3DVR 技术在小学科学课堂中三揭暗箱应用研究docxWord格式.docx

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以上七类难点,学生渴望亲身经历探究,但是传统手段无法实现,如果就此放弃探究,或是简化探究,都会辜负学生的好奇心和求知欲,让师生倍感遗憾!

针对以上七类难点,有学者校申请到了一套未来立体的3D/VR桌面级虚拟交互一体机､为每一位学生配备了3D立体眼镜,将学校录播室作为有学者们的3D/VR实验室,在有学者校科学组全面开展“3D/VR技术在小学科学课堂教学中的应用研究”课题,力求通过有学者们的研究扫除教学盲区｡本研究主要以《骨骼､关节和肌肉》､《食物在人体中的旅行》､《生活中的静电现象》三课为例,从不同角度讲述3D/VR技术在“揭暗箱类”教学中创新应用的小故事｡

一、“三揭暗箱”智探究，虚实结合慧课堂。

经过一段时间探索研究,笔者发现科学课“揭暗箱类”的教学内容,应用3D/VR技术有三种不同的揭示方式｡有的适合由外向内,一层层揭示事物隐藏的秘密,如《骨骼､关节和肌肉》适合虚拟解剖,由外向内层层揭示;

有的适合进入内部一探究竟,如《食物在人体中的旅行》以沉浸式探究,把学习者自己当做食物仿真进入到人体消化器官中去旅行､去探索;

还有的适合变抽象为形象让不可见的事物可视化,如《生活中的静电现象》就是将抽象电荷概念通过虚拟技术变得形象化的典型课例｡

（一）3D/VR技术“一揭暗箱”——虚拟解剖，由外向内层层揭秘｡

《骨骼､关节和肌肉》的科学概念目标:

“身体的肢体活动由骨骼､关节和肌肉共同完成,不同的运动形式,骨骼､关节和肌肉的组合结构也会有不同｡”概念目标中的两个关键词

“共同完成”和“组合结构”，对于四年级的小学生来说十分抽象。

要让孩子们理解，就要让孩子们看到骨骼､关节和肌肉的生长位置､在肢体活动中的分别是怎么动作的?

例如曲臂运动,孩子们通过触摸自己的手臂,只能体会到肱二头肌鼓起来,但是看不到它的肌肉头具体长在哪根骨头上?

传统PPT､2D图像是静止的看不到三者共同完成运动的样子,2D视频能看到去掉皮肤组织的肌肉群与骨骼､关节共同完成运动,但是不能拆分､去掉遮盖在肱二头肌､肱三头肌上的其它肌肉,无法清楚地聚焦动态展示与曲臂运动相关的骨骼､关节和肌肉三者的协调运动,更无法看清相关肌肉的肌肉头附着在骨骼上的具体位置，更不要说交互性操作｡这还仅仅是目标呈现困难重重｡此外,学生对“骨骼､关节和肌肉”三个基本概念的认知是模糊不清的｡对于“谁能动?

”这个问题,学生还受多种错误或者片面的前概念干扰,有的学生认为骨骼会动,带动肌肉运动;

有的学生认为关节会动,带动骨骼､肌肉运动;

有的学生认为骨骼､关节和肌肉都会动｡对于骨骼､关节和肌肉的组合结构,有的学生认为肌肉是长在同一根骨骼上的……再看过程与方法目标:

“能够在观察的基础上,解释……”然而,传统的方式不能满足观察,观察不清楚,如何解释?

更不要说“完善和修正自己的认识”了｡

针对以上困难,本课以上肢屈伸运动为例,围绕“骨骼､关节和肌肉是什么——有什么变

化——怎样变化”这一系列问题,沿着揭暗箱的思路,首先借助观察实物模型（认识骨骼､关节,但是看不到肌肉,因为肌肉被皮肤遮盖）——再借助3D交互课件（认识肌肉）——然后通过体验活动:

触摸自己的手臂（体验骨骼､关节和肌肉的运动,但是小朋友肌肉不发达,触摸效果不明显,而且现在是冬季衣服穿得多,看不到）——再借助观看二维视频（发现手臂屈伸运动与肌肉变化有关,但是看不到皮

肤以下的结构）—

—再通过教师自创的模拟实验（发现肌肉与骨骼､关节的结构关系,但是还不能完全展现事实）——再借助二维解剖图（展示在屈臂运动､伸臂运动中,上肢骨骼､关节和肌肉的组合结构和两个静态动作的肌肉变化｡但是,二维解剖图片不能动,看不到三者的协调运动｡）——最后借助3D/VR交互课件虚拟解剖（观察骨骼､关节和肌肉的协调工作的动态效果,逼近事实）,这样一步一步引导学生掲开手臂

