基于虚拟现实技术的海洋科普教学实践研究
时间：2023-02-27 21:50:04 来源：千叶帆 本文已影响人
冯茹 李芮溪
中国海洋大学（山东省青岛市 266100）
随着国家对中小学信息化建设的不断推进，近几年的学校课堂里教师一般都会通过放映PPT 来进行教学，而且大部分教室中都安装有多媒体教学装置，用以完成课堂教学任务，然而幻灯片无法达到三维立体图的展示效果，许多知识点都是以形式化的方法进行传递，课件和学习者都是分割的，两者之间无法形成直接互动，无法引发学生的学习兴趣，影响到课堂教学效果[1]。虚拟现实软件可以通过创建一个逼真的学习环境，使教师、学习者和参与者投入到逼真的学习环境中，从而提高学生学习积极性，改善教学效果[2]。VR 应用在近几年越来越受到国家的重视。为贯彻落实习近平总书记有关加强思想实践教育工作的重要指示精神，同时也贯彻执行全国高等学校思想政治工作会议精神，教育部按照《教育信息化十年发展规划（2011-2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要点》等有关规定，决定基于学校实验教学改革和国家实验教学项目信息化发展规划，于2017-2020 年在全国普通本科院校实施国家示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。VR技术在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》中被列为未来最有潜力的科技之一[3]。在《2017 新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》报告中，虚拟现实技术也被列为重要的教育技术，报告中指出，虚拟现实技术具有高沉浸性、交互性的特征，这些特征非常有助于促进学生的深度学习的发生[4]。在教学应用方面，国外虚拟现实技术在教学中的具体应用非常广泛，如爱尔兰皇家外科医学院：在道路交通事故后体验并模拟医生救助情景，为“患者”提供正确的帮助[5]。Neal E.Seymour 指出虚拟现实手术系统带来了新的体验式学习的机会，在医学中使用虚拟现实来训练外科医生已经得到了大量实验数据的支持[6]。Jang 等学者利用虚拟现实设备Dextroscope 设计了操作性的3D解剖课程，模拟操作人体解剖过程，增强人体结构理解[7]。Potkonjak 等学者综述了虚拟现实实验室在物理电磁学、化学实验和机器人技术等课程中的应用情况[8]。我国的虚拟现实技术起步较晚，在20 世纪70 年代才有相关研究产生，我国VR 在教育领域的初探可以追溯到天津大学基于VRML 国际标准，最早开发了虚拟校园，可以代表我国虚拟现实技术应用教育的开启了新篇章[9]。
随着十八大建设海洋强国战略的提出，加强海洋科普教育、提高国民海洋意识势在必行。海洋科普教育在各个层级的政策文本中均有体现[10]，《国家海洋事业发展规划纲要》同样提及“把普及海洋知识纳入国民教育体系，在中小学开展海洋基础知识教育”。因此，海洋科普在中小学教育中也尤为重要。然而，我国内陆地区的科普教育一般以组织观看海洋知识宣传片、阅读海洋书籍与文献、参观海洋生物、矿物标本以及海洋装备模型等学习活动为主[11]，然而，这种灌输式的科普难以调动公众的情绪，互动性和启发性较差，活动效果不理想，无法满足国家战略计划推进的客观要求，科普教育推行方式也应根据实际需要作出灵活调整[12，13]。将虚拟现实应用到中小学的海洋科普教育中，可以发挥其高沉浸性、交互性的特征，有助于促进学生的深度学习，是一种新型且有效的思路和方法。
青岛被誉为“帆船之都”，作为海洋科普教学实践研究基地有着得天独厚的优势。青岛市地方海洋课程《蓝色的家园：海洋教育篇》是青岛市推出的海洋教育系列教材，具有重要海洋科普意义。为了验证基于虚拟现实技术的海洋科普教学的可行性和有效性，强调加强中小学海洋基础知识普及，本文选择青岛地方海洋课程五年级下册《蓝色的家园》中的帆船知识点进行案例设计，通过设计准实验研究，最终得出实施结果，对结果进行分析。
