基于虚拟现实技术的小学科学项目式学习模式的构建与实施

摘要：小学科学项目式教学强调创设情境，以问题为驱动引导学生进行深度学习，能更好地提升学生科学素养，而以虚拟现实为基础开展小学科学项目式教学，能依托虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等技术手段，弥补真实实验中存在的问题。本文以教科版小学科学四年级下册《模拟安装照明电路》一课为例，将内容分解为对应的虚拟教学项目，在创设的虚拟环境中实施电路布局、线路设计、虚拟实操等环节，以优化基于虚拟现实技术的小学科学项目式学习模式。

关键词：虚拟现实技术；小学科学；项目式学习

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）23-0000-04

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）倡导项目式学习、跨学科学习等综合性探究方式，其中项目式学习是以真实“项目”为载体的科学教育活动，它能基于创设的真实问题情境，设置进阶、有序的探究活动，以提升学生迁移应用科学知识的能力，帮助学生提高科学思维和探究实践等科学素养。而借助虚拟现实技术开展项目式学习，能够帮助学生更好地感受科学教学实验场景，它特有的沉浸式、想象性和交互性等优势，能使教学环节与知识递进的关系更为紧密，使构建实验探究中的安全性高、体验性强成本较低的实验探究场景成为可能。

作为教科版四年级下册一节典型的科学、技术与工程结合的实践课，《模拟安装照明电路》包括应用、创造两部分。“应用”部分要求能够学会为房间设计一个照明电路，应用既往课程解决工程活动中的问题；“创造”部分则要求通过实验的方式完成电路的连接，在实践教学过程中逐步熟练照明电路的安装。下面，笔者以此课为例，在教学过程中融合虚拟现实技术，从项目式学习视角再现电路实验场景，引导学生在虚拟交互中掌握运用工程思维解决真实问题的能力。

虚拟现实技术融入小学科学的项目设计

在小学科学教学过程中融合虚拟现实技术，并非单纯地追求数字化“形式”，其核心在于基于虚拟场域搭建更真实的实验场景与实验操作反馈，引导学生基于既有知识框架思考、探索、操作，对科学知识建立更直观的认识。因此，教师在融合虚拟现实技术时，尤其是在呈现实验过程与实验操作反应时，需要发挥虚拟现实技术的场景再现作用，强化学生的临场感受与知识认同，唯有如此，才能发挥虚拟现实技术成效。围绕虚拟现实技术，可以从四个方面开展项目设计，具体下页如表1所示。

虚拟现实技术在小学科学项目式学习中的应用

1.项目任务设计，明确教学解决问题

小学科学项目式学习的关键在于明确动机，即“我要做什么”，学生明确了项目动机以及预期目标，才能在教学过程中合理设计、创建、搭建实验要素，进而在问题情境中达到既定目标，感受科学课带来的实验成就与探索趣味。

《模拟安装照明电路》作为以“电路”为主的实验教学课，是典型的科学工程实操课，突出了新课标中“工程的关键是设计”这一基本要求。本课的实验关键是学生基于虚拟场景的电路实验素材为房间安装一个照明电路，将电路知识应用于实操。

师：同学们，学校教室正在进行装修改造，需要为教室重新铺设照明线路。如果你承包了此项工程，将如何利用现有工具搭建照明线路呢？具体要求如下。

熟悉场景：根据教室场景图，明确课桌、讲台、窗户、门的位置。

设计照明电路：需要在教室前、后设计两处照明灯，两处电灯分别由教室前门、后门旁的两个开关控制。

小组讨论：划分小组合理设计电路设计图。

虚拟实操：基于虚拟现实场景素材，根据小组电路设计图组装照明电路。

在明确项目流程后，学生很快便完成了电路图纸的设计，并就图纸方案在虚拟场景中进行实操。

2.项目内容实施，经历解决问题过程

（1）设计完善，基于问题解决

虚拟场景的实验操作是项目式学习的第一步，学生通过实验操作，综合应用电路知识解决场景问题，强化了对电路工程任务的基础概念认知。在完成虚拟实操后，学生已经初步了解照明电路开关、线路“通”和“断”的工程原理。在此基础上，学生就“两个开关控制两盏灯”进行组内讨论，最终形成照明电路设计方案，并绘制最终电路设计图。

