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基于VR技術(shù)的中小學(xué)科學(xué)教育解決方案｜2024年智慧教育優(yōu)秀案例283

文章出處：行業(yè)動態(tài) 責(zé)任編輯：廣東炬菁教學(xué)設(shè)備有限公司發(fā)表時間：2025-04-08

【摘要】科學(xué)教育旨在通過傳授科學(xué)知識和素質(zhì)培養(yǎng)，讓學(xué)生掌握科學(xué)思維與探究方法

。運用VR技術(shù)于中小學(xué)課堂，能以其逼真顯示和沉浸式體驗

，有效激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲

，提供身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境

，讓學(xué)生在虛擬科學(xué)世界中自由探索

，并通過直觀展示促進對科學(xué)原理的理解，提升學(xué)習(xí)成效

。解決方案從賦能教師

、實驗室和學(xué)校三個角度出發(fā)，深入分析需求痛點

，探索針對性賦能模式，推動中小學(xué)科學(xué)教育在學(xué)校的發(fā)展

。

一

、引言

為全面提升中小學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，2023年5月

，教育部等十八部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》，深入貫徹習(xí)近平總書記在二十屆中共中央政治局第三次集體學(xué)習(xí)時的重要講話精神

，系統(tǒng)部署在教育“雙減”中做好科學(xué)教育加法

，支撐服務(wù)一體化推進教育

、科技

、人才高質(zhì)量發(fā)展。

作為全面部署新時代中小學(xué)科學(xué)教育的專門文件

，《意見》旨在適應(yīng)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)變革需要，從課程教材

、實驗教學(xué)

、師資培養(yǎng)、實踐活動

、條件保障等方面強化頂層設(shè)計，充分整合校內(nèi)外資源

，推進學(xué)校主陣地與社會大課堂有機銜接

，為中小學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)的科學(xué)教育

，全面提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)

，培育具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體

。《意見》明確

，實施“校內(nèi)科學(xué)教育提質(zhì)計劃”重點項目

。2023年12月

，教育部印發(fā)通知

，啟動了首批全國中小學(xué)科學(xué)教育實驗區(qū)、實驗校推薦工作

。

二、現(xiàn)狀分析

義務(wù)教育階段和普通高中階段的課程標(biāo)準均提出要讓學(xué)生掌握科學(xué)思維方法

，“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)

、科學(xué)推理、科學(xué)論證

、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素?div id="d48novz" class="flower left">

？茖W(xué)思維是科學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵成分

，讓學(xué)生從小掌握這些方法

，有助于培養(yǎng)批判性思維能力

、增強解決問題的能力

、提升創(chuàng)新和研究能力、促進終身學(xué)習(xí)

、應(yīng)對未來挑戰(zhàn)的能力，有助于提高整個社會的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力

?div id="d48novz" class="flower left">

？偟膩碚f

，學(xué)生掌握科學(xué)思維方法不僅有助于其個人發(fā)展和學(xué)習(xí)能力的提高

，更重要的是，這也是建設(shè)科技強國和推動社會進步的重要基礎(chǔ)

，對于國家的長遠發(fā)展具有重要的意義和影響。

然而

，中小學(xué)科學(xué)教育工作的推進和發(fā)展卻面臨著教育資源分配不均衡

、教師素質(zhì)和專業(yè)發(fā)展水平參差不齊

、學(xué)生應(yīng)試教育的壓力

、學(xué)生的科學(xué)興趣和參與度不高、學(xué)?div id="jfovm50" class="index-wrap">？茖W(xué)教育設(shè)施和環(huán)境缺乏等的挑戰(zhàn)

。

當(dāng)前，基于VR技術(shù)的應(yīng)用已全面滲入我國教育系統(tǒng)的各個領(lǐng)域

，形成了VR支持的集體課堂學(xué)習(xí)、小組研討學(xué)習(xí)

、自主探究學(xué)習(xí)

、職業(yè)技能學(xué)習(xí)和教師素養(yǎng)培訓(xùn)等典型應(yīng)用場景

。VR技術(shù)憑借著逼真的顯示能力和沉浸式的交互能力

，給教育教學(xué)帶來了翻天覆地的變化。為應(yīng)對中小學(xué)科學(xué)教育面臨的種種挑戰(zhàn)

，結(jié)合VR技術(shù)的特征優(yōu)勢

，中教將VR技術(shù)作為核心技術(shù)路徑，從而為我國中小學(xué)科學(xué)教育工作的蓬勃發(fā)展注入強勁動力

，推動其邁向新的高度

。

三、方案構(gòu)成

（一）先進的裸眼XR便攜終端作為硬件載體

裸眼XR便攜終端，通過融合前沿的虛擬現(xiàn)實顯示技術(shù)和基于空間定位的交互技術(shù)

