毛欣烨 黄芳
一种应用VR、AR、MR虚拟现实相关技术
的馆校结合科学教育模式
——以
“探秘植物的一生”主题活动为例
毛欣烨
黄芳
(华中科技大学教育科学研究院，武汉，430074)
摘 要
VR、AR、MR技术是三种不同的虚拟现实相关技术，各有特色，将其应用于馆校结合科学教育可以达到优化教育质量的效果。目前VR、AR、MR技术在馆校结合科学教育中的应用不够深入、全面，馆校结合科学教育的形式也较为单一。对此本文总结提出一种应用VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式，以期提高馆校间科学教育合作的紧密度，贯通校内外的学习内容，促进学生全面发展。本文以“探秘植物的一生”主题活动为例，围绕核心素养目标，呈现活动设计思路、过程安排与评价方式，为本文所提出的科学教育活动模式提供案例参照，并分析该模式的应用前景与挑战。
关键词 虚拟现实相关技术
馆校结合 科学教育
随着教育与前沿技术的不断结合，教育行业在提升教学效率和教育体验，均衡优质教育资源等方面取得了显著成效。在虚拟现实（Virtual
Reality，VR）、增强现实（Augmented
Reality，AR）和混合现实（Mixed
Reality，MR）三种虚拟现实相关技术的帮助下，以信息技术为背景的现代教育打破了传统教育的诸多限制，能以新兴技术手段创生沉浸式教学环境，优化教学过程，有利于学生掌握知识与技能、激发学习积极性、发挥主体性、提升学习效果。而馆校结合作为科学教育的有效途径，其作用也在与虚拟现实相关技术的整合中得到延伸。2023年5月，教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，要求探索利用人工智能、虚拟现实等技术手段改进和强化实验教学，并广泛组织中小学生前往科学教育场所，进行场景式、体验式科学实践活动，弥补优质教育教学资源不足的状况。[1]由此，在馆校结合科学教育中应用虚拟现实相关技术已成为优化科学教育的重要内容，对于在教育“双减”中做好科学教育加法具有深远意义。
但目前，虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用仍不够深入和全面，馆校结合科学教育的形式也较为单一。例如虚拟现实相关技术的应用以VR、AR技术为主，而涉及MR技术的项目鲜见；馆校结合形式以学生参观科技场馆为主，注重浅层科技体验而缺少实践探究；馆校间虚拟现实相关资源的共享形式不够丰富，合作不够紧密。因此，本文尝试总结提出一种“课前+课内+课外”、“线上+线下”的科学教育活动模式，该模式融虚拟现实相关技术于馆校结合科学教育，并包含一系列馆校间科学资源共享形式，以期充分整合校内外资源，提升馆校之间的合作紧密度，克服虚拟现实相关技术融入馆校结合科学教育所面临的一些困难。
1 虚拟现实相关技术
1.1
VR、AR、MR技术的概念与应用
虚拟现实（Virtual
Reality，VR）技术又名灵境技术，是一种通过计算机仿真等技术生成的三维虚拟环境，具有模拟视觉、听觉、触觉等感觉器官的功能，使用户沉浸在虚拟环境中，并能通过语言、手势等与虚拟对象进行实时互动。[2,
3]虚拟现实技术具有4个特征，即想象性、交互性、沉浸性和智能化。[4]VR技术的应用范围十分广泛，例如在游戏和娱乐领域，VR技术可以为用户提供沉浸式的虚拟游戏体验和虚拟旅游等娱乐活动；在建筑和设计领域，建筑师可以利用VR技术将图纸制作为三维虚拟建筑物。而在教育领域，VR技术可以用于模拟教学和培训的环境，解决实际操作、访问的困难；可以用于交互式教学和互动游戏，提升学生的学习主动性；可以用于虚拟环境下的语言学习，帮助学生体验多元文化；还可以为特殊学生定制虚拟学习体验。在浙江省科技馆中，参观者可以通过头戴式VR设备，在气象模拟项目中感受暴风雪、沙尘暴、龙卷风的场景，也可以在高空窄桥项目中完成在虚拟城市高空窄桥上救猫的行动，由此，参观者可以在虚拟世界中获得现实中难以实现的体验。
增强现实（Augmented
Reality，AR）技术又名扩增实境或扩增现实技术，以VR技术为基础发展而来，指通过计算机技术生成虚拟信息，通过移动设备将虚拟信息叠加到真实世界的实时视图上，以此增强融入现实世界的对象，实现真实与虚拟的融合。[5,
6]增强现实具有虚实结合、实时交互和三维注册三个基本特征。[7]AR技术主要应用于利用移动设备扫描真实世界中的物体，通过图像识别跟踪技术在移动设备上显示相应的图片、语音、视频、3D模型等，例如在游戏和娱乐领域，AR技术为“AR红包”功能和一些AR游戏提供支持；在零售领域，AR技术可为在线购买者提供试穿服务。而在教育领域，AR技术使学生能在课堂上运用动态3D模型，以便理解相关知识，激发学习兴趣，且无需特殊设备即可操作；AR技术也可以用于阅读AR书籍，进行AR实验，体验AR游戏，优化技能培训，完善特殊康复教育等等。在浙江省科技馆中，参观者可以体验气象预报直播项目，摄像机会将人像投送至大屏幕，使参与者能在大屏幕的天气预报背景上进行动态讲解，无需头戴式设备即可在虚实结合中增强多感官体验。
混合现实（Mixed
Reality，MR）技术是VR、AR技术的进一步发展，该技术通过将虚拟世界的物体引入现实世界，或将现实世界中的物体融入虚拟世界，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭建一个能够交互反馈信息的桥梁，使虚拟世界与现实世界融为一体。[8]MR技术也具有虚实结合、实时交互和三维注册三个基本特征。[9]在医疗领域，MR技术能使手术提高精确性、减少时间、降低难度；在电气工程领域，MR技术可以为受训者提供真实的职业模拟训练。而在教育领域，MR可以应用于K-12学科课堂教学，例如打造“混合现实智慧课堂”，开展“5G+MR”全息物理公开课；还可以在教育游戏、远程指导和在线虚拟课堂、非物质文化遗产教育、特定领域技能培训中应用。[10]但目前国内有关MR技术的教学应用研究较少，主要表现在医学教育领域，许多科技馆内应用MR技术的项目鲜见，MR技术还有待进一步创新和推广。
1.2
VR、AR、MR技术之间的区别与联系
VR、AR、MR技术是三种不同的交互体验技术，它们之间的区别包含以下几个层面：在呈现画面层面，VR技术提供完全虚拟的画面，AR技术将虚拟画面叠加到现实场景中，MR技术结合了VR和AR元素，使虚拟画面和现实场景深度融合；在用户体验层面，VR技术使用户完全沉浸在虚拟世界中，AR技术使用户感到仍处于现实世界，但能分清虚拟和现实，MR技术使用户感到身处于现实世界，但不能分清虚拟和现实；在虚实交互层面，应用VR不能实现现实与虚拟间的互动，应用AR技术只能叠加虚拟画面却不能与现实场景进行互动，而应用MR技术可以使虚拟物体和现实场景相互感知、获取信息并实时交互。[11]
AR技术是在VR技术的基础上发展起来的，而MR技术又是VR、AR技术的进一步发展，因此VR、AR、MR技术之间也有一些相似之处，例如三类技术都应用了计算机图形图像技术和传感器技术；三类技术都能创设真实性极强的环境，为用户带来身临其境的沉浸式体验；三类技术都是现代交互技术的重要组成部分，都可以应用于游戏、教育、医疗等领域。
2 虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用现状及存在问题
2.1 虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用现状
20世纪90年代以来，西方的馆校合作形式普遍可以分为五大类——校外访问、学校拓展、教师专业发展、博物馆学校、区域及国家层面的整体项目式合作，其中国外馆校结合的形式以校外访问和学校拓展为主，而国内馆校合作的形式仍以校外访问为主。[12]校外访问主要是前往科技场馆参观访问，含有教育性设计；学校拓展即校外服务，主要是科技场馆向学校提供资源，延伸教育职能，帮助学生开展研究和实践。而近几年,国内实体科技馆和数字科技馆均建设有虚拟现实相关展品或专题，由此无论是线上还是线下，科技场馆的展教水平、服务时效性、服务创新驱动发展能力均得到了一定提升。[13]同时，国内外已有一些学校引入了科技场馆提供的虚拟现实相关技术，并将其应用于课堂教学和科学教育实践活动，以此激发学生的学习兴趣，为学生提供更为沉浸的学习体验，并在提高学生学习成绩、优化教学质量等方面取得了显著成效。
将虚拟现实相关技术应用于馆校结合科学教育领域，可以优化科学教育模式，保障实验安全，突破时间、空间等条件的限制，提高教育质量。在完全虚拟或虚实结合的场景中，学生可以获得身临其境的体验，增强学习沉浸感、互动体验感和视觉效果，开展个性化学习，提高学习主体性、学习兴趣、创新思维能力和探究实践能力。但目前所应用的虚拟现实相关技术以VR技术为主，AR技术较少，而MR技术鲜见，此外虚拟现实相关技术的应用还存在许多问题，因此馆校间应加强合作，以多元化的方式予以解决。
2.2 虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育应用中存在的问题
2.2.1
VR、AR、MR的应用不够深入和全面
