VR技术在初中生物项目式教学中的应用

张莹 杨 圆 杨贝贝 张芷静

（陕西师范大学 教育学部，陕西 西安 710000）

一、引言

项目式教学将学生置于真实的问题情境中，融合学科背景知识，引导学生主动探索问题，充分发挥学生的主体地位。随着信息技术的飞速发展，VR 技术在基础教育领域的应用研究有明显的增长趋势，对教学效果产生了总体较为积极的影响[1]。VR 技术在学科教学中的应用已经屡见不鲜，传统生物课堂的教学模式亟须革新。虚拟场景体验是VR 技术应用于生物课堂最大的优势。2021 年，赛迪研究院发布《虚拟现实产业发展白皮书（2021 年）》，目前虚拟现实技术在K12 教育阶段已经得到一定范围的应用，正在积极推动基础教育信息化高质量发展。新课改下初中生物学科强调全面提升中学生的生物学素养，倡导学生自主学习，教师需要引用新的技术手段，创新教学模式，突破传统教学模式的局限。将基于VR 技术的项目式教学引入生物课堂，为学生提供虚实结合的探索空间，可以提升学生对生物学的理解力，提高教师的教学效率。

二、初中生物教学中存在的问题

初中生物教材涉及的抽象内容较多，但教师组织的课堂实验活动较少，学生对生物学概念的理解不深刻，停留在表层，师生缺乏互动，没有形成良好的教学氛围。在教学理念上，多以教师讲授为主，学生缺乏探究，对知识的理解较浅，长此以往，学生的兴趣大幅度降低，学习效果不理想；在教学方式上，教师在实践教学中，教学方式单一、落后，缺乏创新，难以调动学生的学习积极性，生物课堂枯燥；在角色定位上，教师在教学中对自己的定位模糊，学生的主体地位没有在教学中得到充分体现，阻碍了学生的生物学科核心素养的提升。新媒体背景环境下，教师应创新教学模式，构建激发学生学习热情的高效生物课堂，将新型信息技术应用到实践教学中，探索新的教学模式。在项目式教学中引入VR 技术，结合教材内容，利用虚拟场景，通过生动化的体验式学习方式激发学生的学习兴趣，寓教于乐，提高教学效率。

三、VR 技术与生物项目式教学结合的可行性和优势分析

（一）VR技术特点

VR 技术具有构想性、沉浸性和交互性三大特征，这些特征极大地克服了传统教学环境的限制，有利于激发学习者的学习动机，增强学习体验，实现情境学习和知识迁移[2]。虚拟现实技术能够还原真实的场景，并与虚拟场景中的对象进行交互，让学习者沉浸在虚拟世界中。VR 技术可以实现微观的3D 场景，如帮助学习者进行一次穿越人体的探秘旅程，模拟呈现人体真实的消化系统结构，向学生动画演示食物进入人体消化系统的整个反应过程。

（二）项目式教学特点

项目式教学遵循“以学生为中心”的教学原则，强调自主学习，学生围绕某一个真实且与现实生活紧密结合的问题，主动探究，解决问题。项目式教学为学生提供了一个真实的、引人入胜的学习情境，在解决问题的过程中，学生能够充分利用丰富的信息化工具资源开展项目学习。项目式教学将学与用合二为一，在探究现实问题和创作项目作品的过程中，学生的批判性思维能力、问题解决能力、语言表达能力都得到发展[3]。

（三）项目式教学引入VR技术的优势

1.提高学生的参与度

常规的项目式教学在实施过程中，缺乏真实情境，学生在项目实践中对复杂、抽象的生物知识的学习探索仍存在困难。在项目式学习活动中，许多学习项目在实际实施中容易演变成学生被动参与，学生容易变成项目活动中的旁观者。而引入VR 技术后，学生在进行虚拟体验时会更加投入，学生的团体参与度也更高。由于学生的学习能力、知识基础和性格特点等的不同，在项目式教学实施过程中经常会遇到一些阻碍，如部分学生学习积极性和参与度较低，存在浑水摸鱼的现象。因此，提供一个能激发全体学生学习兴趣的项目环境尤为重要，确保每个学生都能主动参与到知识探索的活动中。

2.增强学生对知识点的理解

传统生物课堂教学中，师生互动环节较少，多以讲授、PPT 展示为主，学生探究体验部分受到限制，大多依赖死记硬背、重复记忆的学习方式。引入VR 教育资源，创设虚实结合的教学情境，即“真听、真看、真感觉”，将复杂知识简单化，学生的学习效果更佳。生物学科中的许多核心知识可以借助技术手段用更生动的方式呈现，如学生佩戴VR 眼镜和头盔，3D 生物模型出现在学生视野中，学生操作VR 手柄，模拟操作真实的眼球解剖过程，加深学生对眼部结构的认识，更有利于学生对生物抽象概念的理解。