运动的暗箱,整个探究过程具有由表及里,层层深入的层次感和递进性｡

其中,值得一提的是帮助学生弄清楚“呈现并探究——骨骼、关节和肌肉的组合结构以及三者在实现运动中所担负的作用，然后再帮助学生

理解三者在运动中的协调关系”是关键｡笔者自主创新设计了一套“骨骼､关节和肌肉的组合结构”模拟实验,帮助学生通过实验,动手操作,亲身探究体验肌肉生长的位置和实现运动的原因突破认知难点;

再进一步通过笔者自主创新设计的3D/VR交互课件揭示暗箱的操作功能,通过虚拟解剖,一层层由外向内揭开皮肤组织､揭开无关肌肉组织,帮助学生理解“不同的运动形式,骨骼､关节和肌肉的组合结构也会有不同”3D/VR交互课件可以具体展现相关肌肉的生长位置关系和骨骼､关节､肌肉三者的协调运动的关系｡

本课在使用新技术的同时,教师不忘科学课的核心素养是科学实践和科学探究,能够动手实验体验的部分决不能用新技术取代!

教师自主创新设计的模拟实验——探究骨骼､关节和肌肉的组合结构,让学生有机会通过动手操作,体验肌肉对骨骼的牵引,通过尝试在骨骼上寻找适当的位置安装肌肉,发现骨骼､关节和肌肉的组合结构以及领悟三者在运动中的协作关系｡此外,为了帮助学生进一步深入领悟骨骼､关节和肌肉的协调运动,笔者还创新设计了吊车､挖土机上类似结构——液压杆的仿生学应用的3D/VR交互课件,通过同时操作液压杆和手臂的屈伸运动,来理解和拓展骨骼､关节和肌肉的组合结构和协调运动关系｡从而领悟单元的核心目标,人体的结构和功能是相适应,身体的各种活动都需要各个系统的协调运作｡

在《骨骼､关节和肌肉》这课的困难面前,3D/VR技术中突显出虚拟解剖､层层揭秘､交互操作的优势｡

（二）3D/VR技术“二揭暗箱”——沉浸式探究，进入内部一探究竟。

《食物在体内的旅行》的教学重点:

认识人体的消化器官（人体的消化器官包括口腔､食道､胃､小肠和大肠,每个器官都有各自的功能｡食物在人体内会按顺序进入这些消化器官,被消化吸收｡）了解消化器官的功能和特征,带领学生建立系统和有联系的观点｡教学难点:

认识众多消化器官及其消化食物的顺序,带领学生建立系统和有联系的观点｡即食物消化是由多个消化器官共同协作完成,器官的功能是由结构决定的｡（学生的前概念五花八门,有的不认为口腔是消化器官;

有的不认为大肠､小肠是消化器官;

有的消化器官顺序混乱;

有认识消化器官是孤立存在的……）在传统教学中帮助学生认识众多消化器官及其消化食物的顺序就已经难倒有学者们一线教师,有学者们往往利用PPT､2D视频､人体消化器官模型帮助学生认识口腔､食道､胃､小肠和大肠,每个器官的功能以及食物进入这些消化器官的顺序｡但是,一节课下来,老师口干舌燥､汗流浃背,学生头晕脑胀､苦苦折磨记忆中枢还是记不全､要出错!

更不要奢望

“带领学生建立系统和有联系的观点”了!

此外,在课堂上使用人体内脏模型,孩子们会发出害怕的唏嘘声｡他们不喜欢看到一具僵硬､冰冷､打开内脏的塑料人体半身模型（还能抠出半边脑花）像一具尸体,摆在自己面前｡特别是一些胆子小的孩子,他们告诉有学者,科学器材室里有

“鬼”,他们害怕｡虽然老师一再强调,世界上没有鬼,但是没有多大效果,害怕的孩子仍然害怕,每一批学生学到这课,只要使用人体半身模型,就是这个效果｡

利用3D/VR技术改变了学生的学习方式,

在这课的虚拟探究活动中,更适合学习者带上3D眼镜,把自己“扮演”成一种食

物,“进入”到3D动漫人体消化器官中去旅行,开展虚拟沉浸式探究｡孩子们不仅觉得把自己“扮演”成一种食物好好玩,而且身临其境地进入3D/VR虚拟动漫世界符合孩子们的年龄特征和心理特征,其视觉冲击效果让孩子们兴奋不已!

