VR一体机辅助下的课程资源开发模式及其实践——以小学“数学VR探险”课程为例

□陆吉健 沈晓媛

近年来，随着教育信息化的不断推进，虚拟现实技术逐渐成为教育领域研究的热点。当下，借助“VR头显”和“VR眼镜”教学，是虚拟现实辅助课堂教学较常规的方式，这些设备虽然可以带给学生高度的沉浸感，但在使用者协作交互等方面存在较大的局限性。借助VR一体机虚拟现实软硬件平台，可以增强师生、生生之间的交互感，可以适度延伸课堂教学内容，让学生更加有效地学习。现以“数学VR探险”课程为例，介绍VR一体机辅助下的课程资源开发模式及实践。

一、虚拟现实与小学教育

国内关于虚拟现实技术在小学教育中的应用研究目前还处于起步阶段。zSpace的VR一体机是近年兴起的虚拟现实教育设施，具有丰富的VR课程资源，在小学教育领域有较好的发展前景。其硬件系统主要包括3D显示器、VR触控笔、3D立体眼镜等；软件系统主要有富兰克林实验室、3D工作室、欧几里得图形等。在使用过程中，学生不仅可以利用VR触笔对显示器上的对象进行位移、放大、解剖等操作，带来较高的沉浸感，而且通过平台可以及时导出学生的学习成果，便于开展分享交流。在实际教学中，教师要将4～6位学生分为一组，并为每组学生配备一台VR一体机进行协作探究学习。[1]

二、VR一体机辅助下的课程开发模式

为应对VUCA时代带给教育领域的挑战，敏捷课程开发理念应运而生。敏捷课程开发的本质就是主动、有效且高效地响应学习者个性化且不断发展变化的学习需求，快速为学习者交付契合学习需求的可用课程[2]。利用虚拟现实技术辅助下的课程开发，不仅要考虑虚拟现实资源及课程教学特点等多方面的因素，而且要根据师生的实际需求进行课程内容的动态优化，这些要求与敏捷课程开发理念相匹配。因此，研究团队基于Allen提出的SAM模型（Successive Approximation Model，逐渐逼近模型），建构起包括准备、迭代设计、迭代开发三个阶段的VR一体机辅助下的课程开发模式，具体如图1所示。

图1 VR一体机辅助下的课程开发模式

其中，准备阶段主要是进行VR课程资源选配，研究团队需要纵览VR课程资源，根据学情进行案例的选配。在迭代设计阶段进行VR课程规划，生成初步创意，构建课程开发模型，并通过对课程设计内容的不断评估，迭代设计出新颖的课程方案。其中，课程开发模型是迭代设计阶段的核心，它是课程设计的基础，可以引发更多富有创意的设计思路。迭代开发阶段中，研究团队通过课程开发、实施、反馈等环节生成标准课程设计，并对上述环节进行迭代循环产出A版本、B版本，乃至VR课程设计的黄金版本。在这个阶段中，研究团队不断收集学生的反馈，及时发现、解决相应问题，通过不断迭代设计方案的方式缩短课程开发周期，提升课程设计质量和实践效果。

三、VR课程资源选配

（一）VR课程资源纵览

zSpaceVR一体机的VR教学资源主要分为社会科学、数学、英语语言等模块，其中科学领域的课程资源占比较大，具体如表1所示。数学模块的VR教学资源设计较简单，并不适合小学数学拓展型课程的开发，因此研究团队主要从工程设计模块进行资源选配。

表1 VR资源以及小学数学及其情境相关内容概况

续表

（二）VR课程资源案例选配

研究团队对上述的VR课程资源进行筛选后，确定围绕“三角形、圆形和正方形”“问题解决者”“轿车、巴士和自行车”“工程设计过程”4个VR课程资源，进行小学数学拓展性课程的开发。

上述4个VR课程资源的3D模型演示非常形象直观，学生置身于问题情境中学习，可以获得良好的情景感。借助以上课程资源进行学习时，学生需要利用所学的数学知识分析问题，能深刻地体会到数学知识不仅仅是印在课本上的定理、公式，更是“活”的知识。同时，学生也要尝试运用多学科知识来解决问题，这有助于培养学生的空间想象能力、知识迁移能力及创新思维等。课程各模块及其VR资源、教科书内容（人教版）和核心素养指向[3]详见表2。

