沉浸式虚拟现实技术在科学教学中的应用研究

张 莉 ，路虹剑

（1.北京市东城区文汇小学，北京 100022；2.北京市东城区教师研修中心，北京 100022）

0 引言

小学科学课程标准明确提出：“早期的科学教育对一个人的科学素养的形成具有十分重要的作用”[1]。特定环境或具体情境很容易激发中小学学生的好奇心和探知欲，这个年龄段的学生善于动手，喜欢合作，在这个阶段，创设特定的学习情境，提供充分的学习资源，为学生营造一个良好的适合科学探究的环境，体验探究学习的过程，对于发展学生的科学情趣，提高学生的科学素养至关重要。

实验法作为人类探索自然的基本方法，是小学科学探究课上的常用方法。学生通过亲自实验，观察现象，会对科学事实形成直观的认识，同时也能养成尊重事实的科学意识。传统的科学实验通常需要有充足的材料作为支撑，然而小学科学知识点众多，涵盖地理与宇宙科学、生物科学、物质科学、技术与工程等诸多领域，有很多情境是传统的科学实验方法不能完全呈现和表述的，如不复存在的情境、难以到达的情境、难以观察的情境等。

虚拟现实技术出现已久，笔者经过长期的研究和实践应用，发现它在科学教学中，对于创设科学情境、支持实验探究等都有出色的表现，解决了一线科学教师困惑已久的问题，是信息技术与科学教学融合的重要突破。

1 相关理论及概念解读

1.1 沉浸式虚拟现实技术

虚拟现实技术，英文名为Virtual Reality，是一项以计算机技术为核心的综合集成技术，涉及3D 图形技术、多媒体技术、仿真技术、传感技术、立体显示等高新技术[2]。虚拟现实技术目前主要有4 种类型，分别是桌面式、分布式、沉浸式和增强式[3]。本文主要研究的是沉浸式虚拟现实，在这种技术中，用户一般会配备头盔、手臂等，将用户的视觉、听觉、触觉等封装起来，得到一种完全沉浸在虚拟情境中的感受，从而达到学习目的。

1.2 情境认知理论

情境认知理论认为个体心理常常产生于构成、指导和支持认知过程的环境中，认知过程的本质是由情境决定的，情境是一切认知活动的基础[4]。知识的学习只有被放在特定的情境中时，学生才能形成丰富的情感体验，充分发挥主观能动性，在交流讨论的过程中，进行有意义的知识建构，将新的知识与经验内化到认知结构中，最终实现有意义的学习。

情境认知理论十分重视真实情境的创设，教师应当建立丰富的蕴含学习资源的场景，满足学生智力和情感的需要和体验，使学生主动体验，主动建构知识。沉浸式虚拟现实技术提供的多维立体情境，能够综合刺激学生的视觉、听觉、触觉等感官，是其他媒体和教学环境所无法比拟的。

1.3 探究性虚拟实验

科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一[1]。科学探究的流程包括提出问题、猜想假设、制订计划、观察实验制作、搜集整理信息、思考与结论、表达与交流。探究学习可以极大程度地激发学生的学习动机，培养学生善于思考以及解决问题的技能，通过探究实验进行知识的意义建构。对于一些特殊的内容，传统的真实性探究实验因实验场所、材料等原因无法开展，而虚拟实验中的实验装置与实验环境具有虚拟性，能够打破现实实验的局限性，可以根据教师的教学目的进行灵活的调整以及开放性的搭配，从而得到广大教育工作者的持续关注。

2 沉浸式虚拟现实技术在科学教学中的情境创设

2.1 不复存在的情境

这种情境主要是指另一时间的情境，即与学生现实生活的情境相差较远的过去或未来，如恐龙时代、未来人工智能时代等。学生很难从已有认知迁移到对这些概念知识的学习。之前我们常用一些视频、图片引导学生，但是如果利用虚拟现实技术，可以激发学生兴趣，使其身临其境地观察和思考，形成基于事实的推理和学习。

以“穿越古生物时代”为例，本课属于小学科学的生命科学领域，是新课标生命世界第11个主要概念下的第4 小节，即11.4。首先“一起去穿越”中，学生佩戴VR 眼镜，观察到大象变成了铲齿象，鸽子变成了孔子鸟，继而引导学生思考它们之间有什么关系。第二阶段“一起来变身”中，学生再次利用VR 技术，观察孔子鸟的细节，如喙、翅膀等，通过给始祖鸟、孔子鸟和鸽子的进化进行排序，发现生物进化的关系。第三阶段“一起去探秘”中，通过对化石的研究，可以理解动物的进化会根据不同的环境而变化，从而形成不同的形态、功能、结构等，这是动物适应它的生活环境所必需的（如图1、图2所示）。