3.提高学生的专注力

虚拟现实沉浸式教学环境提供了多通道感知和复合型信息检索的机会，能够帮助学习者集中注意力和深层次信息检索[4]。VR 技术应用于项目式教学，提供沉浸式的体验和别样的角色代入，对学生具有很强的吸引力，学生在交互体验中探索新知，大大提高了学习兴趣，寓教于乐，学生学习的主动性更强，学习专注力更高。

四、基于VR技术的项目式教学模式

在国内项目式学习实践应用中，张文兰、张思琦等人从国家课程重构的视角，提出了网络环境下基于课程重构理念的项目式学习模式，包括项目设计、项目实施和项目评价等环节，强调学生在真实情境中探究问题。本文项目式教学模式构建中，结合了张文兰提出的项目式学习的核心环节，并介入新技术，引入VR 教育云平台，该模式下的项目实施将具有高度的体验感。在专门为学生创设的虚拟现实环境中，项目探究任务切合教材主题，紧扣教学目标，将VR 技术自身的优势与项目式教学结合，有利于深入开展项目式教学，学习成效也会显著。笔者重新考虑了项目式教学模式的元素，综合分析了VR 技术与项目式教学结合的可行性与优势，根据基础教育实践教学的特点，构建了基于VR 技术的项目式教学模式，具体结构见图1。

（一）VR教育云平台

VR 教育资源设计采用飞蝶公司自主研发的VR 沉浸式教育云平台，该平台主要包括VR 智慧教学管理系统，XR 课件创编工具，优质课程资源等。平台支持虚拟现实技术教学形式，通过5G、虚拟现实、人工智能等技术，融合基础教育各学科知识，让学生在虚拟世界的知识情境中进行体验式、互动式学习。此外，平台实现了VR 沉浸式教学管理模式，辅助教师教学，提升教学效果。借助VR 技术创设高逼真、多感知的学习情境，带给学生可交互、可探索的沉浸式学习体验。在这种高度自由的交互体验中，易于激发学习兴趣，引导学生积极投入到复杂问题的解决中，注重学习的过程，充分发挥学生的主体地位，满足数字时代高效教学的需求，助力基础教育创新发展。

（二）项目设计

项目设计是项目式教学实施的前提，由学科教师、教研专家和VR 教育资源开发团队等共同设计、开发完成。学科教师和教研专家负责对教材的精准解读以及前期脚本的设计，并与技术团队及时沟通、反馈。脚本设计通过后，技术团队完成后期脚本的开发与测试，制作出符合学科课程目标的虚拟教学资源，并保障其能在虚拟教学平台上运行。

（三）项目实施

项目实施包括情景引入、问题解决、实践探究、沉浸学习、交互创作等步骤，是项目式教学的核心。学生是项目实践的主体，在虚拟现实教学系统中，学生利用教师提供的技术工具，如头盔、手柄等，完成别具一格的交互体验式学习任务。在此期间，教师可通过显示屏观察学生探索学习的具体情况并提供及时的指导，帮助学生完成项目任务。在项目式教学实施过程中，教师的身份是多重的，在项目开展前，教师是项目的设计者，确定好契合所授学科知识的项目主题，紧扣课程目标，不脱离实际；在项目活动开展中，教师又是观察者和引导者，为学生提供项目学习资源，观察学生在整个项目实施中的变化，给予指导和帮助。

（四）项目评价

项目评价主要包括作品展示和总结反思，是整个项目式教学的重要组成部分。项目式教学评价的方式丰富多样，学生自评、小组互评以及学生实践过程中的具体表现等均可作为评价的依据，并且项目作品也是评价的主要依据。评价贯穿项目学习的全过程，注重培养学生的问题解决能力、创新能力。在该模式中，教师可借助技术工具观察记录学生在项目实践过程中的表现，如通过视频记录学生在交互活动中的具体操作，即时指导并做出相应的评价。最后，由参加项目的所有人员对该项目的所有环节进行反思，查漏补缺，为新项目的设计与开发提供建议，设计出更多优质的项目式教学案例。

