馮乾

一、虛擬實驗技術(shù)的教學(xué)背景

虛擬實驗技術(shù)是基于真實教學(xué)情境，協(xié)助師生進(jìn)行課堂教與學(xué)的一種教學(xué)輔助工具，主要應(yīng)用于理科課堂教學(xué)與實驗。本文基于中望公司的人工智能三維仿真軟件（3D One AI）這一虛擬實驗技術(shù)，在小學(xué)信息科技學(xué)科實驗課中開展虛擬實驗教學(xué)實踐。3D One AI提供虛擬開源硬件技術(shù)與人工智能技術(shù)，支持動態(tài)人工智能行為仿真，并且輸出三維動畫。

隨著《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（下稱新課標(biāo)）的發(fā)布，小學(xué)信息科技課堂教學(xué)中增加了很多需要學(xué)生實驗的內(nèi)容。比如，“身邊的算法”模塊增加了巡線機器人實驗，“過程與控制”模塊增加了智能微波爐、智能空調(diào)和智能倒車?yán)走_(dá)等學(xué)生實驗。因此，虛擬實驗技術(shù)在小學(xué)信息科技課堂中有著十分重要的作用。虛擬實驗技術(shù)一方面可以有效降低各學(xué)校硬件不統(tǒng)一帶來的不便，另一方提供了一個理想化的實驗環(huán)境，能夠讓教師和學(xué)生更加聚焦在實際教學(xué)中。

教師可以運用創(chuàng)設(shè)情境、方法滲透、鼓勵動手、引導(dǎo)反思等方法加強學(xué)生對信息科技核心素養(yǎng)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、解決問題意識和創(chuàng)新能力，鼓勵學(xué)生將課堂中所學(xué)的知識應(yīng)用到生活中，有效通過虛擬實驗技術(shù)助力學(xué)生真實成長。

二、虛擬實驗技術(shù)進(jìn)課堂的價值與意義

1.虛擬實驗技術(shù)助力課堂減負(fù)增效

傳統(tǒng)課堂教學(xué)過程中，凡是涉及機器人和學(xué)生實驗內(nèi)容，教師往往需要在課前、課后做大量硬件準(zhǔn)備與整理工作，包括實驗設(shè)備的拼裝、維護(hù)、充電、復(fù)位等，而且這些硬件在使用過程中不可避免會有損壞，從而影響正常教學(xué)的開展。新課標(biāo)提出在小學(xué)低年級注重生活體驗，中高年級逐步過渡到學(xué)習(xí)基本概念和基本原理，這就要求機器人和學(xué)生實驗學(xué)習(xí)在教學(xué)中不可缺少。

虛擬實驗技術(shù)助力課堂不僅能解決以上的困境，還能實現(xiàn)減負(fù)增效，體現(xiàn)在兩個方面：一是可以構(gòu)建虛擬任務(wù)場景，讓學(xué)生在模擬任務(wù)中體會真實場景中會遇到的問題，同時平穩(wěn)地過渡到技術(shù)背后的原理，達(dá)到逐步提升的效果；二是可以讓教師將教學(xué)時間和精力更集中于學(xué)科核心素養(yǎng)的落實和關(guān)鍵問題的解決上，大幅縮短課堂準(zhǔn)備的時間成本和學(xué)校的經(jīng)濟成本，降低學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，提高學(xué)習(xí)效率。

2.虛擬實驗技術(shù)有助于學(xué)生獨立參與實驗

受實驗設(shè)備數(shù)量和時間限制，傳統(tǒng)的小學(xué)信息科技學(xué)科實驗課一般以小組實驗為主，4～5名學(xué)生共享一套實驗設(shè)備，難免存在學(xué)生實驗參與度不一的情況。最終的實驗結(jié)果也以小組形式呈現(xiàn)，教師很難面面俱到地關(guān)注到每位學(xué)生的知識點掌握程度。虛擬實驗技術(shù)可以讓學(xué)生獨立自主地參與到實驗過程中去，實現(xiàn)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，凸顯學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體性。而且虛擬實驗平臺能夠在實驗過程中記錄每位學(xué)生完成的情況，便于教師發(fā)現(xiàn)那些理解能力較為薄弱、實驗完成度不高的學(xué)生，找出他們存在的薄弱知識點，改進(jìn)教學(xué)過程，提高教學(xué)效果。