图1 鸟的细节

图2 鸟的进化顺序

2.2 难以到达的情境

这种情境主要是指另一空间的情境，如受地域、地理等条件限制，学生无法到达或亲临体会的知识内容，如沙漠、雪山、宇宙等。我们可以通过虚拟现实技术进行模拟，开展跨时空、跨地域的学习模式。

以“太阳系”一课为例，本课对应地球与宇宙科学领域即13.4。根据五年级学生的特点，主要了解太阳是太阳系的中心，知道太阳系中有8颗行星，并描述它们在太阳系的相对位置（如图3所示）。第一步通过VR 眼镜营造太空环境，使学生形象地了解太阳系的空间组成，了解太阳系行星排布的基本规律。接下来再次利用VR 眼镜，观察太阳系，探索8 颗行星的具体特点，发现每个行星的颜色不同，表面组成也存在差异，土星外侧还有光环，天王星、海王星、木星外侧也有小光环。学生根据兴趣，自主探究太阳系行星的具体资料，通过分析，知道除地球外的其他星球环境都不适合人类生存，并且发现行星的自转和卫星环绕特点。第三步再次通过VR 眼镜观察回顾，手绘太阳系结构图，加深对空间概念的理解。

图3 八大行星的位置

在操作中，教师把主动权交给学生，VR 眼镜是学生本节课遨游太阳系的“宇宙飞船”，沉浸式虚拟现实技术让学生以“上帝的视角”观察外世界景象，通过自己的“操纵”，“飞向”感兴趣的星球，获取数据资料，对天体奥秘产生一种破解的喜悦感。

2.3 难以模拟的情境

这种情境主要是指一些灾害情境和较大范围的运动场景。日常生活中很难模拟这类情境，如地壳运动中的地震、火山喷发等。沉浸式虚拟现实技术能够呈现虚拟灾害的情境，让学生直观感受灾害产生的原因、造成的危害，并学会在灾害情境下的自我保护；也能够很直观地展现地壳运动、地表变化等大范围运动情境。

以“地表的变化”为例，本课属于课标中“地球与宇宙科学领域”的内容。这些内容比较抽象，学生很难想象自然界中的风雨、流水等是如何塑造着地表的，而借助于VR 技术可以更好地学习。首先学生利用VR 进行观察，认识我国的几种主要地表形态，知道地球表面有着不同的形态特点。其次，以一颗鹅卵石的视角，全方位引入本课的地表变化场景中，通过观察一颗鹅卵石的“旅行”，分析鹅卵石的前世和今生的变化，知道大自然中的风雨、温度、流水等在地表的活动中塑造着地表形态（如图4 所示）。在观察、分析、交流过程中，突破本节课的重难点。

图4 地表形态

2.4 难以观测的情境

这种情境主要是指生活中难以用肉眼观察到或观测准的情境，如在显微镜下观察的细胞结构、分子原子以及关于器官内部的位置、构造、运作等内容。平时授课时一般会使用图片、视频，但是都过于平面，有些学生很难马上接受，需要不断练习或很长时间的具象过程。VR 技术的支持可以帮助呈现这种微生物以及器官或组织内部的结构、环境等，不仅可以帮助学生快速掌握知识，而且对他们的学习积极性也有极大提升。

以“肺的保健”一课为例，本课选自首师大版教材《科学》第四册“关爱健康”单元的第三课。属于新课标中“生命世界”中“多种多样的生物”之动物——人。上课之初，学生利用沉浸式虚拟现实技术体验三维立体的人体器官（如图5 所示）。通过炸裂式的模拟图认识肺的特点，感受肺的位置、外形、作用及整个呼吸系统。第二次VR 体验，通过观察呼吸时氧气进入、二氧化碳排出，了解人体呼吸时气体进入的路径和气体变化的过程，支持了探究的过程。最后阶段通过数据调查和资料搜索，得出保持肺的健康是非常重要的结论。

图5 三维人体器官

3 沉浸式虚拟现实技术支持下的探究式实验教学

小学科学课是一门探究性极强的课程。探究性特点主要体现在探究式学习过程中。探究式学习流程一般按照“问题导入—猜想假设—合作探究—信息交流—得出结论”几个步骤进行（如图6 所示）。沉浸式虚拟现实技术在探究式实验教学中，也分为导入支持、探究支持和巩固支持3部分。

