VR虚拟实验在科学与安全教育的创新与实践

虚拟实验在科学与安全教育的创新与实践VR

一、案例概述虚实融合，突破教学难点，打造教学新模式VR虚拟实验融合5G、3D、VR、人工智能等技术，应用中央电化教育馆研虚拟实验教学平台与安全教育平台，进行科学、安全等学科虚拟实验教学研究，突破时间和空间限制，解决高成本、高危险、高难度实验和教师研训等项目的实施痛点，丰富实验教学的手段和方式，建立本校虚拟实验教学机制体系目前已组建一支6人的教研团队，围绕科学实验、安全校本精品课例，应用于1-6年级科学教学、安全教育、教师研训、科学社团课、课后服务、线上研学等场景，并且与智慧校园建设结合，营造了良好的科技创新环境，形成“课程、实验室、服务”三位一体的创新教育体系

二、建设架构创设虚实融合的校本特色课程体系（-）建设目标促进新型教学模式与VR技术的深度结合打造一套线上+线下、教师+学生均可使用的校园实验模拟仿真平台，打破传统实验存在的实验安全、互动不足、抽象实验难以展示体验等条件束缚，构建稳定安全的实验模拟操作环境，有效拓展实验教学广度和深度，科学助力实验教学质量提升，建立本校虚拟实验教学机制体系，促进新型教学模式与信息化的深度结合

（二）建设原则打造可靠、实用、可扩展的虚拟实验室主体性以学生为主体，创设能让常规学科验证型实验转化成探究型实验，在教师的引导下自主选择探究课题，自主实施探究实验实用性可服务全校科学教学及安全教学打破传统实验的条件束缚，教师可以随时随地，反复教学使用，不受实验资源限制，零安全顾虑，经济省心；满足学生多次、随时学习实验的需求，让学生更好、更快掌握实验技能扩充性本项目系统架构设计合理，考虑设计充分考虑今后扩展的要求在满足现有系统互联的前提下，能够很好的适应未来信息化技术增长的需要

（三）建设内容构建基于5G+VR的实验教学应用体系基于5G+VR的实验教学应用体系，包含智慧黑板、11套VR教学终端、央馆中小学虚拟实验教学平台、VR安全教育资源及配套教材、5G服务等VR虚拟实验室由云网基础层、支撑平台层、应用平台层、应用终端层构成云网基础层有效构建5G网络下的虚拟实验教学环境，VR外设通过5G网络与虚拟实验教育平台链接，师生通过VR外设即可访问实验平台通过本地工作站实现实时计算与渲染，保障流畅的交互体验为虚拟装配、教学、实训提供了更多可能支撑平台层平台服务包含央馆中小学虚拟实验教学平台、VR安全教育平台应用平台层平台内置丰富的教育资源，小学科学资源超过576项，包括演示视频36项，实拍课件258项，3D课件154项，VR课件128项安全教学课程12节系统连接传统教学、探究教学、练习实操、考试等多个学习场景，形成提升教学效果的正向循环应用平台层资源及功能应用情况如下实验微课课件包括实拍实验和3D模拟操作演示实验，由专业老师真人操作或专业老师使用3D交互课件结合重难点复现操作步骤，再通过在线视频播放器播放；3D实验交互课件支持同步教学3D实验仿真课件的调用，通过提供实验过程中的各类仿真操作功能，模拟实验仪器的使用、实验现象的发生，充分创造出一个形象逼真的仿真教学环境；VR实验仿真交互课件利用先进的VR技术，通过硬件设备支撑和空间布局的设计，为用户营造一个沉浸式的学习场景，通过虚拟实验教学应用软件调用VR实验颗粒，提供VR仿真交互操，模拟实验现象的发生，实现对传统教学的创新实践；创编系统是虚拟实验教学应用的扩展能力,开放了器材库中的所有3D/VR实验器材元件，通过虚拟实验教学应用软件向授权用户全方位、多角度真实展示，满足教师开展实验探究式教学的需求；教师培训课程资源包含课例征集、训练营、国家级培训、区域级培训等模块；VR安全教育配套了《VR校园安全教育实践教程》，以“中小学生命防护安全教育”为主要内容，以VR虚拟现实技术为实现手段，实现观察与思考、VR实践与探索；数据分析及展示提供虚拟实验相关的综合性数据收集、分析、统计、展示等功能，能够综合了解虚拟实验应用情况，科学有效的统筹实验教学活动应用终端层包含1套智慧黑板，11套VR教学终端，一组5・6名学生参与，可满足10组教学需求

三、实践成效多维拓展，实现科学与安全教育精彩绽放（-）打造智能化、适应性虚拟实验教学环境将虚拟实验室与传统实验教学有机融合，将原实验室中不容易实现、实现过程不安全、实现过程不易观察的实验过程在虚拟实验环境中进行完成，提高学校科学及安全教学的信息化水平探索基于大数据、“互联网+”、虚拟现实、人工智能等技术构建学校实验教学新模式，实现学校实验教学信息化、现代化

（二）打造虚实融合的教学策略在虚拟仿真实验教学中，教师不需要将一系列软硬件、操作系统、教学内容、教学设计有机组合，实现教学创新、学科的融合及延伸，为学生营造“自主学习”的环境，让学生主动探究，进而收获显著的学习效果为使虚拟实验有效融入科学及安全教学，教师需要完成课例选择、学情分析、课前调研、集体备课、集体教研、课上运用、课后评价、课例优化八个环节，关注学生的学习效果，培养学生的综合素养

（三）形成特色化教学机制体系通过日常教学、集中教研、开放交流形成实践、培育、进步的体系日常教学是将虚拟实验融入教学的结果检验与不断优化；集中教研包括教师集体研训、校本课程打磨、场景探究；开放交流包括专家下校辅导、以赛促教通过多个环节促进形成常态应用，稳步推进实验教学与安全教学，让虚拟实验教学有深度、有广度、能检验

（四）满足多场景教学需求1•常规实验课教学与传统实验互为补充，在科学新课讲授过程中，央馆虚拟实验视频是教师们的首选素材课前，教师可以利用它完成备课过程中的实验搭建课中，教师一方面可以用于理论课堂中的实验演示，另一方面可用于实验课堂中的实验操作课后，学生可利用虚拟实验平台观看视频微课复习巩固，可以使用3D课件练习实验操作，提升实验操作水平

2.教师教研可作为教师教研的场地，学科教师共研虚实融合的实验教学新方法，同时基于虚拟实验教学平台与安全教育资源，建设本校的精品教研资源库和知识库

3.选修课/社团课面向全校学生招生，学生在该课程中，可以切实体验各种虚拟实验参与实验选修课/社团课的学生来到实验探究室，在学科老师的指导下进行虚拟实验探究

4.假期线上研学活动利用长假，实验教师布置了虚拟作业，任务促使孩子们登录央馆虚拟实验服务系统在新的学期，进行成果展示

5.课后服务利用课后托管时间开设了科学实验社团，感兴趣的学生抢课参加，运用虚拟实验平台，开展个性化学习

6.安全特色课建立校本安全特色课，利用配套资源及教材，对校内学生进行安全教育，提高安全意识

四、总结将虚拟实验室与技术创新教育教学、智慧校园建设紧密结合，特色建设突出优质校园氛围，与创客教育、人工智能、数据中心等建设形成合力，用智慧开启高质量智慧校园新生态目前，学校已扩大资源应用面，打造校本精品课程，校园安全教育实景区与VR演示相结合，课程谋划初显成效。