虚拟和增强现实技术在科学课教学中的运用

近年来无论是在产业领域，还是在教育领域，抑或是研究领域，虚拟现实和增强现实成为当之无愧的热点。各个行业都在积极探索如何利用虚拟现实技术实现自身的实质性转变。因此，以虚拟现实和增强现实技术为核心的新一代信息技术能否推动甚至颠覆教育的变革，有待我们进一步实践和研究。

一、虚拟和增强现实技术

虚拟现实 （Virtual Realit，简称VR） 技术是指建立在计算机技术基础上，融合了计算机、网络、视听、多媒体、人工智能等多种交互技术手段，从而使人们能借助仿真环境或事物达到真实体验的技术。增强现实（Augmented Realit，简称AR）是一个比较宽泛的概念，不同行业从业人员对其有不同的定义。简言之，增强现实技术给现实世界增加了一层虚拟信息，使之成为虚拟现实技术的延伸，它可以用来模拟对象，让学习者在现实环境背景中看到虚拟生成的模型对象，有时称为“混合现实”。

虚拟现实技术强调建构场景与“投射”的过程，因此，它侧重于构建和创造模式，关注虚拟场景是否有良好的体验和交互。增强现实技术更关注复原人类视觉的功能，不隔离周围的现实环境，注重虚拟场景与现实场景的相互“融合”。在教育实践中，虚拟现实技术构建合理、夸张或虚幻的 VR 环境，为学生带来想象性、交互性、沉浸性的学习体验;而增强现实技术则更加强调学习过程的兴趣性、智能性、自主性，从而提升现实工作、生活或学习的思维动力和实践能力。

二、国内虚拟和增强现实技术应用于教育领域的研究

随着计算机图形学、计算机系统工程等技术的高速发展，虚拟现实技术已经得到了相当的重视，引起我国各界人士的兴趣和关注。研究与应用VR，建立虚拟环境，虚拟场景模型分布式VR系统的开发正朝着深度和广度发展。从对国内VR/AR教育行业的概览可以看到，近年来增强现实技术在教育方面的应用越来越多地得以实现。许多VR公司积极开拓教育领域的市场，如推出沉浸式课堂系统，VR/AR超级教室等;教育公司引入VR技术开启VR全景式教学，打造一整套中小学VR实验室等;互联网巨头、上市公司、传媒等纷纷布局VR教育，进行教育领域应用VR技术的研究，开发儿童VR教育产品，推出了多学科VR课件产品。例如厦门创壹软件推出“100唯尔教育网”，是全国最大的虚拟现实三维互动在线教育云平台，拥有全部自主知识产权的虚拟现实技术。其他方面：高校成立VR的各类虚拟增强现实实验室;早教积极探索应用方面的研究和开发;VR/AR教育行业网站越来越多，人才培训、实训教育课程体系均有发展。目前虚拟和增强现实技术在教育领域的研究主要有以下几项成果：虚拟仿真校园、虚拟实验、虚拟教学（包括虚拟实体展示、虚拟漫游、虚拟过程演示、虚拟角色扮演）、虚拟游戏等。成果的研究与应用不仅集中在高校教学，还开始运用于基础教育。小学科学课程也呈现出使用虚拟现实技术教学的趋势。

三、虚拟和增强现实技术在小学科学教学中的运用

虚拟和增强现实技术具有交互性、沉浸性、多感知性和可操作性等优势，可以虚拟教学情境、教学实验以及用于技能训练等，能充分调动学生的主动性和创造性，让学生在安全和可控的环境中实践所学，促进学习者知识和概念的积极建构，从而有效解决教学中的重点和难点问题。科学教育工作者如果能够充分发挥技术支持，将为教学带来以下优势。

（一）为有意义的学习建构情境

建构主义的学习观非常重視情境的教学作用，强调学习者在一定情境下，通过人与情境之间的协作、交流，利用必要的信息，主动地建构知识。虚拟现实技术是创设真实情境最有效的工具。高度逼真的“虚拟真实”世界，加上交互功能，能让学习者很快融入虚拟现实系统，并成为系统的一部分，在虚拟场景的三维环境里进行人、物、景的多重交互，体验到与现实一样的情境。例如在小学科学教学内容中的天体运动、岩石的变化、植物的生长、动物的生命周期等知识，利用虚拟现实技术提供的场景，学生能自主决定时间跨度，决定空间角度，将长期运转过程压缩，打破空间、时间对教学的限制，消除时间与空间造成的认知阻断。虚拟现实技术为学生提供了生动活泼、直观形象的思维材料，学生在与情境作用的过程中处在深度的交互状态，由此形成良好的认知结构，知识就在不知不觉中，通过不断的自我同化与顺应的过程，逐步建构起来，形成有意义的学习。