，打造了一種無需借助沉浸式頭盔和專用眼鏡的全新體驗方式。這種創(chuàng)新的技術(shù)方式使得使用者能夠身臨其境地感受逼真的VR場景互動

，并欣賞到虛實交織的AR效果呈現(xiàn)。這種技術(shù)的運用不僅支持教師在日常課堂中的常態(tài)化應(yīng)用

，還鼓勵他們進行創(chuàng)新型教學(xué)探索，從而滿足多樣化教學(xué)應(yīng)用需求

，為教育帶來無限可能與活力

。

（二）適配裸眼XR便攜終端的系統(tǒng)課程

小學(xué)科學(xué)課程體系涉及面廣，包含物質(zhì)科學(xué)

，生命科學(xué)，地球與宇宙科學(xué)

，技術(shù)與工程四大板塊

。并且在課程的難度上體驗了解大于理解

，通過VR的方式能夠很好的幫助老師和學(xué)生

，將抽象的知識具體化。并且借助VR的交互性

，讓學(xué)生以實踐操作的方式進行學(xué)習(xí)

，真實踐行以學(xué)生為中心的設(shè)計理念。

觀察和實驗是理解和掌握理化生知識的基礎(chǔ)

。通過觀察和實驗，學(xué)生可以直接接觸并感知物理

、化學(xué)和生物現(xiàn)象

，形成對知識的直觀理解

。在虛擬仿真環(huán)境中

，教學(xué)和實驗?zāi)軌蛲黄瓶陀^條件的限制，實現(xiàn)難以完成的實驗體驗過程

，從而幫助學(xué)生獲得更加近于真實的感性認識，有利于提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)及創(chuàng)新能力

。學(xué)習(xí)者通過對危險

、復(fù)雜、反應(yīng)周期過長、實驗現(xiàn)象不易觀察等實驗的直觀體驗

，在增加實驗樂趣的同時避免了實驗器材的消耗

，并且實驗操作環(huán)境也更加安全。中學(xué)理化生課程同步課程標(biāo)準中要求的實驗內(nèi)容

，課程內(nèi)容充分呈現(xiàn)課本中的演示實驗與學(xué)生分組實驗

。

課程提供的中學(xué)地理資源內(nèi)容以地理課程標(biāo)準的四大地理核心素養(yǎng)：區(qū)域認知、綜合思維

、人地協(xié)調(diào)觀

、地理實踐力為基礎(chǔ)

，將較大時空跨度的地理景觀

、場景及復(fù)雜的區(qū)域地貌、人文景觀以三維

、動態(tài)、仿真的形式進行呈現(xiàn)

。課程案例：時區(qū)

，利用VR技術(shù)，就可以實現(xiàn)將時區(qū)動畫以圓柱投影的方式

，從平面到球面進行切換。學(xué)生還可以拿起模型

，進行360°觀察

，放大、縮小

、拆解，直至完全理解

。

中學(xué)歷史課程資源以歷史核心素養(yǎng)：時空觀念

、史料實證、歷史解釋

、家國情懷、唯物史觀為基礎(chǔ)

，以擬人化的表現(xiàn)手法和智能化的交互方式

，讓文物開口“說話”

，讓“穿越時空”成為可能

，讓歷史“活”起來。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下自主探究，尋訪文明的足跡

，觸摸歷史的脈搏，感受華夏文化的獨特魅力

，激發(fā)求知欲

、好奇心和想象力。課程案例：司母戊鼎

、南海一號。能夠利用VR技術(shù)

，復(fù)現(xiàn)歷史文物和古代的技術(shù)。學(xué)生通過場景沉浸和人機交互可以360°自由觀察

，縮放進行自主學(xué)習(xí)，充分了解文物的特征和歷史故事

，體現(xiàn)出學(xué)生在課程中主體地位

。

四、規(guī)劃路徑

為了全方位助力學(xué)校開齊開足開好科學(xué)類課程

，提高科學(xué)教育質(zhì)量，解決方案從學(xué)科教師

、實驗室及學(xué)校三大主體出發(fā)