在学校和科技场馆中，仅小部分展品和项目使用了VR、AR技术，且MR技术的应用鲜见，虚拟现实相关技术的应用程度均不高，大多数VR技术的应用停留在使用VR虚拟影像播放视频、建设VR模拟游戏等层面，而AR技术的应用也较注重简单体验；在科技场馆和学校中，大多数展品、仪器和项目更注重使用体验，包括应用VR、AR、MR的展品、仪器和项目，它们通常仅涉及到浅层现象及原理，科学学习的深度不够；融入虚拟现实相关技术的智能对话场景有待完善，很多科技馆内的人机问答设备只能回答特定问题，不能起到答疑解惑且有问必答的作用。
2.2.2 馆校结合科学教育形式单一
目前馆校合作形式不够紧密，在国内，馆校结合的形式主要为校外访问类型的参观学习活动，注重浅层体验而缺少深层次的科学探究实践内容；馆校结合科学教育系统也不够完善，主办于校内的馆校结合形式较少；科技场馆中开展的课外学习内容难以与校内的课堂学习内容形成完整知识体系；此外，科技场馆向学校提供的VR、AR、MR技术和相关应用也偏少。
3 虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育活动中的一种应用模式
本文在前人研究的基础上，以馆校结合科学教育为主要活动形式，将虚拟现实相关技术融入科学教育活动，尝试总结提出一种融入VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式，分析该种模式下的馆校间科学资源共享形式，以期充分整合校内外资源，提升馆校之间的合作紧密度，克服虚拟现实相关技术融入馆校结合科学教育中所面临的一些困难，并提高学生所学知识的整体性，使学生充分发挥主体性、激发对科学和虚拟现实相关技术的兴趣、增强创新思维能力、培养科学家精神、全面提高科学素质。[14]
3.1
“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式
该模式将科学教育活动分为课前、课内、课后三个阶段，分别在家庭、学校、科技场馆中进行，其中广泛应用VR、AR、MR技术，使科学教育活动具有线上、线下相结合的形式（图1）。该模式以STEAM教育理论、建构主义学习理论、自主学习理论、合作学习理论、具身认知理论、沉浸式认知理论等为基础，以跨学科、沉浸式、体验式、互动式为特点，在虚实结合中实现多主体、多场景、多感官、多形式的多元科学教育活动。[3]该模式包含两个关键要素——课前、课内、课外教学活动串联进行和应用虚拟现实相关技术，具体分析如下所示：
（1）整项科学教育活动包含以翻转课堂为特征的课前科学教育活动、以校内课堂教学为特征的课内科学教学活动、以科技场馆实践为特征的课外科学教育活动，学习内容前后衔接，具有一定的深度和广度，有利于增强馆校间合作的紧密度，也有利于学生掌握科学知识和技能，自主构建完整的知识体系。
（2）将虚拟现实相关技术贯穿于科学教育活动的全过程，赋予科学教育活动以线上和线下相互交织的活动形式，有利于开展跨学科教学活动，拓宽教学途径，也有利于全面培养学生的核心素养。VR、AR、MR技术在该模式中的可能性应用如下所示：
VR技术的应用：科技场馆和学校联合建设线下VR、AR、MR体验馆和线上VR虚拟实验室；馆校联合开发VR教具、材料和游戏，使学生可以观看科普视频和动画，观察肉眼难以看到的结构模型，或通过VR游戏在人机交互中学习或巩固知识；在3D建模技术和人工智能技术的协助下，学生可以通过VR模型编辑器自主制作3D模型，再使用3D打印仪器，以手工或机器制作的形式打印模型，再进行观察和讨论。
AR技术的应用：在科技场馆所提供的AR识别机前扫描指定图文，学生即可在显示屏上观察到周围环境中出现虚拟影像，体验沉浸式学习；学生还可以利用移动设备参与AR游戏、观看科普视频、观察AR模型，在现实和虚拟的叠加场景中学习或巩固知识；科技场馆和学校也可以联合企业和社会机构，研发和优化AR教育软件，使学生能通过移动设备，于任意时间地点应用AR技术进行科学学习，使科学学习摆脱时间和空间的限制。
MR技术的应用：对于优化学习方式，应用MR技术可以在现实中创设模拟情景，在教室中、科技场馆中以图文、视频、动画、语音等形式展现知识，师生可以利用头戴式仪器在真实世界中呈现虚拟影像，使用手势互动即可拖动、缩放、旋转整体影像，点击局部部位即可观察细节和内部结构，还可以进行播放立体视频影像、与ChatGPT等人工智能系统进行语音交互、切换多种影像、以多种形式展现事物等操作，将交互体验从一维拓展至多维，打破时间、空间的界限，充分调动学生的视觉、听觉、触觉多方位感官，实现师生、生生、人机多重交互，为学生带来身临其境的奇妙学习体验。同时，对于优化教学方式，智能设备还可以收集、整理分析教学过程中产生的数据，帮助教师跟踪、记录、评价学生的学习情况，为教师提供生成性的学习效果反馈，有利于教师对课堂实行精准把控。[15]
此外，除结合VR、AR、MR技术外，本模式还可以融入其它前沿技术，共同优化科学教育活动体系，例如以5G技术、元宇宙技术为支撑，与学校合作搭建“互联网+”教学平台，并在其中建设VR、AR、MR技术和ChatGPT等人工智能技术。
图1 融入VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式
3.2 馆校间虚拟现实相关科学资源共享形式
3.2.1 馆校间多形式合作，创生科学教育活动
馆校间可通过线下、线上、校内、校外的形式开展合作，融课堂教学活动与课外科技场馆教学活动于一体，共享资源，创设多元化的科学教育活动。
（1）线下合作形式
学校可以选择24小时博物馆开展短时间参观活动，学生可以与各项展品互动，参与手工制作活动，采访科技工作者，担任小小讲解员，录制科普视频；科技场馆可以派科技工作者前往学校，参与展品讲解、开设讲座等科技辅导工作。
此外馆校间还有更多合作形式，例如合作建设流动博物馆、科普大篷车、科技馆科学院、虚拟现实相关技术体验馆，进而开展参观、讲解、制作、服务等馆校间科学教育实践活动，联合举办促进馆校结合应用VR、AR、MR技术的研讨会，联合举办青少年科技赛事，开发相关教研活动以推动科学教师专业发展，推动区域及国家层面的整体项目式合作。
（2）线上合作形式
学校可利用WebQuest建构-探究学习模式、问题引导教学模式逐步开展教学活动，科技场馆负责提供系统技术支持，以“5G”、元宇宙技术为支撑，与学校合作搭建“互联网+”教学平台，并在教学平台内建设虚拟实验室，研发VR、AR、MR游戏，在翻转课堂中应用VR、AR、MR技术，由此学生可以在教师的引导、组织下，通过课堂学习、参观科技场馆、查阅网络资料等途径搜集信息、开展科学学习、构建知识体系，也可以利用网络平台开展探究性学习和研讨交流活动，最后进行反思、评价和总结，最终完成馆校间的科学教育实践活动。
馆校间还可以共享智能教学评价系统，由科技场馆提供技术支持，与学校合作搭建网络平台，完善面向学校学生和科技场馆参观者的科学教育评估体系，从科学知识、科学方法、科学精神、科学思维、科学本质、迁移应用等方面对学习者进行全方位评价和反馈，再由系统进一步提出问题和相关改进方法，有必要时师生可以开拓下一个相关议题，在学习循环模式中开展探究性学习。
（3）校外合作形式
科技场馆可以提供展品、仪器设备、科技人员、网站资料系统、科普经验、实践场地等资源，可以配套多元研学活动开展结合虚拟现实相关技术的科学教育活动；科技场馆可以增设融入VR、AR、MR技术的科普项目，完善已有科普设施，向社会募集设施改进意见，举办设计大赛，开发应用VR、AR、MR技术的科普设施和科学教育活动。
（4）校内合作形式
学校可以提供虚拟现实相关技术教具的设计理念、展品和设备的改进创新思路、优秀活动作品、科学教育理念和方法、科普场地等；学校可以调研自身的科学教育设施需求，从科技场馆引进VR、AR、MR相关设施，在校内建设虚拟实验室，研发、创新应用VR、AR、MR技术的科学教育活动；科技场馆可以派遣科技辅导员进校开展科普展品知识、教授科技课程、开设科技讲座等活动，协助融入VR、AR、MR技术的馆校结合科学教育活动的开展；学校可以和科技场馆合作，因地制宜创设校本课程，开展综合性实践活动，培养小小讲解员；在科技场馆的技术支持下，学校可以建设融入信息捕捉技术和人工智能技术的教学辅助系统，用于跟踪、记录、分析学生的学习数据，予以师生实时的反馈和评价。
由此，学生可以在学校和科技场馆分别开展课堂和课外实践活动，以此串联起馆校之间科学教育活动和知识学习体系，融正式学习和非正式学习于一体，提高学生的知识掌握水平和探究实践能力。并且，无论在馆在校，馆校间都可以进行线下和线上交流，实现资源共享。
3.2.2 馆校间相互交流作品、理念、设备与测验情况，共享评价和反馈
学校与科技场馆间可以通过多种交互方式共享资源，共同生成评价和反馈并相互借鉴，
具体交互方式如下：
（1）学生可以向科技场馆提供优秀活动作品，为科技场馆提供展览材料和项目优化经验。例如学校从科技场馆引进3D打印技术和相关仪器，让学生在教师的引导下，利用VR模型编辑器和3D打印仪器自主制作模型和教具，并利用模型开展观察和实践活动，之后再由学校将优秀活动作品送回科技场馆进行展览，并对3D建模活动和相关仪器提出优化建议。
（2）教师可以为科技场馆提供教学理念和教学经验，科技场馆可以为学校提供前沿技术、科普经验、展品仪器和科普视频，学校教师还可以与科技工作者相互交流，共同创新或研发虚拟现实相关教具和科学教育活动，积极组织馆校间合作研学活动。