五、基于VR 技术的项目式教学在初中生物课程中的实践

《义务教育生物课程标准》指出，生物学课程要求学生主动参与学习过程，注重学生探究体验式学习，以提高学生生物科学素养为主要目的。本文以初中人教版生物上册中的《开花和结果》为例，介绍基于VR 技术的生物项目式教学的实施过程，教学实施过程主要包括五个环节：第一，确定项目主题，项目主题紧扣生物教材知识；第二，需求分析，确保教学活动符合初中生的知识能力水平；第三，创设教学环境，还原真实的生物知识场景，让学生交互体验；第四，项目反思，从学生的角度出发，遵循一切教学服务于学生的原则；第五，项目评价，采用教师点评、学生互评的方式对学生的作品以及活动过程中的表现等进行评价，并根据反馈改进项目，完善项目设计。

（一）确定项目主题

教师和技术组借助虚拟现实教学系统，构造出奇妙的项目活动场景——花果山水帘洞，让学生在生动有趣的教学环境中自主探索学习，在虚拟场景中多维度呈现生物知识，调动学生多感官参与。学生进入虚拟空间后，与动画人物孙悟空展开对话，学生仿佛置身于真实的花果山中，人与物完美融合在一起。项目引入场景极具故事性与趣味性，一开场就抓住了学生的注意力，极强的逼真感有利于激发学生对生物的学习兴趣。

（二）需求分析

生物学是自然科学六大基础学科之一，初中生物课程强调学生在生物学知识、科学素养、创新思维等方面应全面发展。初中生已具备一定的操作能力，可以在教师的引导下快速掌握VR 手柄的基本操作（如通过手柄放大、缩小桃花模型），且对新事物的好奇度高，佩戴VR头盔，进入虚拟世界沉浸式探索，学习效果更佳。

（三）项目活动探究

利用XR 虚拟现实编程软件提供的海量的VR 学科教学资源，创设生动有趣的花果山闯关学习情境，设置多个“闯关”学习任务供学生自主探索，激发学生对本单元学习的浓厚兴趣。在虚拟场景中全方位展示3D 桃花模型，最大限度地还原真实的传粉和受精的过程，让学生体验到真实世界中不易观察的微观场景。学生佩戴VR 头盔，进入花果山虚拟探索空间，孙悟空动画角色腾空出现，引领学生互动学习，学生扮演穿越时空的角色，愿意主动体验更多的学习活动。在虚拟空间里，学生可获得沉浸式的虚拟学习体验，如通过手柄放大观察3D桃花模型，利用系统提供的“解剖”功能，剥离花瓣，对花瓣的每一层结构都能够清晰地观察和自由交互，传统生物课本中抽象的知识在虚拟场景中真正“活”了。此外，学生以闯关这种游戏化的方式进入到该课程不同模块的探究学习，每个关卡的情境都紧密围绕课程知识模块，贴合教学需求，有利于加深学生对抽象概念的理解。具体设置有：第一关——“花的结构”、第二关——“雄蕊雌蕊组成”、第三关——“传粉和受精”、第四关——“果实和种子的形成”，学生自主解决不同模块中的问题，对新知识的学习变得轻松和愉悦，有利于帮助学生建构生物知识体系。具体学习内容和探究活动如表1所示。

表1 VR 项目活动实施

（四）项目反思

在该案例中，需要对项目的主题、VR 教育资源的选择、项目探究等环节进行总结与反思，查漏补缺，完善教学设计。如学生对VR 手柄的操作是否需要进一步熟悉、虚拟现实沉浸式学习中教师的指导是否及时以及学生在实践探索中的时长是否合理等。

（五）项目评价

在“开花和结果”案例中，学生在虚拟空间中通过手柄“复原”桃花结构，显示屏中记录学生复原过程，由小组交流评价手柄复原桃花的过程中出现的问题。学生在虚拟空间中使用“时空加速”功能，观看了桃花变成果实的全过程，学生可以在教师的指导下使用XR 编程软件，利用VR 图形化软件系统提供的相关学习资源，完成作品创作。最后可通过小组互评的方式对作品进行评价，促进生物教学质量全面提升。

六、总结

本文分析了当前初中生物教学中存在的问题，阐述了VR 技术与生物项目式教学的可行性和优势，结合实际教学提出了基于VR 技术的项目式教学模式，并以《开花和结果》生物课程为例，介绍了基于该教学模式的实施过程。对于生物学科而言，笔者认为将VR 技术应用于项目式教学实践中，能让学生更加亲近大自然，快速掌握生物学知识，相比传统的PPT、图片、视频等多媒体，基于该模式下的生物课堂可以提供学生别样的体验感。教育工作者与VR 技术开发者应合力推进虚拟现实技术与基础教育的融合，结合各学科教学特点，开发出适用于生物课堂教学的优质资源，将虚拟现实技术的优势充分应用到教学实践中。