小学科学课程虚拟仿真实验的设计与开发.pdf
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1、第39卷第4期2023年8月山西大同大学学报(自然科学版)Journal of Shanxi Datong University(Natural Science Edition)Vol.39 No.4Aug.2023小学科学课程虚拟仿真实验的设计与开发张天云(山西大同大学 教育科学与技术学院,山西 大同 037009)摘要:目的目的 提出了利用虚拟仿真实验解决当下小学科学教育的困境。方法方法 阐述了虚拟仿真实验的设计开发的工具、原则、方法与过程等关键问题。结果结果 以小学六年级科学课程中的“绿叶在阳光下可以产生淀粉”知识点为例,设计开发了相应的虚拟仿真实验环境,为学习者提供了探究、交互及练习等
2、功能的虚仿实验。结论结论 利用该虚仿实验可以培养学生的动手能力和科学态度,激发了学生的科学探究精神。关键词:科学教育;虚仿实验;学习者;设计开发中图分类号:TP311.1文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1674-0874.2023.04.0092023 年 5 月 26 日教育部等十八部门 关于加强新时代中小学科学教育工作的意见(教监管2023 2 号,简称 意见),提出要深化学校教学改革,提升科学教育质量。强调实施启发式、探究式教学,探索项目式学习,培养学生深度思维。探索利用虚拟现实、AI 等技术手段改进和强化实验教学,并注重利用先进教育技术弥补薄弱地区教学资源不足的状况
3、1。意见明确提出了利用虚拟现实技术实现科学教育的指导思想,“科学”作为小学很重要的科学教育课程,迫切需要教学模式和教学方法层面的改进,这也为本研究奠定了充分的政策依据。经过实地调研和文献查阅发现,小学“科学”课程教学中存在如下一些问题。首选是师资不足或不完备:很多学校对科学教育认识不够,“科学”课程被默认为副科,没有受到应有的重视,配备的相关任课教师数量不足,且绝大多数“科学”课程教师没有对应的专业背景,也有部分被所谓的主科教师兼任,长期被教师与家长忽视。其次是实验仪器与设备缺乏:部分学校特别是边远地区的学校,与科学课相配套的实验仪器与设备严重不足或陈旧,无法满足该课程正常的教学保证,因此急需
4、加强物化的和虚拟的实验器材与环境建设。再次是教学形式单一:小学科学课程内容丰富、包含学科众多,只通过常规课堂教学形式,往往无法兼顾课标中强调的课程目标2。目前很多小学科学课授课是在教室中以讲授型为主,学生仅仅一听、一看、做笔记而已,没有深度参与学习活动,科学课作为一门实践性、操作性很强的课程,很难实现课程教学目标。解决以上问题除了改善师资配备(如 意见 中要求实现每所小学至少有1名具有理工类硕士学位的科学教师)、加强实验仪器配备、提供丰富的教学形式之外,很显然利用信息技术手段,特别是虚拟仿真实验是非常好的选项之一。虚拟仿真实验(简称虚仿实验)是利用虚拟现实技术搭建的一种具有教学功能的虚拟实验环
5、境,与之相对应的是现实物理实验环境,根据沉浸性真实程度与交互性的多样化可以划分为桌面式和沉浸式类型。随着触觉反馈技术和交互设备的发展,虚拟仿真实验营造了更加真实的效果,学习者置身虚拟仿真实验室中,可自主地与实验室中的设备进行交互3。重点以桌面式为例阐述虚仿实验的设计与开发过程。虚拟仿真实验是融合了目前前沿的信息技术与实验教学的产物,可以拓展学生的学习内容、资源、时间与空间,特别适合探究式学习,可以培养学生的科学探究精神,同时可以提升教师的教学理念和方法,丰富教师的教学模式,改变了讲授式、填鸭式的教学方式,解决了一些学校没有实验条件或实验仪器设备不足的困境。1 设计过程1.1 设计与开发工具收稿
6、日期:2023-06-16基金项目:山西省教育科学“十三五”规划HLW-20068;山西大同大学科研专项课题2021YGZX30作者简介:张天云(1976-),山西大同人,硕士,讲师,研究方向:数字化教学资源建设。E-mail:文章编号:1674-0874(2023)04-0040-052023年重点使用的设计与开发工具为Unity3D 2019,简称 U3D。Unity 是由英国 Unity Technologies 公司开发的一个集虚拟现实平台、游戏开发引擎、实时三维动画创建、建筑可视化等功能的跨平台的开发工具4。具备良好的跨平台特性,支持20多种平台,拥有众多的功能模块,如图1。Unit
7、y功能模块光照系统物理引擎声音系统渲染引擎地形系统脚本编辑骨骼动画开源插件特效系统图1 Unity3D的基本功能模块除此之外虚仿实验设计与制作过程需借助脚本开发环境Visual Studio、建模工具软件3Dmax和和图像处理PS等专业软件协作完成作品的设计与开发。1.2 设计原则1.2.1 教学性作为学习用途的虚拟仿真实验首要的任务是满足教学要,教学要达到教学大纲的要求和目标,提供的环境和内容应遵循教学规律和学习者的认知规律,从而达到实现教学目标的任务。1.2.2 科学性科学性是实验设计和开发应当遵循的最基本的原则。科学包含着三层含义:一要正确地运用用教学原理;二是实验中的对象描述要与现实世
8、界一致;三是要符合学生的认知规律5。虚拟仿真实验演示的原理必须具备科学性,要与现实实验的过程和结果相一致,否则会误导学习者,也有碍培养学习者的科学探索精神,甚至起到反面作用。1.2.3 仿真性仿真实验重在“真”,虚拟仿真实验尽可能无限接近现实物理实验的过程,这就要求设计者协同学科专家和学科教师共同完成虚仿实验的设计与开发,使学习者在虚仿实验中体验到身临其境的感觉,实现心流体验式的学习。1.2.4 交互性交互性是虚拟现实技术的三大特征之一,虚拟仿真实验应为学习者提供实时的交互性体验,学习者通过各种输入输出设备与虚拟环境进行互动,环境给予与相应的反馈,该特性也是探究式学习的条件之一。1.3 设计与
9、开发流程虚拟仿真实验是一个具备教学性、演示性、可操作性和交互性的综合性的虚拟学习系统,仿真实验的设计环节和质量直接决定了实验的学习效果和教学质量。在设计与开发过程中既要考虑教学设计的环节也要考虑软件系统设计本身的规律和方法。教学设计是保障,系统设计是手段,二者需达成同一目标,为学习者有效学习提供支持。笔者通过长期教学和设计开发实践将虚拟仿真实验的设计要素与开发过程总结为4个环节,主要包括:需求分析阶段、功能分析阶段、设计阶段、开发阶段(含测试评价阶段及打包试运行阶段)及反馈完善阶段。其设计与开发流程如图2。图2 虚拟仿真实验设计与开发流程2 案例设计与开发2.1 功能需求分析本虚拟仿真实验以小
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