3.虛擬實驗技術(shù)便于教學(xué)內(nèi)容擴展與提升

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)在實驗內(nèi)容拓展上受限于硬件設(shè)備，如在添加硬件外設(shè)時存在品牌、接口等多種限制。3D One AI可以利用3D建模功能，在教學(xué)場景中自主設(shè)計和添加實驗器材。其優(yōu)勢體現(xiàn)在三個方面：一是可以更加便捷地更新實驗內(nèi)容和場景來適應(yīng)信息科技學(xué)科的發(fā)展；二是有助于學(xué)生利用課上所學(xué)知識進(jìn)行課后拓展延伸，展現(xiàn)自己的思考與創(chuàng)意；三是可以使學(xué)有余力的學(xué)生在課后將虛擬實驗中的模型創(chuàng)意轉(zhuǎn)換成真實的科創(chuàng)作品，進(jìn)一步提升綜合實踐能力。

三、虛擬實驗技術(shù)的課堂實踐應(yīng)用

1.科學(xué)原理與實踐應(yīng)用并重，聚焦核心素養(yǎng)

新課標(biāo)強調(diào)科學(xué)原理與實踐應(yīng)用并重。虛擬實驗技術(shù)可以很好地從實踐出發(fā)，幫助學(xué)生理解信息科技學(xué)科的基本概念和基本原理，通過實驗探究幫助學(xué)生進(jìn)行知識遷移，提升核心素養(yǎng)。

“身邊的算法”模塊主要涉及任務(wù)拆分、繪制流程圖、算法自然語言描述三大基本教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)時運用虛擬機器人作為實驗工具，能夠幫助學(xué)生從抽象到具象來理解算法。比如，巡線機器人能夠按照一定的路徑自動行走，因此已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在物流、醫(yī)療看護(hù)、園區(qū)守衛(wèi)等場景中。在實際教學(xué)過程中，學(xué)生可使用3D One AI在模塊化編程環(huán)境下編寫、調(diào)試巡線機器人程序，分別完成三個任務(wù)：（1）使用順序結(jié)構(gòu)完成規(guī)定路程巡邏；（2）利用反饋數(shù)據(jù)和分支結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單點巡線；（3）綜合應(yīng)用知識提高運算效率，實現(xiàn)雙點巡線。

在實驗過程中，學(xué)生能夠直觀地看到虛擬程序運行的實際效果，找出問題并進(jìn)行改進(jìn)，通過不斷試錯、迭代，理解算法的作用與價值，從更深的層面促進(jìn)核心素養(yǎng)的提升。

2.模擬真實場景，強化解決問題的能力

在真實實驗過程中，往往存在實驗場景無法完美實現(xiàn)和學(xué)生無法觀測實驗設(shè)備內(nèi)部運行情況等問題。一些實驗教學(xué)受限于課時，導(dǎo)致流程較長的實驗和學(xué)生自主探索較長的實驗很難實施。3D One AI不僅可以模擬真實實驗場景，還能通過三維旋轉(zhuǎn)的方式讓師生更便捷地觀察一些機械結(jié)構(gòu)。更重要的是，它能規(guī)避實驗中的風(fēng)險，甚至可以通過加速和一鍵復(fù)位的方式縮短實驗進(jìn)程，給學(xué)生提供更多的探索途徑，強化學(xué)生解決問題的能力。

“過程與控制”模塊涉及智能微波爐和智能洗衣機的內(nèi)容，都需要觀察按鈕輸入信息后得到反饋的情況。如果開展真實實驗進(jìn)行測試觀察，會有以下兩個問題：（1）教師要時刻注意學(xué)生的安全，避免出現(xiàn)一些意外。如微波爐操作不當(dāng)可能會將學(xué)生燙傷，洗衣機的轉(zhuǎn)動電機可能會把學(xué)生絞傷。（2）觀察電機運行需要拆卸設(shè)備，這無法在課堂中實現(xiàn)。3D One AI中的三維旋轉(zhuǎn)和移動功能就能夠解決這些問題。在這兩個項目中，教師可以讓學(xué)生嘗試解決一個具體的問題，比如，編寫一段用微波爐烤雞翅或蒸米飯的程序（如圖1），或者用洗衣機清洗被單或者襪子的程序。通過觀察虛擬實驗的程序代碼和運行情況，來判斷學(xué)生是否成功地解決了這個問題，從而讓學(xué)生經(jīng)歷為微波爐、洗衣機編寫程序并控制其運行的真實過程，然后再遷移到現(xiàn)實的家用電器中進(jìn)行對照驗證。

智能微波爐和智能洗衣機都是一個綜合性的大系統(tǒng)，通常由幾個小的系統(tǒng)組成。微波爐一般由轉(zhuǎn)盤、磁控管等部分組成，洗衣機一般由滾筒、進(jìn)排水系統(tǒng)等部分組成。3D One AI可以幫助學(xué)生更好地將設(shè)備劃分成獨立的模塊，并通過編程分別實現(xiàn)相應(yīng)功能，最后再重新組合成一個完整的系統(tǒng)。