（1）实验对象。本研究选取青岛市一所优秀小学五年级2 班和3 班两个班级的学生为实验对象，研究设计2 班为对照班，使用传统的教学方式进行教学，3 班为实验班，采取基于虚拟现实技术的海洋科普教学方式开展教学。（2）取样方法。为了保证实验班和对照班的初始能力水平相差不大，在开展实验之前，利用测试题测试两个班级的帆船知识水平，并用问卷调查学生对于帆
船学习态度、学习效果等情况进行考察。以前测结果为依据，选取初始水平相当并且教学进度相同的两个班级。（3）实验变量。本研究的自变量为教学方式，对照班级采取传统的教学方式，实验班级采取基于虚拟现实技术的海洋科普教学方式。本研究的因变量为学生学习成效，主要从学生作品、学习成绩来分析。（4）实验处理。为排除无关变量对于实验结果的影响，对于实验教学的授课教师、教学时间、授课环境等方面都进行了具体安排。首先，授课教师均为同一老师，传统授课方式仅在最终提交作品的环节以小组为单位制作提交，上课过程均采取教师讲授、学生听课的形式，两个班级教学内容、教学时长一致，教学时间分别为每周二上午第四节和周五上午第四节；
其次，除了对照班教室拥有20台VR 眼镜设备作为辅助资源，其他授课环境一致。（5）实验方法。本研究采用的实验方法有：准实验研究法，对照班使用传统的教学方式进行教学，实验班采取基于虚拟现实技术的海洋科普教学方式开展教学，最后通过对主题作品评价、成绩测试的数据分析来对比对照班和实验班之间的帆船教学成效。（6）实验内容。本研究选用五年级青岛地方海洋课程教材《蓝色的家园：海洋教育篇》中的内容。其中上册课本共有八个章节，第一章《我爱帆船运动》，第二章《帆船之都》，在对教材内容进行进一步研究的基础上，根据基于虚拟现实技术的海洋科普教学设计的原则，以及学生对知识技能的需求，对教学内容进行重新组织和架构，确定《帆船之都》、《帆船结构》、《帆船驾驶》内容设计海洋科普教学。
本课题内容选自青岛地方海洋课程《蓝色的家园：海洋教育篇》第一章，内容实践性较强，主要围绕如何驾驶帆船展开教学。本案例主题的知识内容聚焦于应用VR 技术模拟帆船驾驶，通过VR 技术操作的相关知识技能点的学习，体验真实的帆船驾驶。根据帆船驾驶的流程，将学会驾驶帆船中所涉及的知识技能点进行组织连结，因此将教材中《我爱帆船运动》章节中相关知识内容进行组合，补充必要的知识点，重新架构学习内容。《虚拟帆船运动》是一款通过虚拟现实技术打破空间限制的VR 帆船体验软件。本课题通过VR 辅助资源的支持下让体验者乘坐游轮，沿途欣赏青岛奥帆中心、情人坝、灯塔等青岛地标美景；
通过三维建模技术，重建帆船真实结构，打破时空限制，让内陆地区的学生也有条件进一步了解帆船结构，并进行帆船模拟驾驶，懂得通过哪几部分结构启动帆船，驾驶帆船体验帆船的加速、转向等体感。虚拟现实与帆船驾驶相结合，以不同的方式感受帆船驾驶的乐趣。此外，本研究的案例实施者为五年级小学生。大部分学生在之前的日常生活中接触过帆船运动，对这项运动有一定的概念，也产生了相应的学习兴趣。此外，小学生思维活跃，善于动手，对于实践类课程具有较高的学习积极性，但由于帆船驾驶训练成本高，无法满足学生的需求，因此设置合适的虚拟现实主题情境能够充分激发学生的创造性和探究意识。主要采用自主探究和小组合作相结合的教学方式开展学习活动。首先学生根据任务要求进行VR 帆船资源的自主探究学习，在建立自己的思考和认知体系后，再分组分工进行交流学习，通过合作完成主题作品。教师组织学生开展探究活动，学生是学习的主体，参与主动学习，教师为学生答疑解惑，通过教师的有意义的指导，学生在探究合作、评价优化活动中达成学习目标。
实验班和对照班学生在实施结束后，每个小组都将提交一份完整的学习作品。根据成果作品的评价量表可以对学生提交的任务成果进行量化评价。参考龚圆圆在其研究中设计的作品评价量表，笔者提出的具体的评价标准如表1 所示，为方便进行教学量化评价，将评分结果进行划分，85 分以上为优秀，65-84 分为良好，65 分以下为差。