（3）学校可以在智能教学评价系统内，利用虚拟现实相关技术和人工智能技术生成个性化知识测验，并针对学生的学习效果作出生成性评价，提出改进建议；生成的个性化知识测验及答题情况还可以作为参考反馈至科技场馆，使科技人员了解校内学生的知识水平、学习能力和心理状态，有利于改进科技场馆内互动项目，尤其是答题小游戏。
4 科学教育活动设计——以“探秘植物的一生”
主题活动为例
4.1活动设计思路
本项科学教育活动以教科版小学科学四年级下册第1单元第8课《凤仙花的一生》为课程基础，结合家庭科学教育活动和科技场馆教育活动，对原有教学内容作相关补充和创新设计，加入“翻转课堂”这一教学环节，将VR、AR、MR等前沿技术贯穿于科学教育活动全过程，运用观察实验、模型建构、探究实践、自主学习、合作学习等方式，最终生成“探秘植物的一生”主题活动，打造跨学科沉浸式学习，体现了STEAM教育理论、建构主义学习理论、自主学习理论、合作学习理论、沉浸式认知理论等理论，以期为融入虚拟现实相关技术的
“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动提供案例参考。
4.2学情分析，确定活动目标
本次科学教育活动的主要对象为小学四年级学生，应各地不同需求，也可延伸至初中学生。本次科学教育活动以单元活动总结为基础，此前小学四年级学生已亲身经历了一个完整的凤仙花种植观察活动，收集了大量信息，发展了动手实践能力。虽然在学生在前几次课程中已分别认识了根、茎、叶、花、果实和种子等植物器官，但整体认识仍不充分，他们对知识的概括、归纳能力也有限，因此教师需要引导学生整理、分析信息，梳理观察记录结果，形成对凤仙花生长变化过程的总体认识，也可以通过体验VR、AR、MR技术应用，进一步了解其他绿色开花植物的生长周期，同时学习植物标本制作、3D建模打印等拓展技术。
根据学情分析，本文以《科学课程标准（2022年）》所制定的课程目标为标准，提出以下活动目标（表1）。
表1
“探秘植物的一生”主题活动目标
活动目标
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科学观念
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认识绿色开花植物通常会经历种子萌发、幼苗生长发育、开花结果、衰老死亡的生长变化过程；
认识绿色开花植物一般由根、茎、叶、花、果实和种子组成；
理解根、茎、叶为植物生存提供营养物质，花、果实、种子帮助植物繁殖后代；
了解植物维持生命需要水、阳光、空气、土壤和适宜的温度；
了解其它绿色开花植物的生长变化过程。
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科学思维
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能基于观察记录和其他信息，有证据有逻辑地描述植物的生长变化过程；
能从微观、宏观角度思考各种绿色开花植物的生长变化过程，剖析内外部变化；
能依据相关证据，运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎、推理与论证等方法得出植物生长变化规律及生命需求等结论；
能意识到环境变化影响植物的生存和繁殖；
能以经验事实为基础，利用3D建模软件、3D打印机构建植物模型，并运用模型分析、解释植物的生长变化规律；
能多角度分析、思考问题，提出创新观点和解决方案。
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探究实践
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能用文字、统计图表等方式整理、分析观察记录的信息；
了解使用VR、AR、MR技术相关软件、设备的方法，能用其开展科学学习活动；
能自主制作虚拟植物标本，初步学习制作植物标本的方法，并对标本进行观察；
能自制植物模型，并运用模型展示、讲解植物的生长变化过程及其特性。
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态度责任
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4.3 活动过程安排
“探秘植物的一生”主题活动可分为课前、课内、课后三个阶段，分别在家庭、学校、科技馆中进行，其中线上和线下活动相互交织。学生通过自主和合作学习，整理、分析信息并得出结论，亲历探究实践过程，利用VR、AR、MR技术以及3D打印技术、人工智能技术完成游戏、观察、实验、建模等活动，最后在智能教学评价系统的帮助下，师生间、馆校间共享多样化的反馈与评价。“探秘植物的一生”主题活动的详细过程安排如下表所示（表2）。
表2
“探秘植物的一生”主题活动过程安排
活动阶段
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活动场所
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活动形式
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活动内容
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教育意义
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课前
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家庭
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翻转课堂
（线上）
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通过翻转课堂网络平台自主学习《凤仙花的一生》课程视频。
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在课前预习、梳理知识。
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制作科普视频
（线下+线上）
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整理凤仙花种植期间记录的照片和视频，按时间顺序将植物照片和视频制作成科普视频，经教师审核后，将科普视频上传至互联网平台共享。
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整理、认识凤仙花的生长变化过程；制作科普资源，供师生交流互鉴。
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课内
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学校
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课堂导入
（线下）
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分组讨论，展示科普视频和自己种植的凤仙花，师生、生生间分享观察记录、发现和思考，讲述种植过程中遇到的趣事和问题。
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引入课堂学习内容，回忆种植活动，激发学习兴趣。
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体验AR游戏
（线上）
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通过移动设备体验AR游戏，按时间顺序将凤仙花不同生长阶段的卡牌进行排序，用AR软件扫描正确的卡牌摆放顺序，即在现实场景中观看凤仙花的动态生长变化过程，并学习AR游戏所提供的图文知识。
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帮助认识凤仙花的生长变化过程，在巩固所学知识的同时拓展知识面，激发学习兴趣。
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提出问题，作出假设
（线下）
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提出问题——“从凤仙花的生长变化过程中能够发现什么规律？”，结合已有知识、经验和信息，从各方面思考凤仙花的生长变化过程，提出有关凤仙花生长变化规律的假设。
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明确讨论和研究的目标，锻炼科学思维能力。
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处理信息，制作图表
（线下）
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在教师引导下，小组内交流讨论，整理凤仙花种植期间记录的各类数据，分析凤仙花生长各阶段的外观特点，以折线图的形式绘制凤仙花生长各阶段时间图、凤仙花生长高度变化图，尝试从中分析得出结论。
