基于VR技术的中小学科学教育解决方案｜2024年智慧教育优秀案例283
【摘要】科学教育旨在通过传授科学知识和素质培养，让学生掌握科学思维与探究方法。运用VR技术于中小学课堂，能以其逼真显示和沉浸式体验，有效激发学生的好奇心和探究欲，提供身临其境的学习环境，让学生在虚拟科学世界中自由探索，并通过直观展示促进对科学原理的理解，提升学习成效。解决方案从赋能教师、实验室和学校三个角度出发，深入分析需求痛点，探索针对性赋能模式，推动中小学科学教育在学校的发展。
一、引言
为全面提升中小学生科学素质，2023年5月，教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，深入贯彻习近平总书记在二十届中共中央政治局第三次集体学习时的重要讲话精神，系统部署在教育“双减”中做好科学教育加法，支撑服务一体化推进教育、科技、人才高质量发展。
作为全面部署新时代中小学科学教育的专门文件，《意见》旨在适应科技发展和产业变革需要，从课程教材、实验教学、师资培养、实践活动、条件保障等方面强化顶层设计，充分整合校内外资源，推进学校主阵地与社会大课堂有机衔接，为中小学生提供更加优质的科学教育，全面提高学生科学素质，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。《意见》明确，实施“校内科学教育提质计划”重点项目。2023年12月，教育部印发通知，启动了首批全国中小学科学教育实验区、实验校推荐工作。
二、现状分析
义务教育阶段和普通高中阶段的课程标准均提出要让学生掌握科学思维方法，“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。科学思维是科学核心素养的关键成分，让学生从小掌握这些方法，有助于培养批判性思维能力、增强解决问题的能力、提升创新和研究能力、促进终身学习、应对未来挑战的能力，有助于提高整个社会的科学素养和创新能力。总的来说，学生掌握科学思维方法不仅有助于其个人发展和学习能力的提高，更重要的是，这也是建设科技强国和推动社会进步的重要基础，对于国家的长远发展具有重要的意义和影响。
然而，中小学科学教育工作的推进和发展却面临着教育资源分配不均衡、教师素质和专业发展水平参差不齐、学生应试教育的压力、学生的科学兴趣和参与度不高、学校科学教育设施和环境缺乏等的挑战。
当前，基于VR技术的应用已全面渗入我国教育系统的各个领域，形成了VR支持的集体课堂学习、小组研讨学习、自主探究学习、职业技能学习和教师素养培训等典型应用场景。VR技术凭借着逼真的显示能力和沉浸式的交互能力，给教育教学带来了翻天覆地的变化。为应对中小学科学教育面临的种种挑战，结合VR技术的特征优势，中教将VR技术作为核心技术路径，从而为我国中小学科学教育工作的蓬勃发展注入强劲动力，推动其迈向新的高度。
三、方案构成
（一）先进的裸眼XR便携终端作为硬件载体
裸眼XR便携终端，通过融合前沿的虚拟现实显示技术和基于空间定位的交互技术，打造了一种无需借助沉浸式头盔和专用眼镜的全新体验方式。这种创新的技术方式使得使用者能够身临其境地感受逼真的VR场景互动，并欣赏到虚实交织的AR效果呈现。这种技术的运用不仅支持教师在日常课堂中的常态化应用，还鼓励他们进行创新型教学探索，从而满足多样化教学应用需求，为教育带来无限可能与活力。
（二）适配裸眼XR便携终端的系统课程
小学科学课程体系涉及面广，包含物质科学，生命科学，地球与宇宙科学，技术与工程四大板块。并且在课程的难度上体验了解大于理解，通过VR的方式能够很好的帮助老师和学生，将抽象的知识具体化。并且借助VR的交互性，让学生以实践操作的方式进行学习，真实践行以学生为中心的设计理念。
