新课程标准背景下VR技术在小学科学教学中的应用研究

许丽萍 刘星成

摘  要 科学精神是新世纪人才培养的核心素养之一，因此，小学科学课程教学是培养科技人才的第一步。分析总结当前小学科学教学中存在的问题，从应用虚拟实验和虚拟教学的角度将VR技术应用于小学科学教学中，完成VR技术支持下的小学科学课程设计教学，取得良好的教学效果。

关键词 VR技术;小学科学;科学素养;核心素养;虚拟实验;虚拟教学

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）09-0052-03

0  引言

科技是第一生产力。《全日制义务教育科学课程标准（3—6年级）》中提出：培养学生科学素养、科学精神、科学态度、科学兴趣的重要时期是小学阶段;小学科学课程的基础性、实践性、综合性对于培养学生的创新精神、实践能力和科学素养具有重要的价值[1]。因此，小学生的科学教育十分重要。学生在小学科学课上不仅学习科学知识，还包括培养科学态度、科学精神、探索科学的兴趣以及科学思维能力。小学科学课的任务，从单纯的知识教学扩展为知识、能力、思想、精神并重的科学教育[2]。随着时代的发展，VR技术给各个行业都带来新的发展活力，VR技术走进小学科学教学课堂，将给科学课堂教学带来崭新的方法与形式，特别是给新课程标准背景下解决当前小学科学教学中存在的问题提供了新的思路。

1  当前小学科学课程存在的问题

小学科学教学不止强调知识的习得，更应重视培养小学生的创新创造精神和自主探究能力，激发他们的探索好奇心和求知欲。在新课标背景下，小学科学课程存在诸多问题：在教学目标的设立上，突出小学生对科学知识的掌握学习，忽视了对小学生科学态度、科学精神的培养，教师在教学目标的设立上没能让学生对科学学习产生兴趣，导致他们学习科学的积极主动性不高;在教学方法的使用上，现阶段还是以传统的讲授法为主，而这种教学方式不利于帮助学生建构起与实际生活相联系的知识体系，容易让学生产生认知脱节的现象，教师没有站在小学生实际认知水平的角度去实施教学。在科学课程中，教师应该创设情境，帮助学生从生活经验出发，亲身经历或体验实践活动，促进基本科学知识的理解，提高科学探究能力，培养崇尚科学的态度，最终形成在科学、技术、环境与社会领域的应用能力[3]。但现如今大部分学校因为各式各样的原因，缺乏相应的科学实验室，就算有也多是“摆设”，无法给予学生进行科学实践的机会，导致大多数科学课在实际教学中只停留在理论层次，实际教学效果不好。教师也没有充分利用新媒体、新技术去提高课堂教学的有效性，一些抽象的知识比如磁性、摩擦力、物质变化等，如果只通过讲授配以图片、视频的方式，小学生无法去亲身体验，无法与实际生活相联系，便难以吸收理解，无法内化知识，还会增加认知负荷，造成学习积极性不高。这些都与新课标的要求背道而驰。

2  VR技术与小学科学教学相融合

科学知识来源于探索。科学课程是一门以探索为基础的学科[4]。在小学科学课程中应用VR技术是迎合新课标要求下小学科学课程发展的需要。在科学教学中，利用VR技术的沉浸性、真实性与交互性特点，将虚拟实验与虚拟教学应用于一些较为抽象的知识讲解或较难实现体验的教学实践中，将在很大程度上提升小学生学习科学的兴趣，提高教学效率，实现培养小学生科学素养的目标要求。

2.1  虚拟实验

虚拟实验是将现实环境中无法正常进行的实验或者危险性较大的实验，按照常规的实验流程利用VR技术来实现，通过创设逼真的实验环境，学生能够在虚拟的环境中进行实验，进而了解实验的过程结果，从而完成知识的意义建构[5]。虚拟实验可以应用在一些实施起来较为危险或难以进行实际操作的实验教学之中，使操作体验具有真实感，减少实验操作的危险性。比如在学习生命科学领域的知识时，为了更深刻地了解生物的组成，小学生可以通过虚拟实验实现对生物体的解剖，对比了解生物在组成上的异同。

2.2  虚拟教学

虚拟教学中的虚拟实体展示以及虚拟过程演示可以实现罕见事物的重现以及展示现实生活中变化太快或者没有机会见到的事物。比如在教学地球与宇宙科学领域知识时，可以通过虚拟过程演示重现台风、洪涝、干旱等气象灾害以及地震、火山喷发等自然灾害的现象，激发小学生探索地球和宇宙的热情，帮助他们建立科学的自然观以及人与地球协调发展的可持续发展观。