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学会信息整理和分析、得出结论的方法，帮助建立对植物一生生长变化过程的整体认识。
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体验VR游戏
（线上）
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通过移动设备体验VR闯关游戏，在虚拟植物世界场景中逐步探索，进行知识问答。
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巩固已学知识，补充学习课外知识，激发学习兴趣。
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归纳总结，生成新问题
（线下）
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小组讨论，总结归纳本课知识，对凤仙花培养的过程进行反思和评价，提出新问题，例如“其它绿色开花植物的生长变化过程与凤仙花的相似吗？”、“植物在生长过程中内部变化是什么样的？”，并作出假设。
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锻炼学生总结归纳、反思评价的能力，为课外科学教育活动提供兴趣基础、探究内容指向。
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课外
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科技馆
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明确探究问题
（线下）
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在教师的引导下自主思考，复习课内所学知识，明确课外科学教育活动所探究的问题及相关假设。
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复习巩固，明确科学教育活动的探究内容。
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在VR虚拟实验室中探究
（线上）
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模拟制作植物标本。在虚拟世界中，从模拟实地采摘开始，学习制作植物标本，观察不同植物的植物根、茎、叶、果实等组织，拍摄生成虚拟图片。
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学习标本制作方法，探究不同植物生长变化过程的特点、区别与联系。
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续表2
“探秘植物的一生”主题活动过程安排
活动阶段
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活动场所
|
活动形式
|
活动内容
|
教育意义
|
课外
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科技馆
|
在VR虚拟实验室中探究
（线上）
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模拟培养植物。利用3D动态虚拟仿真实验培养一株绿色开花植物，可以对植物进行浇水、施肥、照光、换盆、除草、除虫、人工授精等操作，并在宏观层面进行观察。运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎、推理与论证等方法得出植物生长变化规律及生命需求等结论，发现水、阳光、空气、温度等因素均可影响植物的生长发育过程。
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通过不断试错纠正迷思概念，对植物的生长变化过程形成更加深入、完整的认识，有利于自主构建知识体系。
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观察3D植物动态模型。在内部和外部、宏观和微观层面，分别观察芽生长发育的过程、花开放的过程、植物的受精过程、种子形成和发育的过程等植物生长变化过程的不同阶段。
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观察现实世界中不易观察到的现象，拓展所学知识的广度、深度。
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体验植物AR识别机
（线下+
线上）
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使用植物AR识别机扫描植物种子图片，即可看到图片上的种子“活”了起来，以3D动画的形式慢慢生长发育，经历一个生长周期，最终变回种子形态，扫描不同种类的植物图片可以生成不同的3D动画。还可以向植物AR识别机所连接的ChatGPT系统提出问题，或获取更多感兴趣的信息。
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在三维视角下观察植物的生长变化过程，利用AR和人工智能技术答疑解惑，根据自身兴趣开展个性化学习。
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通过MR技术学习知识
（线下+
线上）
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打开MR技术配套的植物科普书，通过MR头戴式设备，对准书页上的植物图文即可看到相应植物的3D模型和虚拟文字简介，还可以选择播放科普视频和语音讲解，用手指点击植物3D虚拟模型各个部位，还可以选择放大该部位观察外观或选择观察其内部结构，并获得相关文字和语音解说。
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翻看MR科普书即可学习不同植物的相关知识，身临其境观察植物内外部结构和生长周期特点。
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体验VR建模与3D打印技术
（线下+
线上）
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选择某种植物生长周期的某个阶段，观察其外观和结构，在教师和智能系统的引导下，以自主或多人协作的形式，通过VR模型编辑器生成虚拟3D模型，再使用3D打印机制作实体植物模型，观察、分析其与标准模型的异同点，思考改进策略。
寻找其他同学所制作的不同生长阶段的植物模型，互动交流，将多个模型组合成完整的植物生长变化过程，并根据模型讲解植物生长变化过程。
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初步学习VR建模和3D打印技术，深化对植物生长周期各阶段特点和整体过程的认识，锻炼审美设计能力、科学思维能力等。
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表达交流，反思评价
（线下+
线上）
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与教师和学生展开讨论，解决问题，得出结论，在教师的引导下，对本项活动作出整体的反思评价，提出改进建议和创新方案。
参与优秀作品评选活动，将优秀作品送往线下展览；采集优秀作品图像，举办线上展览。
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以多种形式参与活动评价，锻炼语言表达能力、创新思维能力等，激发学习兴趣和成就感。
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4.4活动评价
在本项活动中，活动评价贯穿全过程，其中涉及多主体、多角度、多形式，主要表现为以下几点：
（1）应用VR、AR、MR技术和人工智能技术的教育评价系统持续收集、整理分析教学过程中产生的数据，并实时提供给教师和学生，帮助教师跟踪、记录、评价学生的学习情况，为师生提供生成性的学习效果反馈。
（2）根据资料信息和活动体验，师生、生生间交流讨论学习结果和遇到的问题，解决问题，得出结论，并对活动的某一阶段或整体作出反思评价，提出创新思路和方案。
（3）本次科学教育活动结束后，科技馆和学校将交流、共享活动经验和创新方案，并联合举办线下展览，将学生的3D打印作品经整理、评选后送展，并采集展品图像和文字解说，上传互联网平台以举办线上展览，与更多受众群体共享数字资源。
（4）教师与科技馆工作人员交流活动经验、教学理念，提出相关教具和活动的研发和创新设想，制定改进方案。