表2“数学VR探险”课程各模块及其VR资源、教科书内容（人教版）和核心素养指向

四、VR小学数学拓展性课程设计

使用VR课程资源进行教学，需要教师提前进行课程规划及课程设计。“数学VR探险”是研究团队进行VR一体机辅助教学尝试的重要内容之一。

（一）“数学VR探险”课程结构

“数学VR探险”课程面向5～6年级学生设计，课程由探险准备、探险启程、探险开始、探险总结4个模块构成，课程开展16周，每周1课时，授课教师可以根据实际情况安排具体的教学课时，具体课程计划详见表3。整个课程围绕小学数学核心素养进行跨学科整合设计，根据学生的认知水平逐渐深入。在课程实施过程中学生要利用数学知识分析、解决具体情境问题，并使用VR触控笔进行模型构建，有助于提升学生用数学思维分析、解决问题的能力，促进学生多学科知识技能的整合应用，对学生创新意识的培养也有重要意义。

表3“数学VR探险”课程整体结构

（二）“给恐龙建房屋”教学活动设计

下面以VR一体机辅助下“数学VR探险”课程中“给恐龙建房屋”这一代表性案例为例，介绍其具体的实施流程。

1.热身环节

教师确定课程主题和教学目标后，融合多学科交叉知识，设计“热身环节”激发学生的学习动机，并为后续工程设计流程的探究做铺垫。在学生都佩戴好3D眼镜后，教师首先介绍著名的工程师及其相关贡献，让学生体会工程师在日常工作和生活中的重要性。教师通过在zSpace上出示各类发明成果，引导学生思考：这些发明成果都解决了什么问题？并请学生在软件上输入自己的想法，之后进行交流分享。

教师引导学生先想一想：工程师解决问题的一般流程是怎样的？然后在zSpace上出示工程设计流程图，介绍工程设计实践的相关知识。接着引导学生进行小组讨论：“为什么工程师需要遵循这个流程？”让学生初步感知设计流程的环节。

2.设计

在这一环节中，学生需要收集、运用相关信息设计解决方案。设计流程可以分为以下三步：①确定需解决的问题，明确评价要求。②收集信息，确定最佳解决方案。③绘制设计草图。教师通过zSpace创设任务情境：“想象一下，你有一个宠物剑龙，你需要在后院为它建造一间房子。”引导学生先厘清任务情境中自己需要解决的问题是什么，为了解决这个问题需要考虑哪些因素。然后让学生通过独立思考、讨论交流，将要解决的大问题分解为若干个小问题，形成大致的解决思路。接着学生可以借助计算机、书本等工具进行资料的收集与整理。在拥有了解决问题的相关知识、初步理解了解决问题具体方法背后的原理后，教师组织学生以小组为单位进行讨论，让每个学生阐述自己的想法和方案，并在小组内讨论各种方案的优点与不足，在总结出一个完整的、组内认为最优的问题解决方案后，明确小组成员的分工。最后，学生需要绘制解决方案的模型草图，并思考所需要的材料。

3.原型创建

原型是模型的物理、计算机、数学或概念的实例化，学生能够对原型进行相应的操作和测试。[4]在这个环节中，学生在设计方案的基础上利用zSpace系统中的模型（如木块等）建造房屋原型，并验证所提出的解决方案是否合理。教师在此过程中引导学生运用数学知识来完成原型的构建与验证。

4.评价反思阶段

各个小组在VR一体机上生成并提交小组成果，展现探究过程与成果。在这个过程中，学生要向他人说明本组的设计运用了哪些知识，是如何解决问题的。教师与其他学生则对成果展示进行反馈，提出相关建议，学习小组可以在此基础上进行设计方案和原型的优化，并呈现最终成果。学生与他人进行交流反馈的过程，就是对作品进行优化的过程，他们在不断改进方案的经历中内化对相关知识、方法的理解。

5.小结与拓展阶段

在小结与拓展阶段，教师再次出示工程设计流程图，先让学生在体验完整设计流程的基础上思考以下问题：“工程设计流程为什么显示为一个圆圈？”“工程师为什么需要多次完成该圆圈？”引导学生感悟工程设计的科学性与严谨性。然后，教师引导学生根据之前的活动，结合自己的经验思考“当工程师面临一个难以解决的问题时，他们会做什么”，并引出“快速原型创建”的概念与作用。最后，教师鼓励学生迁移所学知识，针对生活中的问题进行解决方案的设计，完成对日常生活中的问题的探索。

学生在zSpace上完整地完成课程学习后，将学习过程中的反馈与成果以PDF的形式导出，教师可以在此基础上进行课程内容的反思与优化。

五、研究展望

VR一体机辅助下的课程资源开发模式，虽然还需要更多的案例实践来佐证与优化，但研究团队已经开始在这条路上进行探索。从教育与科技相结合的趋势来看，虚拟现实技术将会进一步推进教育教学改革，而这也需要更多学者和一线教师的研究与参与。相信在具身认知理论、敏捷课程和创客教育等理念的支持下，一定会有更多的教师和学生基于zSpace中的资源进行更成熟的课程开发与学习实践。