，通過不同視角深入剖析其需求痛點，并探索針對性的解決路徑

。方案旨在精準滿足各方需求，推動學(xué)?div id="m50uktp" class="box-center"> ？茖W(xué)教育的全面發(fā)展

，進而促進整體教育生態(tài)的優(yōu)化與升級。

場景一：缺少科學(xué)教育專用空間

受限于校園布局的老舊

、教室數(shù)量的有限、平行班級數(shù)量眾多以及班額較大的現(xiàn)實狀況

，不具備建設(shè)各類科學(xué)教育專用教室的條件

；普通教室條件有限，主要適用于講授式教學(xué)

，不適用于進行實驗或科學(xué)探究活動；教學(xué)方式單一，科學(xué)教育演示與實驗主要以教師演示或播放視頻為主

。

需求：克服這些限制

，靈活使用現(xiàn)有空間，提升課堂教學(xué)演示與實驗展示的質(zhì)量

。

建設(shè)模式一：VR移動課堂

在現(xiàn)有空間中配置VR移動課堂，實現(xiàn)”與師同行“的常態(tài)化應(yīng)用

，既可在常規(guī)教室中進行基于VR技術(shù)的科學(xué)教學(xué)活動

，也用于線上VR同步教學(xué)、遠程教學(xué)

，還可用于學(xué)科教研培訓(xùn)及科普類活動，多樣化的應(yīng)用場景為教

、學(xué)

、研、培

、展提供常態(tài)化應(yīng)用的資源保障

。

VR移動課堂支持常態(tài)化授課、遠程課堂

、雙師課堂

、教學(xué)研討活動、師資技能培訓(xùn)

、教師備課

、科普活動等場景

。通用應(yīng)用實踐

，我們發(fā)現(xiàn)，VR移動課堂能夠全面覆蓋教學(xué)場景

、教研場景中以及校園科普活場景

，充分體現(xiàn)了“應(yīng)用為王”，讓VR教學(xué)資源以及VR技術(shù)所帶來的全新教學(xué)體驗發(fā)揮效益最大化

。

VR移動課堂的應(yīng)用模式，有力地推動了VR在教育領(lǐng)域的深度融合和常態(tài)化應(yīng)用

，構(gòu)建以教室為中心

，貫穿學(xué)校、家庭

、社會等場域的線上線下融合的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境

，為智能時代的學(xué)習(xí)者提供更加優(yōu)質(zhì)、靈活和個性化的學(xué)習(xí)支持服務(wù)

，促進教育公平和高質(zhì)量發(fā)展

。

圖3 VR移動課堂應(yīng)用場景

場景二：功能升級需求——為現(xiàn)有實驗室賦能

需求1：現(xiàn)有實驗室利舊

，要求提升理化生實驗教學(xué)質(zhì)量?div id="d48novz" class="flower left">

，F(xiàn)有實驗室在基礎(chǔ)設(shè)施方面基本完備，但部分器材較為陳舊

，這在一定程度上影響了理化生實驗教學(xué)的質(zhì)量提升

。

需求2：新落成的實驗室，旨在引領(lǐng)教學(xué)功能的革新

。實驗室基礎(chǔ)設(shè)施完備，不僅滿足基本的實驗教學(xué)需求

，涵蓋經(jīng)典實驗項目

，更要融入前沿科技，支持更多元化

、探究性的學(xué)習(xí)活動

，對實驗教學(xué)內(nèi)容提出了全新的要求

。

模式二：VR技術(shù)賦能常規(guī)實驗室

VR技術(shù)的引入為常規(guī)實驗室?guī)砹烁锩缘淖兏铮饕槍嶒灲虒W(xué)中存在的高投入

、高風(fēng)險以及高損耗等核心問題提供了有效的解決方案

。同時

，VR技術(shù)也成功攻克了實驗教學(xué)中難以實現(xiàn)

、難以觀摩以及難以再現(xiàn)的難題，從而極大地提升了實驗教學(xué)的效果與質(zhì)量

。

為了充分賦能學(xué)校現(xiàn)有實驗室

，解決方案僅需確保實驗室具備電到桌的基本實施條件

。這一方案不僅即插即用、免布線

、不產(chǎn)生干擾

，更實現(xiàn)了移動便攜與輕便易收納

，確保與現(xiàn)有器材管理和諧共存

。此外

，解決方案還致力于提供更友好的用戶體驗，適配市面上大部分理化生實驗室廠家的多規(guī)格產(chǎn)品

，確保兼容性與通用性，為學(xué)校實驗室的升級改造提供一站式解決方案

。

圖4 賦能學(xué)?div id="d48novz" class="flower left">

，F(xiàn)有實驗室

場景三：專用空間需求——打造復(fù)合型科學(xué)教育創(chuàng)新空間

學(xué)校具備充裕的空間條件，比如：創(chuàng)新教室

、專用教室、科學(xué)教育空間等

，計劃打造為建設(shè)標(biāo)桿樣板

，承擔(dān)本校科學(xué)教育成果展示與宣傳功能

。

需求：打造學(xué)校科學(xué)教學(xué)特色空間

。要求能夠承擔(dān)自然科學(xué)

