基于VR技術(shù)的中小學(xué)科學(xué)教育解決方案｜2024年智慧教育優(yōu)秀案例283
【摘要】科學(xué)教育旨在通過(guò)傳授科學(xué)知識(shí)和素質(zhì)培養(yǎng)，讓學(xué)生掌握科學(xué)思維與探究方法。運(yùn)用VR技術(shù)于中小學(xué)課堂，能以其逼真顯示和沉浸式體驗(yàn)，有效激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲，提供身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬科學(xué)世界中自由探索，并通過(guò)直觀展示促進(jìn)對(duì)科學(xué)原理的理解，提升學(xué)習(xí)成效。解決方案從賦能教師、實(shí)驗(yàn)室和學(xué)校三個(gè)角度出發(fā)，深入分析需求痛點(diǎn)，探索針對(duì)性賦能模式，推動(dòng)中小學(xué)科學(xué)教育在學(xué)校的發(fā)展。
一、引言
為全面提升中小學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，2023年5月，教育部等十八部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見(jiàn)》，深入貫徹習(xí)近平總書(shū)記在二十屆中共中央政治局第三次集體學(xué)習(xí)時(shí)的重要講話精神，系統(tǒng)部署在教育“雙減”中做好科學(xué)教育加法，支撐服務(wù)一體化推進(jìn)教育、科技、人才高質(zhì)量發(fā)展。
作為全面部署新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育的專門(mén)文件，《意見(jiàn)》旨在適應(yīng)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)變革需要，從課程教材、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、師資培養(yǎng)、實(shí)踐活動(dòng)、條件保障等方面強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，充分整合校內(nèi)外資源，推進(jìn)學(xué)校主陣地與社會(huì)大課堂有機(jī)銜接，為中小學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)的科學(xué)教育，全面提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，培育具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻(xiàn)身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體?！兑庖?jiàn)》明確，實(shí)施“校內(nèi)科學(xué)教育提質(zhì)計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目。2023年12月，教育部印發(fā)通知，啟動(dòng)了首批全國(guó)中小學(xué)科學(xué)教育實(shí)驗(yàn)區(qū)、實(shí)驗(yàn)校推薦工作。
二、現(xiàn)狀分析
義務(wù)教育階段和普通高中階段的課程標(biāo)準(zhǔn)均提出要讓學(xué)生掌握科學(xué)思維方法，“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素?？茖W(xué)思維是科學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分，讓學(xué)生從小掌握這些方法，有助于培養(yǎng)批判性思維能力、增強(qiáng)解決問(wèn)題的能力、提升創(chuàng)新和研究能力、促進(jìn)終身學(xué)習(xí)、應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)的能力，有助于提高整個(gè)社會(huì)的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力?？偟膩?lái)說(shuō)，學(xué)生掌握科學(xué)思維方法不僅有助于其個(gè)人發(fā)展和學(xué)習(xí)能力的提高，更重要的是，這也是建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)和推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)，對(duì)于國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有重要的意義和影響。
然而，中小學(xué)科學(xué)教育工作的推進(jìn)和發(fā)展卻面臨著教育資源分配不均衡、教師素質(zhì)和專業(yè)發(fā)展水平參差不齊、學(xué)生應(yīng)試教育的壓力、學(xué)生的科學(xué)興趣和參與度不高、學(xué)?？茖W(xué)教育設(shè)施和環(huán)境缺乏等的挑戰(zhàn)。
當(dāng)前，基于VR技術(shù)的應(yīng)用已全面滲入我國(guó)教育系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，形成了VR支持的集體課堂學(xué)習(xí)、小組研討學(xué)習(xí)、自主探究學(xué)習(xí)、職業(yè)技能學(xué)習(xí)和教師素養(yǎng)培訓(xùn)等典型應(yīng)用場(chǎng)景。VR技術(shù)憑借著逼真的顯示能力和沉浸式的交互能力，給教育教學(xué)帶來(lái)了翻天覆地的變化。為應(yīng)對(duì)中小學(xué)科學(xué)教育面臨的種種挑戰(zhàn)，結(jié)合VR技術(shù)的特征優(yōu)勢(shì)，中教將VR技術(shù)作為核心技術(shù)路徑，從而為我國(guó)中小學(xué)科學(xué)教育工作的蓬勃發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力，推動(dòng)其邁向新的高度。