（5）学校利用虚拟现实相关技术和人工智能技术为学生生成个性化知识测验，并针对整体学习效果给出生成性评价，提出改进建议。
5 前景与挑战
5.1 前景
融入VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式，将虚拟现实相关技术应用于馆校结合科学教育，串联家庭、学校和科技场馆的科学教育活动，使线上、线下活动项目贯穿于整个科学教育活动，有利于促进馆校间科学教育合作，充分整合校内外科学资源，为学生提供身临其境的学习内容和操作机会，能够赋予教学内容直观性、趣味性、现实性、系统性等特点，促进学生掌握知识与技能，激发学生对科学学习和VR、AR、MR技术的兴趣，锻炼学生的技术与工程实践能力、模型建构能力、数据分析能力、审美能力、创新思维能力、语言表达能力、自主学习能力、合作学习能力等多方面能力，促进学生核心素养的全面发展，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。
此外，加强虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用，是跨学科整合的过程，有利于促进元宇宙、人工智能、5G等其它前沿技术融入馆校结合科学教育，实现远程教育的进步，推进STREAM教育理念、STSE教育理念、HPS教育理念等在探索多元化教学方式中的实践，使科学学习摆脱时间和空间的限制，让游戏化学习更便捷、更真实、更丰富，促进真实学习走出特定情境，实现资源的多通道实时共享，助力师生、生生间的合作学习。[16]
5.2 挑战
目前虚拟现实相关技术仍未达到完全成熟状态，特别是AR、MR技术，它们在馆校结合科学教育中的应用也不够完善，因此融入VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式可能面临以下挑战：
（1）虚拟现实相关技术不够成熟，成本太高，科技场馆和学校可能由于资金受限而无法提供虚拟现实相关技术服务，特别是MR技术服务。
（2）科技馆和学校对MR技术的使用基本停留在头戴式设备阶段，MR设备由于其高精度的特点，没有配套完整的产业链，用户在使用时可能出现尺寸不合适、有眩晕感、因延迟而使用脱节等问题，最终导致体验感不佳，且VR、AR、MR高精度仪器的损耗与修复也面临着一些问题。[16]
（3）由于应用VR、AR、MR技术的科学教育活动属于技术探究实践活动，且一些相关应用操作复杂，可能难以达到高效完成教学目标的效果。
（4）部分教师的专业水平有限，在掌握新型馆校结合科学教育模式时可能遇到困难，也可能因畏难情绪而不敢用、不常用此类教育模式。
（5）一些结合VR、AR、MR技术的教学系统不够完善，软件开发程度也不够高，使用频率较低，很多学校仍处于未引进阶段，仍需要一段时间来渗透应用VR、AR、MR技术的馆校合作科学教育模式。
6 总结
VR、AR、MR技术都属于虚拟现实相关技术，但它们各有特色，存在区别与联系。将VR、AR、MR技术应用于馆校结合科学教育可以优化科学教育质量。针对VR、AR、MR技术在馆校结合科学教育中的应用不够深入、全面、形式多样的问题，本文总结提出了一种应用VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式。该模式是馆校结合科学教育的一种表现形式，能够提高馆校间科学教育合作的紧密程度，能够贯通校内校外的学习内容，使其具有直观性、趣味性、现实性、系统性等特点，有利于促进学生掌握知识与技能、激发科学学习兴趣、锻炼多方面能力、培育科学家精神，最终促进学生核心素养的全面发展。
本文介绍的案例以教科版小学科学四年级下册中《凤仙花的一生》为课程基础，结合家庭科学教育活动和科技场馆教育活动，在教学内容中加入翻转课堂、虚拟现实相关技术、3D打印技术等元素，使科学教育活动以“线上+线下”的形式展现，最终生成“探秘植物的一生”主题活动。在本项活动中，学生经历了课前、课内、课后三个阶段的学习过程，在虚实结合的沉浸式学习环境中自主学习、合作学习，利用VR、AR、MR技术完成游戏、观察、实验、建模等活动，在线上形式和线下形式相交织的活动中亲历探究实践活动，在教学评价系统的帮助下，师生间、馆校间共享多样化的反馈与评价。从整体上看，本案例为应用VR、AR、MR技术的
“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式提供了参照。
参考
文 献
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作者简介：
毛欣烨，华中科技大学教育科学研究院研究生；研究方向为科学教育；E-mail：1325654337@qq.com。
黄芳，华中科技大学教育科学研究院副教授；研究方向为科学教育；E-mail：fanghuang@hust.edu.cn。
一种应用VR、AR、MR虚拟现实相关技术
的馆校结合科学教育模式
——以 “探秘植物的一生”主题活动为例
毛欣烨 黄芳
(华中科技大学教育科学研究院，武汉，430074)
摘 要 VR、AR、MR技术是三种不同的虚拟现实相关技术，各有特色，将其应用于馆校结合科学教育可以达到优化教育质量的效果。目前VR、AR、MR技术在馆校结合科学教育中的应用不够深入、全面，馆校结合科学教育的形式也较为单一。对此本文总结提出一种应用VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式，以期提高馆校间科学教育合作的紧密度，贯通校内外的学习内容，促进学生全面发展。本文以“探秘植物的一生”主题活动为例，围绕核心素养目标，呈现活动设计思路、过程安排与评价方式，为本文所提出的科学教育活动模式提供案例参照，并分析该模式的应用前景与挑战。
关键词 虚拟现实相关技术 馆校结合 科学教育
随着教育与前沿技术的不断结合，教育行业在提升教学效率和教育体验，均衡优质教育资源等方面取得了显著成效。在虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）和混合现实（Mixed Reality，MR）三种虚拟现实相关技术的帮助下，以信息技术为背景的现代教育打破了传统教育的诸多限制，能以新兴技术手段创生沉浸式教学环境，优化教学过程，有利于学生掌握知识与技能、激发学习积极性、发挥主体性、提升学习效果。而馆校结合作为科学教育的有效途径，其作用也在与虚拟现实相关技术的整合中得到延伸。2023年5月，教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》，要求探索利用人工智能、虚拟现实等技术手段改进和强化实验教学，并广泛组织中小学生前往科学教育场所，进行场景式、体验式科学实践活动，弥补优质教育教学资源不足的状况。[1]由此，在馆校结合科学教育中应用虚拟现实相关技术已成为优化科学教育的重要内容，对于在教育“双减”中做好科学教育加法具有深远意义。
但目前，虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用仍不够深入和全面，馆校结合科学教育的形式也较为单一。例如虚拟现实相关技术的应用以VR、AR技术为主，而涉及MR技术的项目鲜见；馆校结合形式以学生参观科技场馆为主，注重浅层科技体验而缺少实践探究；馆校间虚拟现实相关资源的共享形式不够丰富，合作不够紧密。因此，本文尝试总结提出一种“课前+课内+课外”、“线上+线下”的科学教育活动模式，该模式融虚拟现实相关技术于馆校结合科学教育，并包含一系列馆校间科学资源共享形式，以期充分整合校内外资源，提升馆校之间的合作紧密度，克服虚拟现实相关技术融入馆校结合科学教育所面临的一些困难。
1 虚拟现实相关技术
1.1 VR、AR、MR技术的概念与应用
虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术又名灵境技术，是一种通过计算机仿真等技术生成的三维虚拟环境，具有模拟视觉、听觉、触觉等感觉器官的功能，使用户沉浸在虚拟环境中，并能通过语言、手势等与虚拟对象进行实时互动。[2, 3]虚拟现实技术具有4个特征，即想象性、交互性、沉浸性和智能化。[4]VR技术的应用范围十分广泛，例如在游戏和娱乐领域，VR技术可以为用户提供沉浸式的虚拟游戏体验和虚拟旅游等娱乐活动；在建筑和设计领域，建筑师可以利用VR技术将图纸制作为三维虚拟建筑物。而在教育领域，VR技术可以用于模拟教学和培训的环境，解决实际操作、访问的困难；可以用于交互式教学和互动游戏，提升学生的学习主动性；可以用于虚拟环境下的语言学习，帮助学生体验多元文化；还可以为特殊学生定制虚拟学习体验。在浙江省科技馆中，参观者可以通过头戴式VR设备，在气象模拟项目中感受暴风雪、沙尘暴、龙卷风的场景，也可以在高空窄桥项目中完成在虚拟城市高空窄桥上救猫的行动，由此，参观者可以在虚拟世界中获得现实中难以实现的体验。