在整个学习的过程中,3D/VR视频的效果是立体的,让人感同身受的｡若有学者们播放的是2D

视频,给学生的感觉自己是局外人,缺乏旅行的体验,

同时呈现出来的内容也

是抽象的人体器官,而且由于技术关系,很多

细节学生感兴趣和想了解的无法呈现｡但是在

3D/VR技术环境下,首先给人的视觉冲击效果很强烈

｡身临其境的感觉,可以让学生以旅行者主体身份自居,提高他们的参与度和

获得感｡在3D视频呈现时,学生可以体验自己作为食物“依次进入”每个消化器官的感受和发现｡这样,让学生非常清晰的“经历”食物到达每个消化器官的过程和食物被消化的过程,让他们可以更清晰地

“看到”到各个消化器官的结构特征和功能｡这样的沉浸式体验调动学生多种感官深刻的认识到

人体内部的结构和功能,还可以一定程度上满足学生想要钻进身体里看一看的求知欲,激发他们继续深入探究的兴趣｡3D/VR技术的沉浸式探索揭秘,将学习体验变得轻松､好玩,记忆深刻｡

（三）3D/VR技术“三揭暗箱”——创造虚幻情景,变抽象为形象｡

《生活中的静电现象》旨在让学生知道静电现象是物质在外力作用下,发生电荷转移而形成的｡同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引｡如果电荷能持续地向一个方向流动,就会产生电流｡这些是学生们建立电概念的基础｡教学重点:

解释静电现象｡教学难点:

探究正负电荷

的相互作用｡以前教学这课时,有学者一直认为学生已经有丰富的静电现象生活体验,这课只要让学生充分实验探究就能借助吸引轻小物体“看到”静电现象,通过实验,就能看到摩擦后的气球之间的相吸､相斥现象,这就够了｡但是考试下来,始终不理想｡关于电荷概念,填空题错误率很高｡关于解释静电现象和电荷之间的相互作用,很多学生也答不清楚｡更不要说对“电荷在电路中持续流动起来可以产生电流”的理解了｡为什么有学者们实验做得很充分,学生对这课的目标还是不能落实掌握?

学习者不仅可以通过逻辑的方式进行学习,更主要是通过形象化方式进行学习｡早有学者指出:

“形象化思维比抽象化思维（逻辑）思维更广泛,逻辑思维只是解决

科学问题,形象思维是把还没有形成科学的前科学知识都利用起来”｡1事实上,电荷是肉眼看不到的事物,学生理解起来十分困难｡传统的PPT､图片､2D视频不能形象､生动､立体地展示“通过摩擦等方式可以使物体带电”的过程｡电荷之间的相互作用也是肉眼看不见的抽象概念｡难怪学生并没有真正理解物体静电现象产生的原因,考试的时候当然无法正确答卷｡

3D/VR技术不仅能够仿真地模拟客观世界,还可以创造出许多的虚幻情景,比如现实生活中无法观察到的,或者无法再现的事件和过程｡由此,学习者在虚拟世界的体验有可能是真实世界的仿真,也有可能是一个抽象概念的形象

化｡学习者不仅仅可以通过逻辑的方式进行学习,更主要是通过形象化方式进行学习,实现了形象思维和逻辑思维的结合｡在《生活中的静电现象》一课教学中,在研究“为什么有学者们通常感觉不到物体带电呢?

”和“物体在什么情况下显示带电呢?

（即静电现象是怎么产生的?

）”两个问题时,教师先让学生尝试利用逻辑推理解释,再通过3D

视频揭示正电荷与负电荷的虚拟情景,以及摩擦导致电荷转移的虚拟情景,帮助学生形象地体验到物体显示带电与不显示带电的原因｡从而联系实际生活中的静电现象,使学生领悟到生活中的静电现象产生的原因｡在探究电荷之间的相互作用的实验环节时,如果能够利用平板的拍摄视频功能,就能更加形象地看到同种电荷相互排斥､异种电荷相互吸引的实验现象,再结合3D视频“电荷之间相互作用”的虚拟情景,沿着从实验探究——实验现象——虚拟情景——抽象出静电现象规律的课堂研究轨迹,将更有利于促进形象思维和逻辑思维的结合

｡在使用3D/VR技术形象化演示静电现象产生原因和电荷相互作用以后,期末考试的反馈目标达成度十分理想｡事实证明,3D/VR技术创造虚幻情景,变抽象为形象对一些抽象概念的形象化理解落实是有效的｡