图6 小学科学课探究教学模式的一般过程

3.1 导入支持

沉浸式虚拟现实技术对探究式实验教学的导入支持，主要是利用VR 导入的多样性和真实性，创设与发现问题，有助于快速引起学生的关注和兴趣，发现问题，解决问题，提高后续探究环节的效率（如图7 所示）。

图7 沉浸式虚拟现实技术的导入支持

以“窗花的形成”一课为例，冬天能够在窗户里面看到或摸到窗花，而春天的清晨却是在车窗外面看到和摸到窗花（如图8 所示）。同样的现象，形成的位置却大不一样。这一情境能够极大地调动起学生的好奇心和探究欲，但是如果课堂上利用视频或图片进行情境的介绍及引入，就会显得黯淡失色。此时，可以借助沉浸式虚拟现实技术并结合4D 技术，创设真实的情境，让学生观察并感知，使学生将过往的生活经验和课堂的情境感知迅速合二为一，为接下来进行科学探究做了良好的铺垫。

图8 窗花

3.2 探究支持

沉浸式虚拟现实技术对探究式实验教学的探究支持，主要是通过提供探索工具和资源，引导学生动手进行探究实验、验证假设、解决问题，如在前例中对太阳系和八大行星的位置关系的研究（如图9 所示）。

图9 沉浸式虚拟现实技术的探究

以“四季变化”为例，本课选自首师大版教材“科学”第四册“共有的家园”单元的第三课。“四季变化”的成因是比较难的内容，以往的教学中，通常会利用视频或实物模型，引导学生操作并探究成因，但是由于模型的真实性和具象性有限，学生很难将它抽象成具体的天体和位置，理解起来比较困难。引入沉浸式虚拟现实技术之后，学生可以在探究实验开始后，通过VR 手柄进行操作，通过VR 眼镜进行观测，以一个“站在地球上某一位置的巨人”的视角，以宏观的角度观测四季变化时地球与太阳的位置以及地球的公转和自转（如图10 所示），从而探究成因，发现规律。沉浸式虚拟现实技术在本节课的探究环节，可以极大地辅助学生的探究过程，为学生验证假设、发现规律提供支持。

图10 地球的公转与自转

3.3 巩固支持

沉浸式虚拟现实技术对探究式实验教学的巩固支持，通常是在学生交流汇报或拓展练习时，将沉浸式虚拟现实技术用于其中，加深学生对知识的理解。在虚拟现实情境下完成交流汇报，完成练习，有助于学生理解和巩固知识，同时也巩固探究解决的思路和方法（如图11 所示）。

图11 沉浸式虚拟现实技术的巩固支持

以“奇妙的光与色”为例，五年级学生对于彩虹的形成都有了解，这些了解从课外书、视频中获得，几乎没有学生对此产生质疑，但在访谈时发现，学生对于多种色光混合成为白光的事实并不肯定，多数学生会把光的颜色与颜料的颜色混为一谈，造成对光颜色的错误认识。本节课利用VR 技术，观察太阳光在小水珠的作用下分散成7 种色光，发现不同色光和阳光照射物体的差异。更重要的是，本节课学生可以控制多种色光的合成，学生一边操作，一边将实验的结果投射在VR 设备中，便于其他学生的观察，为学生验证实验以及汇报探究过程提供支持。本课最后一个拓展环节，学生再次佩戴VR 眼镜，感受“如果太阳光不包含这么多的颜色，只剩下其中一种或两种颜色，会是什么样子”。通过这一环节的拓展练习，借助VR 技术更深入地认识熟悉的太阳光包含多种颜色的光，如果没有多种颜色混合的太阳光，我们看到的世界会跟现在完全不同，生活中美丽多姿的色彩也会变少，培养学生热爱自然、尊重科学的价值观。

4 沉浸式虚拟现实技术的应用价值与未来展望

沉浸式虚拟现实技术拓展了教学形式，突破了时空局限性，丰富了科学教学模式，提高了科学课堂探究解决环节的有效性，提高了学习效率。沉浸式虚拟现实技术能够将抽象化为形象，丰富科学教学资源形式，帮助学生多视角观察事物、分析事物，让学生全面了解知识点、解决知识难点；同时，提高教师信息化教学的解决能力和学科素养，为教师提供一个丰富的广阔的发展平台。

当然，沉浸式虚拟现实技术也有它目前的局限性，如虚拟现实资源不足、难以留下学习痕迹、技术不能完全普及、掌握难度较高等。未来，随着沉浸式虚拟现实技术的不断发展和完善，应当加快小学科学VR 资源库的建设；同时，教师应当思考VR 技术与其他信息化技术手段和工具的结合使用，实现虚拟教学和实体教学的真正融合，以期最大限度地提高课堂效率，指导学生探究性学习。