增强现实（Augmented Reality，AR）技术又名扩增实境或扩增现实技术，以 VR 技术为基础发展而来，指通过计算机技术生成虚拟信息，通过移动设备将虚拟信息叠加到真实世界的实时视图上，以此增强融入现实世界的对象，实现真实与虚拟的融合。[5, 6]增强现实具有虚实结合、实时交互和三维注册三个基本特征。[7]AR技术主要应用于利用移动设备扫描真实世界中的物体，通过图像识别跟踪技术在移动设备上显示相应的图片、语音、视频、3D模型等，例如在游戏和娱乐领域，AR技术为“AR红包”功能和一些AR游戏提供支持；在零售领域，AR技术可为在线购买者提供试穿服务。而在教育领域，AR技术使学生能在课堂上运用动态3D模型，以便理解相关知识，激发学习兴趣，且无需特殊设备即可操作；AR技术也可以用于阅读AR书籍，进行AR实验，体验AR游戏，优化技能培训，完善特殊康复教育等等。在浙江省科技馆中，参观者可以体验气象预报直播项目，摄像机会将人像投送至大屏幕，使参与者能在大屏幕的天气预报背景上进行动态讲解，无需头戴式设备即可在虚实结合中增强多感官体验。
混合现实（Mixed Reality，MR）技术是VR、AR技术的进一步发展，该技术通过将虚拟世界的物体引入现实世界，或将现实世界中的物体融入虚拟世界，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭建一个能够交互反馈信息的桥梁，使虚拟世界与现实世界融为一体。[8]MR技术也具有虚实结合、实时交互和三维注册三个基本特征。[9]在医疗领域，MR技术能使手术提高精确性、减少时间、降低难度；在电气工程领域，MR技术可以为受训者提供真实的职业模拟训练。而在教育领域，MR可以应用于K-12学科课堂教学，例如打造“混合现实智慧课堂”，开展“5G+MR”全息物理公开课；还可以在教育游戏、远程指导和在线虚拟课堂、非物质文化遗产教育、特定领域技能培训中应用。[10]但目前国内有关MR技术的教学应用研究较少，主要表现在医学教育领域，许多科技馆内应用MR技术的项目鲜见，MR技术还有待进一步创新和推广。
1.2 VR、AR、MR技术之间的区别与联系
VR、AR、MR技术是三种不同的交互体验技术，它们之间的区别包含以下几个层面：在呈现画面层面，VR技术提供完全虚拟的画面，AR技术将虚拟画面叠加到现实场景中，MR技术结合了VR和AR元素，使虚拟画面和现实场景深度融合；在用户体验层面，VR技术使用户完全沉浸在虚拟世界中，AR技术使用户感到仍处于现实世界，但能分清虚拟和现实，MR技术使用户感到身处于现实世界，但不能分清虚拟和现实；在虚实交互层面，应用VR不能实现现实与虚拟间的互动，应用AR技术只能叠加虚拟画面却不能与现实场景进行互动，而应用MR技术可以使虚拟物体和现实场景相互感知、获取信息并实时交互。[11]
AR技术是在VR技术的基础上发展起来的，而MR技术又是VR、AR技术的进一步发展，因此VR、AR、MR技术之间也有一些相似之处，例如三类技术都应用了计算机图形图像技术和传感器技术；三类技术都能创设真实性极强的环境，为用户带来身临其境的沉浸式体验；三类技术都是现代交互技术的重要组成部分，都可以应用于游戏、教育、医疗等领域。
2 虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用现状及存在问题
2.1 虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用现状
20世纪90年代以来，西方的馆校合作形式普遍可以分为五大类——校外访问、学校拓展、教师专业发展、博物馆学校、区域及国家层面的整体项目式合作，其中国外馆校结合的形式以校外访问和学校拓展为主，而国内馆校合作的形式仍以校外访问为主。[12]校外访问主要是前往科技场馆参观访问，含有教育性设计；学校拓展即校外服务，主要是科技场馆向学校提供资源，延伸教育职能，帮助学生开展研究和实践。而近几年, 国内实体科技馆和数字科技馆均建设有虚拟现实相关展品或专题，由此无论是线上还是线下，科技场馆的展教水平、服务时效性、服务创新驱动发展能力均得到了一定提升。[13]同时，国内外已有一些学校引入了科技场馆提供的虚拟现实相关技术，并将其应用于课堂教学和科学教育实践活动，以此激发学生的学习兴趣，为学生提供更为沉浸的学习体验，并在提高学生学习成绩、优化教学质量等方面取得了显著成效。
将虚拟现实相关技术应用于馆校结合科学教育领域，可以优化科学教育模式，保障实验安全，突破时间、空间等条件的限制，提高教育质量。在完全虚拟或虚实结合的场景中，学生可以获得身临其境的体验，增强学习沉浸感、互动体验感和视觉效果，开展个性化学习，提高学习主体性、学习兴趣、创新思维能力和探究实践能力。但目前所应用的虚拟现实相关技术以VR技术为主，AR技术较少，而MR技术鲜见，此外虚拟现实相关技术的应用还存在许多问题，因此馆校间应加强合作，以多元化的方式予以解决。
2.2 虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育应用中存在的问题
2.2.1 VR、AR、MR的应用不够深入和全面
在学校和科技场馆中，仅小部分展品和项目使用了VR、AR技术，且MR技术的应用鲜见，虚拟现实相关技术的应用程度均不高，大多数VR技术的应用停留在使用VR虚拟影像播放视频、建设VR模拟游戏等层面，而AR技术的应用也较注重简单体验；在科技场馆和学校中，大多数展品、仪器和项目更注重使用体验，包括应用VR、AR、MR的展品、仪器和项目，它们通常仅涉及到浅层现象及原理，科学学习的深度不够；融入虚拟现实相关技术的智能对话场景有待完善，很多科技馆内的人机问答设备只能回答特定问题，不能起到答疑解惑且有问必答的作用。
2.2.2 馆校结合科学教育形式单一
目前馆校合作形式不够紧密，在国内，馆校结合的形式主要为校外访问类型的参观学习活动，注重浅层体验而缺少深层次的科学探究实践内容；馆校结合科学教育系统也不够完善，主办于校内的馆校结合形式较少；科技场馆中开展的课外学习内容难以与校内的课堂学习内容形成完整知识体系；此外，科技场馆向学校提供的VR、AR、MR技术和相关应用也偏少。
3 虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育活动中的一种应用模式
本文在前人研究的基础上，以馆校结合科学教育为主要活动形式，将虚拟现实相关技术融入科学教育活动，尝试总结提出一种融入VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式，分析该种模式下的馆校间科学资源共享形式，以期充分整合校内外资源，提升馆校之间的合作紧密度，克服虚拟现实相关技术融入馆校结合科学教育中所面临的一些困难，并提高学生所学知识的整体性，使学生充分发挥主体性、激发对科学和虚拟现实相关技术的兴趣、增强创新思维能力、培养科学家精神、全面提高科学素质。[14]
3.1 “课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式
该模式将科学教育活动分为课前、课内、课后三个阶段，分别在家庭、学校、科技场馆中进行，其中广泛应用VR、AR、MR技术，使科学教育活动具有线上、线下相结合的形式（图1）。该模式以STEAM教育理论、建构主义学习理论、自主学习理论、合作学习理论、具身认知理论、沉浸式认知理论等为基础，以跨学科、沉浸式、体验式、互动式为特点，在虚实结合中实现多主体、多场景、多感官、多形式的多元科学教育活动。[3]该模式包含两个关键要素——课前、课内、课外教学活动串联进行和应用虚拟现实相关技术，具体分析如下所示：
（1）整项科学教育活动包含以翻转课堂为特征的课前科学教育活动、以校内课堂教学为特征的课内科学教学活动、以科技场馆实践为特征的课外科学教育活动，学习内容前后衔接，具有一定的深度和广度，有利于增强馆校间合作的紧密度，也有利于学生掌握科学知识和技能，自主构建完整的知识体系。
（2）将虚拟现实相关技术贯穿于科学教育活动的全过程，赋予科学教育活动以线上和线下相互交织的活动形式，有利于开展跨学科教学活动，拓宽教学途径，也有利于全面培养学生的核心素养。VR、AR、MR技术在该模式中的可能性应用如下所示：
l VR技术的应用：科技场馆和学校联合建设线下VR、AR、MR体验馆和线上VR虚拟实验室；馆校联合开发VR教具、材料和游戏，使学生可以观看科普视频和动画，观察肉眼难以看到的结构模型，或通过VR游戏在人机交互中学习或巩固知识；在3D建模技术和人工智能技术的协助下，学生可以通过VR模型编辑器自主制作3D模型，再使用3D打印仪器，以手工或机器制作的形式打印模型，再进行观察和讨论。
l AR技术的应用：在科技场馆所提供的AR识别机前扫描指定图文，学生即可在显示屏上观察到周围环境中出现虚拟影像，体验沉浸式学习；学生还可以利用移动设备参与AR游戏、观看科普视频、观察AR模型，在现实和虚拟的叠加场景中学习或巩固知识；科技场馆和学校也可以联合企业和社会机构，研发和优化AR教育软件，使学生能通过移动设备，于任意时间地点应用AR技术进行科学学习，使科学学习摆脱时间和空间的限制。
l MR技术的应用：对于优化学习方式，应用MR技术可以在现实中创设模拟情景，在教室中、科技场馆中以图文、视频、动画、语音等形式展现知识，师生可以利用头戴式仪器在真实世界中呈现虚拟影像，使用手势互动即可拖动、缩放、旋转整体影像，点击局部部位即可观察细节和内部结构，还可以进行播放立体视频影像、与ChatGPT等人工智能系统进行语音交互、切换多种影像、以多种形式展现事物等操作，将交互体验从一维拓展至多维，打破时间、空间的界限，充分调动学生的视觉、听觉、触觉多方位感官，实现师生、生生、人机多重交互，为学生带来身临其境的奇妙学习体验。同时，对于优化教学方式，智能设备还可以收集、整理分析教学过程中产生的数据，帮助教师跟踪、记录、评价学生的学习情况，为教师提供生成性的学习效果反馈，有利于教师对课堂实行精准把控。[15]