二､应用技术重发展，融合创新显优势。

从3D/VR技术在科学课堂“三揭暗箱”的实例可见,新技术的融合创新应用大有用武之地。

通过对“三揭暗箱”的实践研究，笔者收获了以下五个方面从实践到认识层面的进步。

（一）注意3D/VR技术使用的适切性,关照学习者的使用体验｡考虑3D/VR眼镜戴的时间过久,会给小学生带来不舒服的感受,并且不利于小学生视力发育｡在3D/VR课例的教学中,教师关注新技术应用的必要､适度和贴切,在非用不可时才用｡能用直接触摸､肉眼观察解决的问题,就不用图片,能用图片解决的问题就不用视频,能用视频解决的问题,就不用3D视频或交互课件｡在必须要用的时候,将新技术用到刀刃上,发挥它的必要价值｡例如《骨骼､关节和肌肉》有三处使用3D交互课件——第一处认识肌肉;

第二处观察骨骼､关节和肌肉的协调

1钱学森主编，关于思维科学[M].上海：

上海人民出版社，1986：

157.

工作的动态效果;

第三处挖土机上液压杆对手臂上骨骼､关节和肌肉组合结构的仿生应用的动态类比观察｡这三处,第一处是揭示皮肤遮盖的肌肉结构的暗箱,第二处和第三处都需要动态演示骨骼､关节和肌肉的动态协调关系,需要反复操作､观察三者的结构与功能,这是其他媒体无法取代的,这样的演示深受学生喜爱,直观易懂｡

（二）创新设计模拟实验和3D/VR交互课件,虚实结合实现学生由“理解”迈向“领悟”的智慧课堂｡针对《骨骼､关节和肌肉》教学重难点,笔者自主创新设计了一套模拟实

验,帮助学生通过实验,动手操作,亲身体验肌肉生长的位置和实现运动的原因突破难点;

再进一步通过笔

者自主创新设计的3D交互课件揭示暗箱,帮助学生理解肌肉的生长位置和骨骼关节肌肉三者的协调运

动的关系突出重点｡实验探究与虚拟交互课件操作相结合的融合式教学,大大提高了学生对教学重难点的

理解水平｡正如有的学者提出:

“智慧在于人对客观世界和人生两方面的深刻地理解以及透彻的领悟,智

慧其实是‘理解’再向前走几步到‘领悟’｡”这样的虚实结合,正是助推学生由“理解”迈向“领悟”的良方｡2

（三）3D/VR技术改变了教学内容的呈现方式,实现了教学活动的层次感和递进性｡从教学内容的呈现看,《骨骼､关节和肌肉》以上肢屈伸运动为例,围绕“骨骼､关节和肌肉是

什么——有什么变化——怎样变化”这一系列问题,沿着揭暗箱的思路,由外及内､由浅入深,在主体探究学堂的教学理念框架下,通过观察､体验调动学生在探究活动中,主动参与､积

极思考,以观察､体验､模拟､交互演示来层层递进揭示暗箱,做出解释,从而有效落实教学目标,使学生相应的科学素养得到尽可能充分地发展｡

（四）多技术融合环境和虚拟情景创设改变了教师的教学方式,促进形象思维和逻辑思维的结合｡计算机信息技术不仅把“左脑革命”向前推进了,也使“右脑革命”的实现变得

更现实了｡3D/VR技术不仅能够仿真地模拟客观世界,还可以创造出许多的虚幻情景,比如现实生活中无法观察到的,或者无法再现的事件和过程｡由此,学习者在虚拟世界的体验有可能是真实世界的仿真,也有可能是一个抽象概念的形象化｡学习者不仅仅可以通过逻辑的方式

进行学习,更主要是通过形象化方式进行学习,实现了形象思维和逻辑思维的结合｡关于多技术融合环境,除了平板电脑,有学者们发现3D/VR技术也十分适合与希沃白板､鸿合白板､互联网

等许多新技术融合应用于小学科学教学｡实际上,只要能构建学习者高度参与､教学目标高效落实､学生学科素养充分发展的智慧课堂,就是有学者们想要追求的理想课堂｡

（五）3D/VR技术改变了学生的学习方式,多感知促进认知｡传统上,人们利用计算机处理信息时,人们以往的经验､知识是以数字化形式存储在数据库内,学习者对数字化单位信息进行认知,从以定量为主的结果中得到启发,而加深对事物认识｡而在VR系统中,学习者可以调动多种感官,参与到计算机信息处理环境中,实时地､全方位地获取信息｡学习者是基于过去已有的经验､现实体验和VR系统的现时输出,在定性与定量综合集成的环境中,得到感性和理性认识,从而加深对概念的理解,萌发新意,提高自身认识能力｡所以,有人称道VR技术是第一个推动人们以身体活动获取知识的智能技术｡3