，工程科學(xué)，社會科學(xué)

、人文科學(xué)等方向的教學(xué)應(yīng)用需求

，具備先進的教學(xué)、交互

、體驗技術(shù)，能夠提供相關(guān)的授課與學(xué)習(xí)資源

，為科學(xué)教育教學(xué)提供軟硬件支撐

。

模式三：基于VR技術(shù)的復(fù)合型科學(xué)教育創(chuàng)新空間

建設(shè)一間以VR技術(shù)為核心的復(fù)合型科學(xué)教育創(chuàng)新空間，借助VR實驗操作展示

、VR實驗探究、多學(xué)科項目式學(xué)習(xí)等手段

，達到強化學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目的

。

方案精心打造了一站式教學(xué)與學(xué)習(xí)平臺。該方案不僅為教師提供了先進的教學(xué)設(shè)備

，以優(yōu)化備課與授課流程，同時也為學(xué)生配備了個性化的學(xué)習(xí)工具和小組探究設(shè)施

，以滿足不同學(xué)習(xí)方式的需求

。

在資源配備上

，特別針對小學(xué)和中學(xué)階段的教育特點，整合了豐富多樣的教學(xué)資源

，涵蓋小學(xué)科學(xué)、中學(xué)地理

、中學(xué)歷史

、中學(xué)物理、中學(xué)化學(xué)

、中學(xué)生物及科普類等多個學(xué)科領(lǐng)域。這些資源內(nèi)容既科學(xué)嚴謹又生動有趣

，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望

。

此外，創(chuàng)新空間還配備了通用設(shè)備以及學(xué)科文化產(chǎn)品

，為教育教學(xué)提供有力支撐。我們注重空間環(huán)境的營造

，力求打造一個既充滿科技感又充滿人文氣息的學(xué)習(xí)環(huán)境

。

在培訓(xùn)與服務(wù)方面，提供線上與線下相結(jié)合的混合式應(yīng)用培訓(xùn)

，幫助教師快速掌握VR教學(xué)技能

。同時

，提供公開課

、學(xué)術(shù)活動等教研活動的組織與實施服務(wù)

，為教育教學(xué)提供全方位的服務(wù)支持

。

圖5 解決方案框架

創(chuàng)新空間的效果呈現(xiàn)

結(jié)合中小學(xué)科學(xué)教育的各個階段和研究方向

，重點支持和協(xié)助打造具有針對性的專用教室

。具體而言，小學(xué)階段應(yīng)側(cè)重于建設(shè)科學(xué)專用教室

，以提供一個充滿探索氛圍的學(xué)習(xí)環(huán)境

，激發(fā)學(xué)生的好奇心與科學(xué)興趣

。進入中學(xué)階段

，則應(yīng)根據(jù)學(xué)科特點

，分別打造自然科學(xué)方向（物理、化學(xué)

、生物

、地理）、工程科學(xué)方向（創(chuàng)客

、Steam

、人工智能

、機器人）

、社會科學(xué)方向（經(jīng)濟學(xué)、政治學(xué)

、歷史）和人文科學(xué)方向（文學(xué)

、歷史

、哲學(xué)

、藝術(shù)）的專用教室。這些專用教室不僅能夠滿足學(xué)生們深入學(xué)習(xí)和實踐的需求

，更能夠促進他們在各自感興趣的領(lǐng)域里進行專業(yè)化和系統(tǒng)化的探索

，從而全面提升他們的科學(xué)素養(yǎng)和綜合能力

。通過這樣的布局與支持

，我們期望能夠為學(xué)生們營造一個既充滿樂趣又富有挑戰(zhàn)性的科學(xué)教育環(huán)境，助力他們在科學(xué)的道路上不斷前行

。

圖6 效果呈現(xiàn)

VR支持的沉浸式學(xué)習(xí)是智能時代的重要學(xué)習(xí)方式之一

。通過這一創(chuàng)新空間解決方案的實施

，我們期待能夠推動科學(xué)教育的創(chuàng)新發(fā)展

，提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新精神和實踐能力的學(xué)生

。建設(shè)基于VR技術(shù)的復(fù)合型科學(xué)教育創(chuàng)新空間

，將成為學(xué)校在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能升級方向的最優(yōu)實踐路徑

。

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