動，也用于線上VR同步教學、遠程教學，還可用于學科教研培訓及科普類活動，多樣化的應用場景為教、學、研、培、展提供常態(tài)化應用的資源保障。
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VR移動課堂支持常態(tài)化授課、遠程課堂、雙師課堂、教學研討活動、師資技能培訓、教師備課、科普活動等場景。通用應用實踐，我們發(fā)現(xiàn)，VR移動課堂能夠全面覆蓋教學場景、教研場景中以及校園科普活場景，充分體現(xiàn)了“應用為王”，讓VR教學資源以及VR技術所帶來的全新教學體驗發(fā)揮效益最大化。
VR移動課堂的應用模式，有力地推動了VR在教育領域的深度融合和常態(tài)化應用，構建以教室為中心，貫穿學校、家庭、社會等場域的線上線下融合的沉浸式學習環(huán)境，為智能時代的學習者提供更加優(yōu)質、靈活和個性化的學習支持服務，促進教育公平和高質量發(fā)展。
圖3 VR移動課堂應用場景
場景二：功能升級需求——為現(xiàn)有實驗室賦能
需求1：現(xiàn)有實驗室利舊，要求提升理化生實驗教學質量?，F(xiàn)有實驗室在基礎設施方面基本完備，但部分器材較為陳舊，這在一定程度上影響了理化生實驗教學的質量提升。
需求2：新落成的實驗室，旨在引領教學功能的革新。實驗室基礎設施完備，不僅滿足基本的實驗教學需求，涵蓋經典實驗項目，更要融入前沿科技，支持更多元化、探究性的學習活動，對實驗教學內容提出了全新的要求。
模式二：VR技術賦能常規(guī)實驗室
VR技術的引入為常規(guī)實驗室?guī)砹烁锩缘淖兏?，它主要針對實驗教學中存在的高投入、高風險以及高損耗等核心問題提供了有效的解決方案。同時，VR技術也成功攻克了實驗教學中難以實現(xiàn)、難以觀摩以及難以再現(xiàn)的難題，從而極大地提升了實驗教學的效果與質量。
為了充分賦能學?，F(xiàn)有實驗室，解決方案僅需確保實驗室具備電到桌的基本實施條件。這一方案不僅即插即用、免布線、不產生干擾，更實現(xiàn)了移動便攜與輕便易收納，確保與現(xiàn)有器材管理和諧共存。此外，解決方案還致力于提供更友好的用戶體驗，適配市面上大部分理化生實驗室廠家的多規(guī)格產品，確保兼容性與通用性，為學校實驗室的升級改造提供一站式解決方案。
圖4 賦能學?，F(xiàn)有實驗室
場景三：專用空間需求——打造復合型科學教育創(chuàng)新空間
學校具備充裕的空間條件，比如：創(chuàng)新教室、專用教室、科學教育空間等，計劃打造為建設標桿樣板，承擔本?？茖W教育成果展示與宣傳功能。
需求：打造學?？茖W教學特色空間。要求能夠承擔自然科學，工程科學，社會科學、人文科學等方向的教學應用需求，具備先進的教學、交互、體驗技術，能夠提供相關的授課與學習資源，為科學教育教學提供軟硬件支撐。
模式三：基于VR技術的復合型科學教育創(chuàng)新空間
建設一間以VR技術為核心的復合型科學教育創(chuàng)新空間，借助VR實驗操作展示、VR實驗探究、多學科項目式學習等手段，達到強化學科核心素養(yǎng)的教學目的。
方案精心打造了一站式教學與學習平臺。該方案不僅為教師提供了先進的教學設備，以優(yōu)化備課與授課流程，同時也為學生配備了個性化的學習工具和小組探究設施，以滿足不同學習方式的需求。
在資源配備上，特別針對小學和中學階段的教育特點，整合了豐富多樣的教學資源，涵蓋小學科學、中學地理、中學歷史、中學物理、中學化學、中學生物及科普類等多個學科領域。這些資源內容既科學嚴謹又生動有趣，旨在激發(fā)學生的學習興趣和探究欲望。
此外，創(chuàng)新空間還配備了通用設備以及學科文化產品，為教育教學提供有力支撐。我們注重空間環(huán)境的營造，力求打造一個既充滿科技感又充滿人文氣息的學習環(huán)境。
在培訓與服務方面，提供線上與線下相結合的混合式應用培訓，幫助教師快速掌握VR教學技能。同時，提供公開課、學術活動等教研活動的組織與實施服務，為教育教學提供全方位的服務支持。
圖5 解決方案框架
創(chuàng)新空間的效果呈現(xiàn)
結合中小學科學教育的各個階段和研究方向，重點支持和協(xié)助打造具有針對性的專用教室。具體而言，小學階段應側重于建設科學專用教室，以提供一個充滿探索氛圍的學習環(huán)境，激發(fā)學生的好奇心與科學興趣。進入中學階段，則應根據(jù)學科特點，分別打造自然科學方向（物理、化學、生物、地理）、工程科學方向（創(chuàng)客、Steam、人工智能、機器人）、社會科學方向（經濟學、政治學、歷史）和人文科學方向（文學、歷史、哲學、藝術）的專用教室。這些專用教室不僅能夠滿足學生們深入學習和實踐的需求，更能夠促進他們在各自感興趣的領域里進行專業(yè)化和系統(tǒng)化的探索，從而全面提升他們的科學素養(yǎng)和綜合能力。通過這樣的布局與支持，我們期望能夠為學生們營造一個既充滿樂趣又富有挑戰(zhàn)性的科學教育環(huán)境，助力他們在科學的道路上不斷前行。
圖6 效果呈現(xiàn)
VR支持的沉浸式學習是智能時代的重要學習方式之一。通過這一創(chuàng)新空間解決方案的實施，我們期待能夠推動科學教育的創(chuàng)新發(fā)展，提升教學質量，培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新精神和實踐能力的學生。建設基于VR技術的復合型科學教育創(chuàng)新空間，將成為學校在教育數(shù)字化轉型與智能升級方向的最優(yōu)實踐路徑。
