运用VR技术建构小学数学课程新模式

仇大成 杨 兰

随着物联网、大数据、云计算的普及，互联网虚拟技术在不同领域应用广泛。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）由于其运行高效便捷、互动融合、信息分享直观方便等特点，在中小学得到广泛应用。基于VR技术的小学数学课堂能够创建互动氛围，激发学生的学习兴趣，以其特有的虚拟空间帮助构建数学与现实世界的桥梁，进而融合更多的人工智能教育技术参与数学学习，提升师生的数学素养。

一、感知VR技术，体验虚拟互动学习

VR综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，着重通过计算机模拟虚拟环境给人以环境沉浸感，具有与环境完美交互作用的能力，并有助于启发构思。“沉浸—交互—构想”是VR环境系统的三个基本特性。区别于传统的计算机演示型课件播放文本、图片、音频与视频的模式，当前小学数学课堂中应用的VR技术能引导学生适度想象，通过计算机产生的虚拟场景与体验效果，可以把现实场景重现，例如“确定位置”一课创设棋盘格子的虚拟场景等；可以为学生提供丰富的想象空间，例如“体积”单元设计外星球整理物品的3D游戏等；能便于学生互动操作，在呈现的模拟场景中，学生与虚拟对象便捷互动，例如“重量”单元通过不同感知设备（如头戴显示器、数据手套、位置追踪器等）给予学生适当的实时反应，增加或减少重量都能产生模拟真实的感觉；能实现学习深度融合，通过各种输入设备，为学生提供包括视觉、听觉、触觉、身体移动等感官知觉，例如“时间”单元比较抽象，设计虚拟空间，学生“步入”其中，引发其融入感及参与感，进而领会“时、分、秒”的概念并加深理解。

二、发挥VR优势，优化数学课程资源

基于VR技术的小学数学课堂，教师以生活中的数学知识为载体，应用“Zspace或慧玩教具”等VR平台或学具，设计沉浸式学习活动或游戏，发挥VR技术的互动优势。

创设游戏化情境，激发求知欲望。以“行程问题”单元学习为例，将数学知识和解决问题的方法策略融入挑战性、游戏化故事，避免枯燥乏味的数学知识讲解和练习，通过VR技术整合了无形的“情”和有形的“境”，学生由情入境，产生乐学与愿学的欲望，根据由易到难设计新颖的“行程问题”游戏关卡，学生能将所学知识应用真实情境中，解决学习中遇到的问题。

开展沉浸式学习，提升学习效能。沉浸式教学关心学生的生理和心理体验，让数学学习变成一种快乐的事情。Zspace一方面通过VR技术以360°环绕对象方式录制学习视频，将平面的内容用实体、实际的景像呈现，另一方面可以分工摄影模拟数学相关的教具学具，让学生更近距离的观察和理解教具学具，从做中学，提升学习的专注力，在潜移默化中掌握数学的知识点，提升能力点。

展开主题式设计，充实操作内容。小学数学空间、几何等部分教材内容相对抽象，基于VR技术设计沉浸式主题活动，例如“圆的世界”“体积与容积”等整合制作课程资源，学生的学习过程不受时间和地点的限制。如今常用的桌面3D显示器，不用3D眼镜就可以实现虚拟现实三维显示，学生还可以在VR未来教室增强现实（Augmented Reality，简称AR）的环境中进行交互操作，引导学生通过团队合作，共同提高实践操作能力。

有机串联知识点，形成整体认知。就小学数学课程而言，系统性不仅体现在知识点难易和呈现顺序上，而且也表现在知识点的串联方面。“慧玩教具”等同类VR学具根据统编版小学数学教材而设计，涵盖13个知识模块，129个以上的教学知识点。基于VR的虚拟体验和探索式的自主学习帮助学生将各知识点串联起来，形成整体的认知能力和综合应用能力。

三、应用VR技术，开展数学互动学习

在小学数学教学过程中恰当地运用互动学习，可以提升学生自主学习的动力和动手操作的能力。新课标很重视学生学习的主体地位，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力。教师在日常小学数学互动学习中尝试云平台、项目式、双层次检测等VR技术的应用。