（2）量表引领，渗透制作要素

虚拟现实技术与项目式学习的融合为学生提供了更多的自主探究时间与实操空间，但是，怎样更好地发挥虚拟现实技术对项目式学习的支持，而不局限于单一的虚拟场景操作应用？在明确这一优化目标后，可将评价量表前置，提出教学改良建议。《模拟安装照明电路》的评价量表设计既要考查虚拟现实技术融合的实效性，也要考查在项目式教学开展过程中的方法、内容、技能的掌握情况，以此保障学生在自主经历、管控、调整、反思中实现科学技能的掌握与提升。

3.项目任务延伸，提升实验教学效率

（1）巧用KT板立体模型，助力虚拟概念建构

在虚拟现实技术融合教学中，除了立体房间的模型搭建，还可采用虚拟场景功能。例如，将KT板立体模型接入虚拟现实场景，先依次为学生展示电路设计素材，再让学生利用虚拟KT板立体模型设计灯与开关的位置，并赋予相应的电路设计图。形式多样的空间立体项目环境的搭建，有助于学生快速建立立体概念。

（2）提供多元材料，驱动学生深度探究

基于虚拟现实场景的《模拟安装照明电路》一课的项目式学习，克服了以往实验材料单一的弊端。学生在虚拟现实场景中不仅能自主参与到房间的电路设计与实操环节，还能结合生活实际，灵活融入单刀双掷开关、双刀双掷开关（如下图）。

4.项目评价反思，学习模式效果评估

在基于虚拟现实技术的《模拟安装照明电路》一课的项目式学习中，还需融入“形成性评价”与“总结性评价”，以明确学生在虚拟现实场景学习中，是否达成教学目标。

（1）表现性评价前置，凸显评价的指导性

在虚拟现实项目式学习中，学生除了“动手做”，还需兼顾实操前后的表达交流与探究活动。表达交流中的一项核心环节便是学习评价。教师要指导学生根据电路设计、电路安装等探究过程，从电路布局、线路设计、虚拟实操、课堂表现等方面匹配相应的评价指标，如表2所示。

（2）学习评价多元化，促进学生改进自我

评价活动分为自评、互评、教师点评，前两项以学生作为评价主体，通过师生共同参与评价的方式确保评价过程的合理性、公平性、准确性。教师则在学生评价的基础上分别就各个评价项目进行二次打分，并计入最终评分。多元化的评价项目设计能使学生清晰认知自身的真实情况，在反思中察觉各个环节中的潜在问题，最终在改进设计中弥补自身的不足。

（3）反思改进方案，让项目为生活服务

基于虚拟现实教学技术，教师通过真实情境、问题设计进一步增加教学难度，提出“模拟安装照明电路2.0”实操场景，在原有基础上融入电扇等常规电器线路设计任务与元素，以此使项目式学习更为贴近学生生活。另外，还可进一步发散到其他电路设计场景，如实验室、厨房等，让项目为生活服务。

结论

本文以《模拟安装照明电路》一课为例，结合虚拟现实技术与项目式教学设计从以下几个方面展开课程教学设计：①结合小学生科学课程教学实验的现状，根据《模拟安装照明电路》一课的特征，基于虚拟现实技术设计自主学习场景。②通过虚拟现实技术实操，为学生提供拟真的电路设计场景，实现虚拟项目式任务教学，学生在虚拟房间中自主设计照明电路；或融入更多场景要素丰富学生的任务体验。③《模拟安装照明电路》一课的虚拟现实教学设计是基于小学科学核心素养的培养要求进行的项目化教学设计，其项目明确、任务清晰、流程紧凑，将学生作为课堂主体，使学生能够更加积极地参与项目任务与实验活动。

课后，教师可以整理课堂教学中的过程性学习资料，形成微课资源，以便后续在设计过程中有可供借鉴的虚拟教学经验，也有利于学生回顾学习。当然，《模拟安装照明电路》一课的开发与虚拟现实项目式设计并不止这些，后续还需根据学生能力的发展进一步发散项目任务，以巩固学生的科学素养。

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作者简介：张涛，男，硕士研究生，青岛市城阳区第三实验小学教师/教研组长，研究方向为项目式教学、大单元教学、信息技术与学科融合、媒介素养。

本文系山东省教育发展研究微课题“基于‘互联网+’的小学科学实验项目化的实践研究”（课题编号：FJ215）、青岛市教育科学“十四五”规划2023年度专项课题“指向深度学习的小学科学进阶式大单元教学实践与案例研究”（课题批准号：QJK2023D002）的研究成果。