三、方案構(gòu)成
（一）先進(jìn)的裸眼XR便攜終端作為硬件載體
裸眼XR便攜終端，通過(guò)融合前沿的虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)和基于空間定位的交互技術(shù)，打造了一種無(wú)需借助沉浸式頭盔和專用眼鏡的全新體驗(yàn)方式。這種創(chuàng)新的技術(shù)方式使得使用者能夠身臨其境地感受逼真的VR場(chǎng)景互動(dòng)，并欣賞到虛實(shí)交織的AR效果呈現(xiàn)。這種技術(shù)的運(yùn)用不僅支持教師在日常課堂中的常態(tài)化應(yīng)用，還鼓勵(lì)他們進(jìn)行創(chuàng)新型教學(xué)探索，從而滿足多樣化教學(xué)應(yīng)用需求，為教育帶來(lái)無(wú)限可能與活力。
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（二）適配裸眼XR便攜終端的系統(tǒng)課程
小學(xué)科學(xué)課程體系涉及面廣，包含物質(zhì)科學(xué)，生命科學(xué)，地球與宇宙科學(xué)，技術(shù)與工程四大板塊。并且在課程的難度上體驗(yàn)了解大于理解，通過(guò)VR的方式能夠很好的幫助老師和學(xué)生，將抽象的知識(shí)具體化。并且借助VR的交互性，讓學(xué)生以實(shí)踐操作的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，真實(shí)踐行以學(xué)生為中心的設(shè)計(jì)理念。
觀察和實(shí)驗(yàn)是理解和掌握理化生知識(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直接接觸并感知物理、化學(xué)和生物現(xiàn)象，形成對(duì)知識(shí)的直觀理解。在虛擬仿真環(huán)境中，教學(xué)和實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲黄瓶陀^條件的限制，實(shí)現(xiàn)難以完成的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)過(guò)程，從而幫助學(xué)生獲得更加近于真實(shí)的感性認(rèn)識(shí)，有利于提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)及創(chuàng)新能力。學(xué)習(xí)者通過(guò)對(duì)危險(xiǎn)、復(fù)雜、反應(yīng)周期過(guò)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察等實(shí)驗(yàn)的直觀體驗(yàn)，在增加實(shí)驗(yàn)樂(lè)趣的同時(shí)避免了實(shí)驗(yàn)器材的消耗，并且實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境也更加安全。中學(xué)理化生課程同步課程標(biāo)準(zhǔn)中要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，課程內(nèi)容充分呈現(xiàn)課本中的演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。
課程提供的中學(xué)地理資源內(nèi)容以地理課程標(biāo)準(zhǔn)的四大地理核心素養(yǎng)：區(qū)域認(rèn)知、綜合思維、人地協(xié)調(diào)觀、地理實(shí)踐力為基礎(chǔ)，將較大時(shí)空跨度的地理景觀、場(chǎng)景及復(fù)雜的區(qū)域地貌、人文景觀以三維、動(dòng)態(tài)、仿真的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。課程案例：時(shí)區(qū)，利用VR技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)將時(shí)區(qū)動(dòng)畫(huà)以圓柱投影的方式，從平面到球面進(jìn)行切換。學(xué)生還可以拿起模型，進(jìn)行360°觀察，放大、縮小、拆解，直至完全理解。
中學(xué)歷史課程資源以歷史核心素養(yǎng)：時(shí)空觀念、史料實(shí)證、歷史解釋、家國(guó)情懷、唯物史觀為基礎(chǔ)，以擬人化的表現(xiàn)手法和智能化的交互方式，讓文物開(kāi)口“說(shuō)話”，讓“穿越時(shí)空”成為可能，讓歷史“活”起來(lái)。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自主探究，尋訪文明的足跡，觸摸歷史的脈搏，感受華夏文化的獨(dú)特魅力，激發(fā)求知欲、好奇心和想象力。課程案例：司母戊鼎、南海一號(hào)。能夠利用VR技術(shù)，復(fù)現(xiàn)歷史文物和古代的技術(shù)。學(xué)生通過(guò)場(chǎng)景沉浸和人機(jī)交互可以360°自由觀察，縮放進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，充分了解文物的特征和歷史故事，體現(xiàn)出學(xué)生在課程中主體地位。
四、規(guī)劃路徑