此外，除结合VR、AR、MR技术外，本模式还可以融入其它前沿技术，共同优化科学教育活动体系，例如以5G技术、元宇宙技术为支撑，与学校合作搭建“互联网+”教学平台，并在其中建设VR、AR、MR技术和ChatGPT等人工智能技术。
图 1 融入VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式
3.2 馆校间虚拟现实相关科学资源共享形式
3.2.1 馆校间多形式合作，创生科学教育活动
馆校间可通过线下、线上、校内、校外的形式开展合作，融课堂教学活动与课外科技场馆教学活动于一体，共享资源，创设多元化的科学教育活动。
（1）线下合作形式
学校可以选择24小时博物馆开展短时间参观活动，学生可以与各项展品互动，参与手工制作活动，采访科技工作者，担任小小讲解员，录制科普视频；科技场馆可以派科技工作者前往学校，参与展品讲解、开设讲座等科技辅导工作。
此外馆校间还有更多合作形式，例如合作建设流动博物馆、科普大篷车、科技馆科学院、虚拟现实相关技术体验馆，进而开展参观、讲解、制作、服务等馆校间科学教育实践活动，联合举办促进馆校结合应用VR、AR、MR技术的研讨会，联合举办青少年科技赛事，开发相关教研活动以推动科学教师专业发展，推动区域及国家层面的整体项目式合作。
（2）线上合作形式
学校可利用WebQuest建构-探究学习模式、问题引导教学模式逐步开展教学活动，科技场馆负责提供系统技术支持，以“5G”、元宇宙技术为支撑，与学校合作搭建“互联网+”教学平台，并在教学平台内建设虚拟实验室，研发VR、AR、MR游戏，在翻转课堂中应用VR、AR、MR技术，由此学生可以在教师的引导、组织下，通过课堂学习、参观科技场馆、查阅网络资料等途径搜集信息、开展科学学习、构建知识体系，也可以利用网络平台开展探究性学习和研讨交流活动，最后进行反思、评价和总结，最终完成馆校间的科学教育实践活动。
馆校间还可以共享智能教学评价系统，由科技场馆提供技术支持，与学校合作搭建网络平台，完善面向学校学生和科技场馆参观者的科学教育评估体系，从科学知识、科学方法、科学精神、科学思维、科学本质、迁移应用等方面对学习者进行全方位评价和反馈，再由系统进一步提出问题和相关改进方法，有必要时师生可以开拓下一个相关议题，在学习循环模式中开展探究性学习。
（3）校外合作形式
科技场馆可以提供展品、仪器设备、科技人员、网站资料系统、科普经验、实践场地等资源，可以配套多元研学活动开展结合虚拟现实相关技术的科学教育活动；科技场馆可以增设融入VR、AR、MR技术的科普项目，完善已有科普设施，向社会募集设施改进意见，举办设计大赛，开发应用VR、AR、MR技术的科普设施和科学教育活动。
（4）校内合作形式
学校可以提供虚拟现实相关技术教具的设计理念、展品和设备的改进创新思路、优秀活动作品、科学教育理念和方法、科普场地等；学校可以调研自身的科学教育设施需求，从科技场馆引进VR、AR、MR相关设施，在校内建设虚拟实验室，研发、创新应用VR、AR、MR技术的科学教育活动；科技场馆可以派遣科技辅导员进校开展科普展品知识、教授科技课程、开设科技讲座等活动，协助融入VR、AR、MR技术的馆校结合科学教育活动的开展；学校可以和科技场馆合作，因地制宜创设校本课程，开展综合性实践活动，培养小小讲解员；在科技场馆的技术支持下，学校可以建设融入信息捕捉技术和人工智能技术的教学辅助系统，用于跟踪、记录、分析学生的学习数据，予以师生实时的反馈和评价。
由此，学生可以在学校和科技场馆分别开展课堂和课外实践活动，以此串联起馆校之间科学教育活动和知识学习体系，融正式学习和非正式学习于一体，提高学生的知识掌握水平和探究实践能力。并且，无论在馆在校，馆校间都可以进行线下和线上交流，实现资源共享。
3.2.2 馆校间相互交流作品、理念、设备与测验情况，共享评价和反馈
学校与科技场馆间可以通过多种交互方式共享资源，共同生成评价和反馈并相互借鉴， 具体交互方式如下：
（1）学生可以向科技场馆提供优秀活动作品，为科技场馆提供展览材料和项目优化经验。例如学校从科技场馆引进3D打印技术和相关仪器，让学生在教师的引导下，利用VR模型编辑器和3D打印仪器自主制作模型和教具，并利用模型开展观察和实践活动，之后再由学校将优秀活动作品送回科技场馆进行展览，并对3D建模活动和相关仪器提出优化建议。
（2）教师可以为科技场馆提供教学理念和教学经验，科技场馆可以为学校提供前沿技术、科普经验、展品仪器和科普视频，学校教师还可以与科技工作者相互交流，共同创新或研发虚拟现实相关教具和科学教育活动，积极组织馆校间合作研学活动。
（3）学校可以在智能教学评价系统内，利用虚拟现实相关技术和人工智能技术生成个性化知识测验，并针对学生的学习效果作出生成性评价，提出改进建议；生成的个性化知识测验及答题情况还可以作为参考反馈至科技场馆，使科技人员了解校内学生的知识水平、学习能力和心理状态，有利于改进科技场馆内互动项目，尤其是答题小游戏。
4 科学教育活动设计——以“探秘植物的一生” 主题活动为例
4.1 活动设计思路
本项科学教育活动以教科版小学科学四年级下册第1单元第8课《凤仙花的一生》为课程基础，结合家庭科学教育活动和科技场馆教育活动，对原有教学内容作相关补充和创新设计，加入“翻转课堂”这一教学环节，将VR、AR、MR等前沿技术贯穿于科学教育活动全过程，运用观察实验、模型建构、探究实践、自主学习、合作学习等方式，最终生成“探秘植物的一生”主题活动，打造跨学科沉浸式学习，体现了STEAM教育理论、建构主义学习理论、自主学习理论、合作学习理论、沉浸式认知理论等理论，以期为融入虚拟现实相关技术的 “课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动提供案例参考。
4.2 学情分析，确定活动目标
本次科学教育活动的主要对象为小学四年级学生，应各地不同需求，也可延伸至初中学生。本次科学教育活动以单元活动总结为基础，此前小学四年级学生已亲身经历了一个完整的凤仙花种植观察活动，收集了大量信息，发展了动手实践能力。虽然在学生在前几次课程中已分别认识了根、茎、叶、花、果实和种子等植物器官，但整体认识仍不充分，他们对知识的概括、归纳能力也有限，因此教师需要引导学生整理、分析信息，梳理观察记录结果，形成对凤仙花生长变化过程的总体认识，也可以通过体验VR、AR、MR技术应用，进一步了解其他绿色开花植物的生长周期，同时学习植物标本制作、3D建模打印等拓展技术。
根据学情分析，本文以《科学课程标准（2022年）》所制定的课程目标为标准，提出以下活动目标（表1）。
表 1 “探秘植物的一生”主题活动目标
活动目标 |
科学观念 | l 认识绿色开花植物通常会经历种子萌发、幼苗生长发育、开花结果、衰老死亡的生长变化过程； l 认识绿色开花植物一般由根、茎、叶、花、果实和种子组成； l 理解根、茎、叶为植物生存提供营养物质，花、果实、种子帮助植物繁殖后代； l 了解植物维持生命需要水、阳光、空气、土壤和适宜的温度； l 了解其它绿色开花植物的生长变化过程。 |
科学思维 | l 能基于观察记录和其他信息，有证据有逻辑地描述植物的生长变化过程； l 能从微观、宏观角度思考各种绿色开花植物的生长变化过程，剖析内外部变化； l 能依据相关证据，运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎、推理与论证等方法得出植物生长变化规律及生命需求等结论； l 能意识到环境变化影响植物的生存和繁殖； l 能以经验事实为基础，利用3D建模软件、3D打印机构建植物模型，并运用模型分析、解释植物的生长变化规律； l 能多角度分析、思考问题，提出创新观点和解决方案。 |
探究实践 | l 能用文字、统计图表等方式整理、分析观察记录的信息； l 了解使用VR、AR、MR技术相关软件、设备的方法，能用其开展科学学习活动； l 能自主制作虚拟植物标本，初步学习制作植物标本的方法，并对标本进行观察； l 能自制植物模型，并运用模型展示、讲解植物的生长变化过程及其特性。 |
态度责任 | l 能基于证据和逻辑发表自己的见解，严谨求实； l 能善于合作，乐于接纳他人的观点，尊重他人的情感和态度； l 敢于大胆质疑，追求创新； l 能保持以强烈的好奇心和探究热情来参与各项活动，研究植物的生长变化过程。 |
4.3 活动过程安排
“探秘植物的一生”主题活动可分为课前、课内、课后三个阶段，分别在家庭、学校、科技馆中进行，其中线上和线下活动相互交织。学生通过自主和合作学习，整理、分析信息并得出结论，亲历探究实践过程，利用VR、AR、MR技术以及3D打印技术、人工智能技术完成游戏、观察、实验、建模等活动，最后在智能教学评价系统的帮助下，师生间、馆校间共享多样化的反馈与评价。“探秘植物的一生”主题活动的详细过程安排如下表所示（表2）。
表 2 “探秘植物的一生”主题活动过程安排
活动阶段 | 活动场所 | 活动形式 | 活动内容 | 教育意义 |