3  教学设计

以教科版小学科学四年级上册第四单元“我们的身体”第一节“身体的结构”的教学为例，进行教学设计。

3.1  教學分析

“身体的结构”一节主要介绍人类身体结构，让学生观察身体、了解身体，总结身体的特点，知道身体各个部分是如何协同工作的，以及让学生知道该如何保护身体，进而形成健康的生活意识，养成良好的生活和行为习惯。四年级的学生已有关于人体器官的先前经验，对人体的结构组成有一定的了解。在此基础上，传统的教学方式大多是进行模型演示和知识点讲解，不利于学生进一步深化知识，进行意义建构。运用VR技术，教师可以在教学中组织学生通过虚拟实体展示来观察人体，以及通过虚拟实验解剖人体进行体验互动，激发学生的探索兴趣，增强学生的学习效果。

3.2  教学流程

建构主义强调学生是认知的主体，学生通过自主探究、主动发现的学习方式来进行认知建构[6]。本研究基于VR技术与小学科学课堂教学相融合设计教学过程，如图1、表1所示，在小学教学中进行实践。在优化传统教学模式的基础上，结合VR技术，将课堂交还给学生，教师成为指导者，让学生在探索中完成学习目标，培养科学探究精神。

3.3  教学效果

相比传统的教学方式，VR技术可以弥补关于身体结构的教学视频、图像等二维呈现的缺陷，通过创设逼真的场景，将身体构造的相关知识形象化地展现出来，给学生提供交互体验的机会，营造三维立体的教学环境，给予学生沉浸式的学习体验，增强学生对抽象知识的理解，优化学习效果，并且在更大程度上激发学生学习科学的兴趣，调动学习科学的积极性，获得很好的教学效果。

3.3.1  增强科学知识与探究精神的培养效果  科学课程的教学内容以自然景观和科学原理为主，学生作为学习的主体，只有通过切身的实验操作才能强化对科学知识的掌握和理解，提升思维水平[7]。VR教学可以实现人体结构知识的可视化，以及让学生以自然的方式與人体进行交互体验，体验学习科学的乐趣，通过实践探究内化知识，实现预设的教学目标。

3.3.2  促进课堂活动趣味化  基于沉浸式VR技术的科学课堂具有游戏化的特征，可以很好地贯彻寓教于乐的教育理念[7]。通过VR设备，学生可以在栩栩如生的动态场景中真实地感受到心脏的跳动，观察到受温度影响时毛细血管的变化等，给予学生沉浸式的学习环境，增强学生的临场感，让学生主动发现和提出问题，使得教学氛围更加轻松，充满趣味性，激发课堂活力，让小学生充分发挥想象力，涌现创新思维。

3.3.3  提高课堂参与度  科学实验是小学科学教学中影响最终教学效果的环节之一。本次教学需要大量的人体骨骼模型以及可供学生进行实验操作的实体模型，借助VR技术，不仅可以实现资源的重复利用、反复观察，还可以让学生获得真实的体验感，实现自由探索，根据自己的思想、喜好探索人体的结构组成，完成实验操作，探索解决问题的方法。让学生通过观察探究的环节，主动参与课堂，提高自主探究学习能力，主动成为信息加工、处理的主体，成为知识的主动构建者。

4  结语

VR技术给小学科学课堂提供的具有交互性的可视化、沉浸式学习环境，让每一个小学生都能有机会进行科学探究，体验学习科学的乐趣，激发学习兴趣，提高学习积极性、主动性，帮助他们进行知识建构。VR技术理论与实践方面研究的不断深入，将会持续革新小学科学教与学的方式，打破传统教育的局限性，提高教学效率，有效培养小学生的科学素养和崇尚科学的品质，为他们继续学习和终身发展打好基础。 ■

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.义务教育小学科学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2017.

[2]李文清.创设探究型虚拟现实学习环境，促进小学科学课程教学变革[D].上海：上海师范大学，2009.

[3]杨先通，韩慧，王娟，等.新课程标准视域下小学科学实验教学的探讨[J].首都师范大学学报（自然科学版），

2019（3）：90-95.

[4]李飞.新课程标准时期小学科学教学的思考及建议[J].湖南科技学院学报，2018（8）：137-138.

[5]徐艳.虚拟现实技术在教育教学中的应用研究[J].中国科技信息，2008（7）：235-236.

[6]张影.基于VR体验的小学科学课教学设计与实践研究[D].河南：河南师范大学，2019.

[7]代依伶.基于沉浸式虚拟现实的小学科学课程教学设计与应用研究[D].成都：四川师范大学，2019.