為了全方位助力學(xué)校開(kāi)齊開(kāi)足開(kāi)好科學(xué)類課程，提高科學(xué)教育質(zhì)量，解決方案從學(xué)科教師、實(shí)驗(yàn)室及學(xué)校三大主體出發(fā)，通過(guò)不同視角深入剖析其需求痛點(diǎn)，并探索針對(duì)性的解決路徑。方案旨在精準(zhǔn)滿足各方需求，推動(dòng)學(xué)?？茖W(xué)教育的全面發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)整體教育生態(tài)的優(yōu)化與升級(jí)。
場(chǎng)景一：缺少科學(xué)教育專用空間
受限于校園布局的老舊、教室數(shù)量的有限、平行班級(jí)數(shù)量眾多以及班額較大的現(xiàn)實(shí)狀況，不具備建設(shè)各類科學(xué)教育專用教室的條件；普通教室條件有限，主要適用于講授式教學(xué)，不適用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或科學(xué)探究活動(dòng)；教學(xué)方式單一，科學(xué)教育演示與實(shí)驗(yàn)主要以教師演示或播放視頻為主。
需求：克服這些限制，靈活使用現(xiàn)有空間，提升課堂教學(xué)演示與實(shí)驗(yàn)展示的質(zhì)量。
建設(shè)模式一：VR移動(dòng)課堂
在現(xiàn)有空間中配置VR移動(dòng)課堂，實(shí)現(xiàn)”與師同行“的常態(tài)化應(yīng)用，既可在常規(guī)教室中進(jìn)行基于VR技術(shù)的科學(xué)教學(xué)活動(dòng)，也用于線上VR同步教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)，還可用于學(xué)科教研培訓(xùn)及科普類活動(dòng)，多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景為教、學(xué)、研、培、展提供常態(tài)化應(yīng)用的資源保障。
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VR移動(dòng)課堂支持常態(tài)化授課、遠(yuǎn)程課堂、雙師課堂、教學(xué)研討活動(dòng)、師資技能培訓(xùn)、教師備課、科普活動(dòng)等場(chǎng)景。通用應(yīng)用實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，VR移動(dòng)課堂能夠全面覆蓋教學(xué)場(chǎng)景、教研場(chǎng)景中以及校園科普活場(chǎng)景，充分體現(xiàn)了“應(yīng)用為王”，讓VR教學(xué)資源以及VR技術(shù)所帶來(lái)的全新教學(xué)體驗(yàn)發(fā)揮效益最大化。
VR移動(dòng)課堂的應(yīng)用模式，有力地推動(dòng)了VR在教育領(lǐng)域的深度融合和常態(tài)化應(yīng)用，構(gòu)建以教室為中心，貫穿學(xué)校、家庭、社會(huì)等場(chǎng)域的線上線下融合的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，為智能時(shí)代的學(xué)習(xí)者提供更加優(yōu)質(zhì)、靈活和個(gè)性化的學(xué)習(xí)支持服務(wù)，促進(jìn)教育公平和高質(zhì)量發(fā)展。
圖3 VR移動(dòng)課堂應(yīng)用場(chǎng)景
場(chǎng)景二：功能升級(jí)需求——為現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室賦能
需求1：現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室利舊，要求提升理化生實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室在基礎(chǔ)設(shè)施方面基本完備，但部分器材較為陳舊，這在一定程度上影響了理化生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量提升。
需求2：新落成的實(shí)驗(yàn)室，旨在引領(lǐng)教學(xué)功能的革新。實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施完備，不僅滿足基本的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，涵蓋經(jīng)典實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，更要融入前沿科技，支持更多元化、探究性的學(xué)習(xí)活動(dòng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容提出了全新的要求。
模式二：VR技術(shù)賦能常規(guī)實(shí)驗(yàn)室
VR技術(shù)的引入為常規(guī)實(shí)驗(yàn)室?guī)?lái)了革命性的變革，它主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的高投入、高風(fēng)險(xiǎn)以及高損耗等核心問(wèn)題提供了有效的解決方案。同時(shí)，VR技術(shù)也成功攻克了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)、難以觀摩以及難以再現(xiàn)的難題，從而極大地提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果與質(zhì)量。
為了充分賦能學(xué)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室，解決方案僅需確保實(shí)驗(yàn)室具備電到桌的基本實(shí)施條件。這一方案不僅即插即用、免布線、不產(chǎn)生干擾，更實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)便攜與輕便易收納，確保與現(xiàn)有器材管理和諧共存。此外，解決方案還致力于提供更友好的用戶體驗(yàn)，適配市面上大部分理化生實(shí)驗(yàn)室廠家的多規(guī)格產(chǎn)品，確保兼容性與通用性，為學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的升級(jí)改造提供一站式解決方案。