观察和实验是理解和掌握理化生知识的基础。通过观察和实验，学生可以直接接触并感知物理、化学和生物现象，形成对知识的直观理解。在虚拟仿真环境中，教学和实验能够突破客观条件的限制，实现难以完成的实验体验过程，从而帮助学生获得更加近于真实的感性认识，有利于提高学习者的学习及创新能力。学习者通过对危险、复杂、反应周期过长、实验现象不易观察等实验的直观体验，在增加实验乐趣的同时避免了实验器材的消耗，并且实验操作环境也更加安全。中学理化生课程同步课程标准中要求的实验内容，课程内容充分呈现课本中的演示实验与学生分组实验。
课程提供的中学地理资源内容以地理课程标准的四大地理核心素养：区域认知、综合思维、人地协调观、地理实践力为基础，将较大时空跨度的地理景观、场景及复杂的区域地貌、人文景观以三维、动态、仿真的形式进行呈现。课程案例：时区，利用VR技术，就可以实现将时区动画以圆柱投影的方式，从平面到球面进行切换。学生还可以拿起模型，进行360°观察，放大、缩小、拆解，直至完全理解。
中学历史课程资源以历史核心素养：时空观念、史料实证、历史解释、家国情怀、唯物史观为基础，以拟人化的表现手法和智能化的交互方式，让文物开口“说话”，让“穿越时空”成为可能，让历史“活”起来。学生在教师的引导下自主探究，寻访文明的足迹，触摸历史的脉搏，感受华夏文化的独特魅力，激发求知欲、好奇心和想象力。课程案例：司母戊鼎、南海一号。能够利用VR技术，复现历史文物和古代的技术。学生通过场景沉浸和人机交互可以360°自由观察，缩放进行自主学习，充分了解文物的特征和历史故事，体现出学生在课程中主体地位。
四、规划路径
为了全方位助力学校开齐开足开好科学类课程，提高科学教育质量，解决方案从学科教师、实验室及学校三大主体出发，通过不同视角深入剖析其需求痛点，并探索针对性的解决路径。方案旨在精准满足各方需求，推动学校科学教育的全面发展，进而促进整体教育生态的优化与升级。
场景一：缺少科学教育专用空间
受限于校园布局的老旧、教室数量的有限、平行班级数量众多以及班额较大的现实状况，不具备建设各类科学教育专用教室的条件；普通教室条件有限，主要适用于讲授式教学，不适用于进行实验或科学探究活动；教学方式单一，科学教育演示与实验主要以教师演示或播放视频为主。
需求：克服这些限制，灵活使用现有空间，提升课堂教学演示与实验展示的质量。
建设模式一：VR移动课堂
在现有空间中配置VR移动课堂，实现”与师同行“的常态化应用，既可在常规教室中进行基于VR技术的科学教学活动，也用于线上VR同步教学、远程教学，还可用于学科教研培训及科普类活动，多样化的应用场景为教、学、研、培、展提供常态化应用的资源保障。
VR移动课堂支持常态化授课、远程课堂、双师课堂、教学研讨活动、师资技能培训、教师备课、科普活动等场景。通用应用实践，我们发现，VR移动课堂能够全面覆盖教学场景、教研场景中以及校园科普活场景，充分体现了“应用为王”，让VR教学资源以及VR技术所带来的全新教学体验发挥效益最大化。
VR移动课堂的应用模式，有力地推动了VR在教育领域的深度融合和常态化应用，构建以教室为中心，贯穿学校、家庭、社会等场域的线上线下融合的沉浸式学习环境，为智能时代的学习者提供更加优质、灵活和个性化的学习支持服务，促进教育公平和高质量发展。
图3 VR移动课堂应用场景
场景二：功能升级需求——为现有实验室赋能
需求1：现有实验室利旧，要求提升理化生实验教学质量。现有实验室在基础设施方面基本完备，但部分器材较为陈旧，这在一定程度上影响了理化生实验教学的质量提升。