选用VR学习云平台。科大讯飞VR学习平台，集“教、学、做”为一体，兼顾与中小学课程相融合、与新型教学模式相融合。其中小学数学各知识模块、知识点能力点的主题教学、思维锻炼，教师可选择直接取用。学生一方面线上远程学习，突破地域限制，另一方面多人同时协作，互动交流便捷。以“分数乘法”为例，依托讯飞VR视频系统让教师有更充分的时间进行指导，还能以实时记录小组讨论作答的过程与步骤，更精确与快速地发掘出学生运算的步骤在哪里出了问题，或是同样的问题还发生在哪些同学身上。针对多数学生都有疑问的部分逐一提出，让全班进行讨论，而过程中教师再给予回馈与讲解，让学生在后设认知的学习技巧中，学得更完善、扎实。

开发VR悦趣学习空间。运用Zspace平台可自行开发VR互动课程资源，结合信息化手段开展悦趣学习，学生在游戏中学习数学知识。例如五年级“体积”单元，通过3D画面、音乐以及剧情，带给学生一个个趣味盎然的虚拟学习空间，学生可以拿起任意一个物体翻转，并可近距离摆放该物体是由几个正方体所组成。根据单元知识点设计多个项目任务，根据具体的任务要求拼凑指定的立体图形。操作力求简化步骤，便于互动。当学生完成该项任务，立即反馈给予奖励。

制作VR交互式影片。小学数学高年级的学习内容，除了涵盖基本概念与运算技巧的问题外，还有相当的比例是属于高层次思考、推理或归纳的高认知问题，以符合课程标准中强调高层次思考能力的培养。实际教学中，可以运用Zspace将高认知问题制作3D影片，抽象的思考过程通过3D投影机具体呈现出来，让全班学生可以同时佩戴3D眼镜观看并互动交流。有条件的学校还可以通过社团活动，选用AnimVR等工具组织学生制作数学VR交互影片，让学生在体验制作的过程中互动学习，感受数学的魅力。

尝试VR双层次测验。双层次测验，是一种分成简单及困难两种程度的选择题。第一层的问题主要是评估学生较基本的知识，第二层是第一层问题的延伸，为探讨学生在第一层所选择的答案原因。依托讯飞VR学习平台自主设计小学数学VR双层次测验程序，包含虚拟现实小学数学教材编辑模块、双层次测验学习模块及数据库模块。当学生登入该程序后，会呈现VR学习引导及双层次测验题目。学生在进行双层次测验时，每一题目皆有两个层次以选择题形式呈现。结合虚拟现实双层次测验学习程序，更深入了解学生对于概念理解的程度，精准分析学情，重视差异化教学和个别化指导。

四、融合人工智能，培育数学核心素养

虚拟现实是多种先进技术的应用和多学科知识的汇聚与融合，更好地服务于学生综合素养的提升。

强化数学文化熏陶。数学核心素养框架体系的第二层是数学思想层。通过VR交互式影片还原历史上数学规律、方法发现推理的过程，以及中国博大精深的历史文化，将数学文化融入互动学习活动中，不仅让数学思想方法学习有生长点，而且有助于培养学生的数学核心素养以及正确的是非观，同时提供思想支持和方向指引。

培养数学应用意识。基于VR技术的数学学习情境为学生的学习提供大量的现实表象，带动学生多感官参与活动，帮助学生将虚拟、现实世界进行融合，切合学生最近发展区，解释生活中的数学现象，解决生活中的数学问题。在虚拟情境互动活动中培养学生运算能力、数感、抽象等核心素养，提升学生的数学应用意识。

激发数学发散思维。基于VR技术的游戏化学习任务，鼓励学生尽快联想，尽多作出假设和提出多种解决问题方案。对于学生欲寻不同解法而不得时，可通过虚拟空间的实时互动，教师细心点拨，潜心引导，帮助他们获得成功，使学生渐渐生成自觉的求异意识，并日渐发展为稳定的心理倾向，进一步提升发散思维的流畅性、变通性和精细性。拓展发散性思维，迸发出更加丰富的创新火花。

提升数学抽象素养。借助于物联网、AR、MR等技术，对数学学习过程中所提出的各种假设抽象模型进行虚拟，直接地观察到情境抽象或理论抽象所还原的结果或效果，进一步培养学生的旋转、组合、展开、翻转等空间想象能力，结合教学实际，采取不同的策略让学生更好地认识具象和抽象之间的联系。