3.重視階段成果，強化素養(yǎng)評價

學(xué)生實驗過程中，教師應(yīng)當(dāng)及時關(guān)注學(xué)生的反饋，了解學(xué)生的實驗情況和對相關(guān)科學(xué)原理的認(rèn)知程度，從而及時調(diào)整教學(xué)。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，實驗進(jìn)程中的階段性成果難以保存，因此教師無法進(jìn)行準(zhǔn)確的過程性評價；同時實驗還容易受到外部環(huán)境、硬件規(guī)格等干擾因素的影響，導(dǎo)致實驗失敗或效果不明顯。虛擬實驗技術(shù)則規(guī)避了以上問題，聚焦傳統(tǒng)實驗教學(xué)的關(guān)鍵因素和核心要點，使學(xué)生在實驗過程中能重復(fù)驗證，反饋結(jié)果更真實。這樣教師更容易對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)的評價，測量學(xué)生的真實素養(yǎng)水平。

以筆者嘗試的“智能倒車?yán)走_(dá)”教學(xué)為例，4個課時的內(nèi)容分別為：距離判斷、邏輯運算與語音播報、控制系統(tǒng)與軟硬件環(huán)境、編寫并調(diào)試程序。借助虛擬實驗技術(shù)，每一個課時可以有針對性地完成相應(yīng)板塊的學(xué)習(xí)，并形成一個階段性的學(xué)習(xí)成果，最終以文件形式保存下來。每一個課時所指向的素養(yǎng)評價也各有側(cè)重。第1課時關(guān)注信息意識，第2和第4課時關(guān)注計算思維的養(yǎng)成，第3課時則更偏向于數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新。所有課時完成后，學(xué)生可以將虛擬實驗各個環(huán)節(jié)的過程文件完整打包提交。

此外，3D One AI還可以通過后臺數(shù)據(jù)庫記錄學(xué)生實驗過程中所產(chǎn)生的實驗數(shù)據(jù)（如圖2），便于教師了解學(xué)生實驗過程，為精準(zhǔn)評價學(xué)生核心素養(yǎng)提供參考，還能為教師后續(xù)改進(jìn)教學(xué)提供依據(jù)。

4.創(chuàng)新體驗場景，滲透學(xué)科德育

新課標(biāo)強調(diào)信息技術(shù)使用的基本禮儀與規(guī)范，以及更規(guī)范、文明地使用設(shè)備。虛擬實驗技術(shù)能夠搭建典型場景，讓學(xué)生在場景體驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行討論和道德提升。

以筆者開展的“無人值守自習(xí)室”一課為例（如圖3），將人臉識別、二維碼識別、語音助手等技術(shù)綜合性應(yīng)用在同一個場景中。學(xué)生在體驗信息技術(shù)給生活帶來便利的同時，思考數(shù)字化教室的使用公約和信息公共環(huán)境中應(yīng)該遵循的道德規(guī)范，提升信息社會責(zé)任感，致力成為新時代的數(shù)字社會負(fù)責(zé)任公民。

教師在教學(xué)過程中穿插介紹根據(jù)光線強弱自動調(diào)節(jié)的臺燈、根據(jù)溫度變化自動調(diào)節(jié)的風(fēng)扇，讓學(xué)生意識到信息科技并不是冰冷的數(shù)據(jù)與代碼，優(yōu)秀的信息科技產(chǎn)品同樣能夠體現(xiàn)深刻的人文關(guān)懷和環(huán)境保護(hù)理念。

四、效果與反思

3D One AI作為一種結(jié)合信息技術(shù)與實驗操作的工具，給信息科技課堂實驗教學(xué)提供了新的路徑。通過場景搭建、3D模型導(dǎo)入、程序編寫等操作，教師可以借助虛擬實驗技術(shù)構(gòu)建一個完整的教學(xué)情境，在虛擬環(huán)境中給學(xué)生帶來完整的學(xué)習(xí)體驗。

新課標(biāo)背景下，虛擬實驗技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，為小學(xué)信息科技教學(xué)實施開辟了新的道路，拓寬了課堂教學(xué)的邊界，提高了教學(xué)的效率。當(dāng)然，作為一門實踐性較強的課程，教師在使用虛擬實驗技術(shù)開展信息科技教學(xué)的同時，也不應(yīng)放棄真實世界中的編程實驗與探索。例如，教師可以在虛擬實驗調(diào)試的基礎(chǔ)上將相關(guān)程序遷移到實際的開源硬件中進(jìn)行測試，從而實現(xiàn)虛實結(jié)合，助力學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。