需求2：新落成的实验室，旨在引领教学功能的革新。实验室基础设施完备，不仅满足基本的实验教学需求，涵盖经典实验项目，更要融入前沿科技，支持更多元化、探究性的学习活动，对实验教学内容提出了全新的要求。
模式二：VR技术赋能常规实验室
VR技术的引入为常规实验室带来了革命性的变革，它主要针对实验教学中存在的高投入、高风险以及高损耗等核心问题提供了有效的解决方案。同时，VR技术也成功攻克了实验教学中难以实现、难以观摩以及难以再现的难题，从而极大地提升了实验教学的效果与质量。
为了充分赋能学校现有实验室，解决方案仅需确保实验室具备电到桌的基本实施条件。这一方案不仅即插即用、免布线、不产生干扰，更实现了移动便携与轻便易收纳，确保与现有器材管理和谐共存。此外，解决方案还致力于提供更友好的用户体验，适配市面上大部分理化生实验室厂家的多规格产品，确保兼容性与通用性，为学校实验室的升级改造提供一站式解决方案。
图4 赋能学校现有实验室
场景三：专用空间需求——打造复合型科学教育创新空间
学校具备充裕的空间条件，比如：创新教室、专用教室、科学教育空间等，计划打造为建设标杆样板，承担本校科学教育成果展示与宣传功能。
需求：打造学校科学教学特色空间。要求能够承担自然科学，工程科学，社会科学、人文科学等方向的教学应用需求，具备先进的教学、交互、体验技术，能够提供相关的授课与学习资源，为科学教育教学提供软硬件支撑。
模式三：基于VR技术的复合型科学教育创新空间
建设一间以VR技术为核心的复合型科学教育创新空间，借助VR实验操作展示、VR实验探究、多学科项目式学习等手段，达到强化学科核心素养的教学目的。
方案精心打造了一站式教学与学习平台。该方案不仅为教师提供了先进的教学设备，以优化备课与授课流程，同时也为学生配备了个性化的学习工具和小组探究设施，以满足不同学习方式的需求。
在资源配备上，特别针对小学和中学阶段的教育特点，整合了丰富多样的教学资源，涵盖小学科学、中学地理、中学历史、中学物理、中学化学、中学生物及科普类等多个学科领域。这些资源内容既科学严谨又生动有趣，旨在激发学生的学习兴趣和探究欲望。
此外，创新空间还配备了通用设备以及学科文化产品，为教育教学提供有力支撑。我们注重空间环境的营造，力求打造一个既充满科技感又充满人文气息的学习环境。
在培训与服务方面，提供线上与线下相结合的混合式应用培训，帮助教师快速掌握VR教学技能。同时，提供公开课、学术活动等教研活动的组织与实施服务，为教育教学提供全方位的服务支持。
图5 解决方案框架
创新空间的效果呈现
结合中小学科学教育的各个阶段和研究方向，重点支持和协助打造具有针对性的专用教室。具体而言，小学阶段应侧重于建设科学专用教室，以提供一个充满探索氛围的学习环境，激发学生的好奇心与科学兴趣。进入中学阶段，则应根据学科特点，分别打造自然科学方向（物理、化学、生物、地理）、工程科学方向（创客、Steam、人工智能、机器人）、社会科学方向（经济学、政治学、历史）和人文科学方向（文学、历史、哲学、艺术）的专用教室。这些专用教室不仅能够满足学生们深入学习和实践的需求，更能够促进他们在各自感兴趣的领域里进行专业化和系统化的探索，从而全面提升他们的科学素养和综合能力。通过这样的布局与支持，我们期望能够为学生们营造一个既充满乐趣又富有挑战性的科学教育环境，助力他们在科学的道路上不断前行。
图6 效果呈现
VR支持的沉浸式学习是智能时代的重要学习方式之一。通过这一创新空间解决方案的实施，我们期待能够推动科学教育的创新发展，提升教学质量，培养出更多具有创新精神和实践能力的学生。建设基于VR技术的复合型科学教育创新空间，将成为学校在教育数字化转型与智能升级方向的最优实践路径。