表1 主题作品评价量表
为验证评价量表的信度，在正式评分前，邀请帆船教师对随机抽取的三份作品进行打分，结果一致性较高，因此采用该评价量表进行作品评分。
作品的评价量表包括作品的内容设计、作品的完整性、指导性、汇报和交流四个方面，首先对每一项的总分进行合计，然后再算出每个方面的平均分，以此来分析学生的学习成果，最终算得的平均分统计如表2。通过比较可以发现，实验班的学生作品在这四个方面的得分都高于对照班，总分统计也明显优于对照班，说明其主题作品的质量实验班要优于对照班，表明基于虚拟现实技术的海洋科普教学有利于激发学生兴趣，发挥学生的探究学习动力，促进学生个性发展。
表2 教学实践中作品得分统计表
具体分析来看，在内容设计方面，对照班学生设计的内容都比较粗糙，无法体现出帆船知识体系的重难点，而且内容准确性低，有很多无关步骤，许多关键的步骤都没有体现出来，与实际生活情况并不一致，只是简单的知识点罗列；
反观实验班学生提交的作品，重难点一目了然，知识体系完整，内容丰富，主题重难点突出，内容明确。
在完整性方面，对照班学生作品知识点残缺，而且对一些技能性质的要点理解都很浅显，基本都是简单的知识点文字堆砌；
实验班部分学生在对知识内容的加工中使用了图解等方法，文字的讲解更加生动，并写出了驾驶帆船的直观感受，帆船各部分结构的功能也更理解，相比于对照班，作品在完整及实用上有明显优势。
在指导性方面，对照班的学生作品较为粗略，只是简单的知识点罗列，不具有指导性；
实验班学生提交的作品对于帆船相关知识的处理更详细具体，知识点的融合更加协调，步骤流畅，描述更贴近实际操作情况，更具有实际帆船技能学习的指导性。
在交流和评价阶段，对照班之间仅仅在制作作品的环节进行了合作，由于分工都不是很明确，所以合作环节比较混乱，在交流评价时也不能准确表述他们合作产出的作品，而且作品的内容不连贯，无法流畅进行表达，实验班在海洋科普教学和虚拟现实技术辅助资源的支持下，对于知识内容理解更加通透，合作探究活动也更充实，分工也更明确，对于作品的评价交流逻辑清晰。
为了保证实验班和对照班的初始能力水平相差不大，在开展实验之前，利用测试题测试两个班级的帆船知识水平，研究设计2 班为对照班共20 人，使用传统的教师讲授、学生听课方式进行教学，3 班为实验班共20 人，采取基于虚拟现实技术的海洋科普教学方式开展教学。两个班级共40 名学生进行帆船知识测试，测试题包括帆船之都、帆船结构、帆船驾驶相关知识点。
实验前采用独立样本t 检验分析两个班对于成绩是否有显著性差异，根据表3 可知，两个班级对于成绩均无显著性差异（p＞0.05），说明两个班级对于成绩表现一致，符合研究要求，可以进行试验。总结可知：实验班与对照班对于成绩没有表现出显著性差异。以前测结果为依据，可以判断两个班级帆船知识水平接近，适合进行对照实验。
表3 前测成绩分析t 检验分析结果
实验后采用独立样本t 检验分析两个班对于成绩是否有显著性差异，根据表4 可知：两个班对于成绩呈现出显著性差异（p＜0.05）。具体对比差异可知，实验班的平均值（23.15），会明显高于对照班的平均值（20.80）。总结可知：实验班与对照班对于成绩呈现出显著性差异，实验班的成绩优于对照班。
表4 后测成绩分析t 检验分析结果
通过本次教学实施，在对照班级实施传统教学活动，实验班级实施基于虚拟现实技术的科普教学活动，对最终的教学效果进行一个分析，由实验班和对照班的两个班级学生的学习成效后测数据比较可以得到，基于虚拟现实技术的海洋科普教学活动相对于传统教学活动，其更有利于提高帆船课堂的教学成效。原因在于：基于虚拟现实技术的海洋科普教学活动灵活运用教学方式，在虚拟现实技术的支持下将学生自主探究学习和小组合作学习相结合，提供丰富的学习辅助资源和多元化评价方式，提升学生学习兴趣，激发思维火花；
而传统教学活动缺乏真正意义上的合作学习，教师依旧是课堂中的主导者，学生们作为倾听者，评价方式单一，有意义学习难以发生。