（二）增强对事物、概念的感知与理解

VR仿真技术能将抽象、晦涩难懂的知识以更生动、直观、全面的方式呈现出来，学生能通过不同的视角观察，从而增强对现实事物的理解。AR作为媒介技术的一种，其本质亦是对人的延伸。利用AR在呈现现实与虚拟相融合的内容方面的专长，让虚拟素材的展示更为形象具体，增强对现实情境的视觉感知能力。例如下载AR卡牌相应的专用软件，使用移动设备扫描AR卡片，即可出现角色的立体图像，实现“立体动起来”的效果，这能给学生创设立体观察的机会。AR书籍包含的内容更加丰富，它改变了单纯用眼睛去阅读静态的图画文字的形式，而扩展成视听等多方位的体验，与虚拟图像产生“互动”，让静态的图文“活”起来。例如借助“AR人体医学系统”，人体的构造就会直观地展现到学生面前，学生可以按照自己的步调探究大脑、消化系统、神经系统等;学生还可以通过旋转和放大虚拟3D器官以查看详细的结构，在增强现实空间和虚拟3D模型等教学情境下，就会明显优于传统的口头讲解或者多媒体演示的教学方式。AR/VR技术在小学科学的地理、物理、化学等领域的教学中都有用武之地。这种全新的体验方式，会给学生带来超越传统的感受，不仅有利于知识吸收，更能让学生在趣味性和互动性的过程中增强对概念的理解。

（三）支持课堂内外混合式学习

依照《小学科学课程标准》的指导思想，小学科学教学应尊重学生的意愿兴趣，以开放的思想和态度，为学生创设良好舒适的学习环境，让学生充分掌握身边的科学知识，使他们将所学的知识和技能在平时生活中得以灵活运用。显然，仅凭课堂教学是满足不了学生的求知欲的。将学生的学习置于广阔的生活背景下，到校园、大自然中去学习科学，丰富他们的学习经历，这是非常重要的举措。随着网络、平板电脑、智能手机迅速普及，基于位置信息的移动服务逐渐成为移动终端平台上的主流应用。移动AR技术，逐渐成为正式学习与非正式学习相结合的纽带。例如基于移动终端和AR技术的科技馆展品体验课程，它分为学校模式和科技馆模式，活动内容分为虚拟和现实两种，包括科技馆走访、课程前后的参观以及课内外实验。学生通过对虚拟和传统科技馆的参观，利用AR技术将在学校中所学到的科学知识与之相联系，以此增强学生对试验、模型等事物的理解，既节省了时间又提高了教学的效率。借助便携的终端硬件设备，为学生带来难以比拟的真实感与现场感，使无处不在的合作式和情境式学习得到加强。

（四）提升学生实验技能习得效果

专为实验教学需求而开发的虚拟实验室，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象。在实验教学时，创造性地应用高水平软件自带的共享虚拟实验仪器、共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，不仅丰富了教学内容，拓展了实践领域，还能提高教学质量，降低成本和风险。例如使用仿真化学实验室，简化了溶液的配置、实验仪器的准备以及实验装置的搭建过程，节约真实实验环境中许多简单重复操作所浪费的时间，使一些比较枯燥的实验变得有趣便于掌握;同时，满足了学生在不同时间、不同场合中进行多次模拟训练的需求。对于那些课堂上无法演示的实验，不具备条件或难以完成的实验，如反应过程激烈、难以看清现象的实验，在虚拟环境中可以通过调节速度、增强颜色变化、过滤无效干扰信息等，让学生节省实验时间，集中精力研究实验现象本身的特性与规律，又能提高学生学习兴趣和课堂的教学效果。基于虚拟仿真实验教学，遵循虚实结合、能实不虚的原则，相互补充可达到良好的教学效果。

（五）提高工程与技术领域的设计水平

依据《小学科学课程标准》要求，小学生到中年级的时候，能够举例说出一项工程所运用的科学技术和原理，应该知道工程設计的基本步骤，包括明确问题、确定方案、设计制作、改进完善基本的步骤。在教学《做框架》《建高塔》《桥的形状和结构》等内容时，采用计算机模拟仿真软件更能凸显其优越性。例如，运用虚拟现实技术进行三维模型的设计，构建一个与实物同样的三维物体，展现作品的立体面貌，使学生能够全方位地构思产品的外形、结构，从各个方面了解自己的设计。借助模型试验，可以进行足尺寸的试验，测定其受力性能，还可以很方便地修改参数，测试结构在各种荷载作用下的反应，从而提高设计效率，提高作品质量。

信息技术与课程整合应用，正在促进我国的课程改革，转变学生的学习方式。引入虚拟现实技术可以改变课程内容承载的介质，改变呈现形态，弥补传统媒体教学的一些缺陷;它能给学生提供一个全新的学习情境，使课程内容变得更加丰富多彩。我们应该及时转变教学观念，积极探索虚拟技术在科学教育中的应用，提高教学质量，实现理想化教学。

【名师简介：高翔，小学科学特级教师，高级教师，集美大学教师教育学院小学科学教育客座教授。福建省学科教学带头人，教育部小学科学名师工作室核心成员。出版专著《信息技术视角：小学科学教学前沿探索》《社会主义核心价值观教育丛书—小学科学学科教育》。】