圖4 賦能學(xué)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室
場(chǎng)景三：專用空間需求——打造復(fù)合型科學(xué)教育創(chuàng)新空間
學(xué)校具備充裕的空間條件，比如：創(chuàng)新教室、專用教室、科學(xué)教育空間等，計(jì)劃打造為建設(shè)標(biāo)桿樣板，承擔(dān)本?？茖W(xué)教育成果展示與宣傳功能。
需求：打造學(xué)?？茖W(xué)教學(xué)特色空間。要求能夠承擔(dān)自然科學(xué)，工程科學(xué)，社會(huì)科學(xué)、人文科學(xué)等方向的教學(xué)應(yīng)用需求，具備先進(jìn)的教學(xué)、交互、體驗(yàn)技術(shù)，能夠提供相關(guān)的授課與學(xué)習(xí)資源，為科學(xué)教育教學(xué)提供軟硬件支撐。
模式三：基于VR技術(shù)的復(fù)合型科學(xué)教育創(chuàng)新空間
建設(shè)一間以VR技術(shù)為核心的復(fù)合型科學(xué)教育創(chuàng)新空間，借助VR實(shí)驗(yàn)操作展示、VR實(shí)驗(yàn)探究、多學(xué)科項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等手段，達(dá)到強(qiáng)化學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目的。
方案精心打造了一站式教學(xué)與學(xué)習(xí)平臺(tái)。該方案不僅為教師提供了先進(jìn)的教學(xué)設(shè)備，以優(yōu)化備課與授課流程，同時(shí)也為學(xué)生配備了個(gè)性化的學(xué)習(xí)工具和小組探究設(shè)施，以滿足不同學(xué)習(xí)方式的需求。
在資源配備上，特別針對(duì)小學(xué)和中學(xué)階段的教育特點(diǎn)，整合了豐富多樣的教學(xué)資源，涵蓋小學(xué)科學(xué)、中學(xué)地理、中學(xué)歷史、中學(xué)物理、中學(xué)化學(xué)、中學(xué)生物及科普類等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。這些資源內(nèi)容既科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)又生動(dòng)有趣，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。
此外，創(chuàng)新空間還配備了通用設(shè)備以及學(xué)科文化產(chǎn)品，為教育教學(xué)提供有力支撐。我們注重空間環(huán)境的營(yíng)造，力求打造一個(gè)既充滿科技感又充滿人文氣息的學(xué)習(xí)環(huán)境。
在培訓(xùn)與服務(wù)方面，提供線上與線下相結(jié)合的混合式應(yīng)用培訓(xùn)，幫助教師快速掌握VR教學(xué)技能。同時(shí)，提供公開(kāi)課、學(xué)術(shù)活動(dòng)等教研活動(dòng)的組織與實(shí)施服務(wù)，為教育教學(xué)提供全方位的服務(wù)支持。
圖5 解決方案框架
創(chuàng)新空間的效果呈現(xiàn)
結(jié)合中小學(xué)科學(xué)教育的各個(gè)階段和研究方向，重點(diǎn)支持和協(xié)助打造具有針對(duì)性的專用教室。具體而言，小學(xué)階段應(yīng)側(cè)重于建設(shè)科學(xué)專用教室，以提供一個(gè)充滿探索氛圍的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的好奇心與科學(xué)興趣。進(jìn)入中學(xué)階段，則應(yīng)根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)，分別打造自然科學(xué)方向（物理、化學(xué)、生物、地理）、工程科學(xué)方向（創(chuàng)客、Steam、人工智能、機(jī)器人）、社會(huì)科學(xué)方向（經(jīng)濟(jì)學(xué)、政治學(xué)、歷史）和人文科學(xué)方向（文學(xué)、歷史、哲學(xué)、藝術(shù)）的專用教室。這些專用教室不僅能夠滿足學(xué)生們深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐的需求，更能夠促進(jìn)他們?cè)诟髯愿信d趣的領(lǐng)域里進(jìn)行專業(yè)化和系統(tǒng)化的探索，從而全面提升他們的科學(xué)素養(yǎng)和綜合能力。通過(guò)這樣的布局與支持，我們期望能夠?yàn)閷W(xué)生們營(yíng)造一個(gè)既充滿樂(lè)趣又富有挑戰(zhàn)性的科學(xué)教育環(huán)境，助力他們?cè)诳茖W(xué)的道路上不斷前行。
圖6 效果呈現(xiàn)
VR支持的沉浸式學(xué)習(xí)是智能時(shí)代的重要學(xué)習(xí)方式之一。通過(guò)這一創(chuàng)新空間解決方案的實(shí)施，我們期待能夠推動(dòng)科學(xué)教育的創(chuàng)新發(fā)展，提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的學(xué)生。建設(shè)基于VR技術(shù)的復(fù)合型科學(xué)教育創(chuàng)新空間，將成為學(xué)校在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能升級(jí)方向的最優(yōu)實(shí)踐路徑。