《食物在人体中的旅行》一课教学利用3D/VR技术改变了学生的学习方式,在这课的虚拟探究活动中,更适合学习者带上3D眼镜,把自己“扮演”成一种食物,“进入”到人体消化器官中去旅行,开展虚拟沉浸式探究｡还有《骨骼､关节和肌肉》的交互式课件操作都带来了学生学习方式的变革,调动多感知来促进认知｡

以上三个课例､五个创新点,从应用3D/VR技术仿真地模拟客观世界的角度,例如虚拟解剖实验到沉浸式旅行探究;

到应用3D/VR技术创造出虚幻情景的角度,例如一个抽象概念的形象化,讲述了笔者应用3D/VR技术对揭暗箱内容的探索尝试｡使有学者们深切感受到新技术

2XXAPP：

什么是智慧课堂？

3陈艳莲，基于桌面VR技术的初中《科学》Web课件设计研究[D]，，20040501，

2在课堂教学中深度应用,正在助推教学内容的呈现方式､学生的学习方式､教师的教学方式和师生的互动方式发生着深刻的变革｡4

三、专家同行共认可，学生反馈皆喜欢。

以上课例教学后,通过专家评课､同行评价､访谈学生和课后小练的方式了解各课例教学效果｡

（一）专家评课和同行评价概括如下:

从学习目标的达成来看,三个课例教学目标具有多元､全面的特点,四维目标符合最新科学课标精神,关注学生的科学核心素养｡教学目标具体,符合学生实际,可操作,能落实｡三个课例教学目标各有侧重,教学重点突出,能体现各课时活动对学生的核心发展内涵｡

从学生参与状态来看,学生对学习活动有兴趣,参与活动面广,参与形式多样｡学生能手脑并用参与学习,操作时空有保障,思维参与有深度｡学生小组合作学习目的明确,分工合作,效果好｡学生的科学观念及应用能力能得到相应的提高｡学生参与活动中能获得科学态度的培养及社会责任意识的强化｡

从教师的学习支持来看,做到了准确把握学生的学习起点,重视学习活动的层次性和递进性｡注重营造良好的互动交往氛围,注重自主､合作､探究的落实｡提供有结构的活动材料､保证学生的有效参与,节奏安排合理｡教师指导有设计,能促进学生科学方法､科学思维的发展｡适时恰当､多形式的课堂评价,能起到有效指导和激励作用｡

从学习效果来看,通过课后小练反馈出学生的基本知识､基本技能达标情况均达到100%

｡不同层次的学生均有相应的发展和提升｡学生学习有延续和拓展,能体现课堂学习的可生长性｡

（二）三个课例教学后分别访谈5-10位学生,学生们的反馈概括如下:

问题1.你喜欢在科学课上使用3D/VR技术吗?

（都回答:

很喜欢｡）

问题2.你认为3D/VR技术在科学课上对你的学习有哪些帮助?

（回答1:

《骨骼､关节和肌肉》原本自己很害怕人体骨架模型,有学者们都叫它骷髅,但是通过3D课件,它变得没那么可怕了｡）（回答2:

上课变得不枯燥了,感觉可以操控的3D交互课件很好玩｡）

问题3.应用3D/VR技术的科学课中,印象最深刻的是什么?

印象最深刻的是,通过模拟实验动手操作,亲身体验肌肉生长的位置和实现运动的原因,知道了肌肉会长在不同的骨骼上,才能牵引骨骼做出运动,这是以前从来没有想到过的｡）（回答2:

这节课,老师先让有学者们观察模型,认识骨骼､关节,让有学者们触摸自己的手臂,体验骨骼､关节和肌肉的运动,再通过模拟实验,发现肌肉与骨骼､关节的结构关系,最后通过3D交互课件,观察骨骼､关节和肌肉的协调工作的动态效果｡老师说这仅仅是逼近事实,有学者觉得科学老师很严谨｡）（回答3:

《食物在人体中的旅行》有学者从来没有从任何一张图片､2D视频中看到如此多的消化器官的细节,并且印象深刻,终身难忘｡）（回答4:

《生活中的静电现象》如果没有看过3D视频呈现的正负电荷数量相等和电荷转移,有学者一直以为物体有时带电､有时不带电｡3D视频的形象呈现,严重冲击有学者的错误前概念｡）

总体来看,3D/VR技术与多种新技术和创新实验设计在科学教学中的融合创新应用,学习支持效果好､学生参与度高､教学目标达成度高｡遗憾的是,目前3D/VR设备不成熟､数量不足,教学资源匮乏,严重限制学生自主地､个性化地科学探究实践活动的开展｡有学者们渴望学生自适应式学习方式尚未实现｡不过,有学者们相信,3D/VR技术在科学课堂教学的应用是大势所趋,理想定能实现｡