课前 | 家庭 | 翻转课堂 （线上） | 通过翻转课堂网络平台自主学习《凤仙花的一生》课程视频。 | 在课前预习、梳理知识。 |
制作科普视频 （线下+线上） | 整理凤仙花种植期间记录的照片和视频，按时间顺序将植物照片和视频制作成科普视频，经教师审核后，将科普视频上传至互联网平台共享。 | 整理、认识凤仙花的生长变化过程；制作科普资源，供师生交流互鉴。 |
课内 | 学校 | 课堂导入 （线下） | 分组讨论，展示科普视频和自己种植的凤仙花，师生、生生间分享观察记录、发现和思考，讲述种植过程中遇到的趣事和问题。 | 引入课堂学习内容，回忆种植活动，激发学习兴趣。 |
体验AR游戏 （线上） | 通过移动设备体验AR游戏，按时间顺序将凤仙花不同生长阶段的卡牌进行排序，用AR软件扫描正确的卡牌摆放顺序，即在现实场景中观看凤仙花的动态生长变化过程，并学习AR游戏所提供的图文知识。 | 帮助认识凤仙花的生长变化过程，在巩固所学知识的同时拓展知识面，激发学习兴趣。 |
提出问题，作出假设 （线下） | 提出问题——“从凤仙花的生长变化过程中能够发现什么规律？”，结合已有知识、经验和信息，从各方面思考凤仙花的生长变化过程，提出有关凤仙花生长变化规律的假设。 | 明确讨论和研究的目标，锻炼科学思维能力。 |
处理信息，制作图表 （线下） | 在教师引导下，小组内交流讨论，整理凤仙花种植期间记录的各类数据，分析凤仙花生长各阶段的外观特点，以折线图的形式绘制凤仙花生长各阶段时间图、凤仙花生长高度变化图，尝试从中分析得出结论。 | 学会信息整理和分析、得出结论的方法，帮助建立对植物一生生长变化过程的整体认识。 |
体验VR游戏 （线上） | 通过移动设备体验VR闯关游戏，在虚拟植物世界场景中逐步探索，进行知识问答。 | 巩固已学知识，补充学习课外知识，激发学习兴趣。 |
归纳总结，生成新问题 （线下） | 小组讨论，总结归纳本课知识，对凤仙花培养的过程进行反思和评价，提出新问题，例如“其它绿色开花植物的生长变化过程与凤仙花的相似吗？”、“植物在生长过程中内部变化是什么样的？”，并作出假设。 | 锻炼学生总结归纳、反思评价的能力，为课外科学教育活动提供兴趣基础、探究内容指向。 |
课外 | 科技馆 | 明确探究问题 （线下） | 在教师的引导下自主思考，复习课内所学知识，明确课外科学教育活动所探究的问题及相关假设。 | 复习巩固，明确科学教育活动的探究内容。 |
在VR虚拟实验室中探究 （线上） | 模拟制作植物标本。在虚拟世界中，从模拟实地采摘开始，学习制作植物标本，观察不同植物的植物根、茎、叶、果实等组织，拍摄生成虚拟图片。 | 学习标本制作方法，探究不同植物生长变化过程的特点、区别与联系。 |
续表 2 “探秘植物的一生”主题活动过程安排
活动阶段 | 活动场所 | 活动形式 | 活动内容 | 教育意义 |
课外 | 科技馆 | 在VR虚拟实验室中探究 （线上） | 模拟培养植物。利用3D动态虚拟仿真实验培养一株绿色开花植物，可以对植物进行浇水、施肥、照光、换盆、除草、除虫、人工授精等操作，并在宏观层面进行观察。运用分析与综合、比较与分类、归纳与演绎、推理与论证等方法得出植物生长变化规律及生命需求等结论，发现水、阳光、空气、温度等因素均可影响植物的生长发育过程。 | 通过不断试错纠正迷思概念，对植物的生长变化过程形成更加深入、完整的认识，有利于自主构建知识体系。 |
观察3D植物动态模型。在内部和外部、宏观和微观层面，分别观察芽生长发育的过程、花开放的过程、植物的受精过程、种子形成和发育的过程等植物生长变化过程的不同阶段。 | 观察现实世界中不易观察到的现象，拓展所学知识的广度、深度。 |
体验植物AR识别机 （线下+ 线上） | 使用植物AR识别机扫描植物种子图片，即可看到图片上的种子“活”了起来，以3D动画的形式慢慢生长发育，经历一个生长周期，最终变回种子形态，扫描不同种类的植物图片可以生成不同的3D动画。还可以向植物AR识别机所连接的ChatGPT系统提出问题，或获取更多感兴趣的信息。 | 在三维视角下观察植物的生长变化过程，利用AR和人工智能技术答疑解惑，根据自身兴趣开展个性化学习。 |
通过MR技术学习知识 （线下+ 线上） | 打开MR技术配套的植物科普书，通过MR头戴式设备，对准书页上的植物图文即可看到相应植物的3D模型和虚拟文字简介，还可以选择播放科普视频和语音讲解，用手指点击植物3D虚拟模型各个部位，还可以选择放大该部位观察外观或选择观察其内部结构，并获得相关文字和语音解说。 | 翻看MR科普书即可学习不同植物的相关知识，身临其境观察植物内外部结构和生长周期特点。 |
体验VR建模与3D打印技术 （线下+ 线上） | 选择某种植物生长周期的某个阶段，观察其外观和结构，在教师和智能系统的引导下，以自主或多人协作的形式，通过VR模型编辑器生成虚拟3D模型，再使用3D打印机制作实体植物模型，观察、分析其与标准模型的异同点，思考改进策略。 寻找其他同学所制作的不同生长阶段的植物模型，互动交流，将多个模型组合成完整的植物生长变化过程，并根据模型讲解植物生长变化过程。 | 初步学习VR建模和3D打印技术，深化对植物生长周期各阶段特点和整体过程的认识，锻炼审美设计能力、科学思维能力等。 |
表达交流，反思评价 （线下+ 线上） | 与教师和学生展开讨论，解决问题，得出结论，在教师的引导下，对本项活动作出整体的反思评价，提出改进建议和创新方案。 参与优秀作品评选活动，将优秀作品送往线下展览；采集优秀作品图像，举办线上展览。 | 以多种形式参与活动评价，锻炼语言表达能力、创新思维能力等，激发学习兴趣和成就感。 |
4.4 活动评价
在本项活动中，活动评价贯穿全过程，其中涉及多主体、多角度、多形式，主要表现为以下几点：
（1）应用VR、AR、MR技术和人工智能技术的教育评价系统持续收集、整理分析教学过程中产生的数据，并实时提供给教师和学生，帮助教师跟踪、记录、评价学生的学习情况，为师生提供生成性的学习效果反馈。
（2）根据资料信息和活动体验，师生、生生间交流讨论学习结果和遇到的问题，解决问题，得出结论，并对活动的某一阶段或整体作出反思评价，提出创新思路和方案。
（3）本次科学教育活动结束后，科技馆和学校将交流、共享活动经验和创新方案，并联合举办线下展览，将学生的3D打印作品经整理、评选后送展，并采集展品图像和文字解说，上传互联网平台以举办线上展览，与更多受众群体共享数字资源。
（4）教师与科技馆工作人员交流活动经验、教学理念，提出相关教具和活动的研发和创新设想，制定改进方案。
（5）学校利用虚拟现实相关技术和人工智能技术为学生生成个性化知识测验，并针对整体学习效果给出生成性评价，提出改进建议。
5 前景与挑战
5.1 前景
融入VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式，将虚拟现实相关技术应用于馆校结合科学教育，串联家庭、学校和科技场馆的科学教育活动，使线上、线下活动项目贯穿于整个科学教育活动，有利于促进馆校间科学教育合作，充分整合校内外科学资源，为学生提供身临其境的学习内容和操作机会，能够赋予教学内容直观性、趣味性、现实性、系统性等特点，促进学生掌握知识与技能，激发学生对科学学习和VR、AR、MR技术的兴趣，锻炼学生的技术与工程实践能力、模型建构能力、数据分析能力、审美能力、创新思维能力、语言表达能力、自主学习能力、合作学习能力等多方面能力，促进学生核心素养的全面发展，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。
此外，加强虚拟现实相关技术在馆校结合科学教育中的应用，是跨学科整合的过程，有利于促进元宇宙、人工智能、5G等其它前沿技术融入馆校结合科学教育，实现远程教育的进步，推进 STREAM教育理念、STSE教育理念、HPS教育理念等在探索多元化教学方式中的实践，使科学学习摆脱时间和空间的限制，让游戏化学习更便捷、更真实、更丰富，促进真实学习走出特定情境，实现资源的多通道实时共享，助力师生、生生间的合作学习。[16]
5.2 挑战
目前虚拟现实相关技术仍未达到完全成熟状态，特别是AR、MR技术，它们在馆校结合科学教育中的应用也不够完善，因此融入VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式可能面临以下挑战：
（1）虚拟现实相关技术不够成熟，成本太高，科技场馆和学校可能由于资金受限而无法提供虚拟现实相关技术服务，特别是MR技术服务。
（2）科技馆和学校对MR技术的使用基本停留在头戴式设备阶段，MR设备由于其高精度的特点，没有配套完整的产业链，用户在使用时可能出现尺寸不合适、有眩晕感、因延迟而使用脱节等问题，最终导致体验感不佳，且VR、AR、MR高精度仪器的损耗与修复也面临着一些问题。[16]
（3）由于应用VR、AR、MR技术的科学教育活动属于技术探究实践活动，且一些相关应用操作复杂，可能难以达到高效完成教学目标的效果。
（4）部分教师的专业水平有限，在掌握新型馆校结合科学教育模式时可能遇到困难，也可能因畏难情绪而不敢用、不常用此类教育模式。
（5）一些结合VR、AR、MR技术的教学系统不够完善，软件开发程度也不够高，使用频率较低，很多学校仍处于未引进阶段，仍需要一段时间来渗透应用VR、AR、MR技术的馆校合作科学教育模式。
6 总结
VR、AR、MR技术都属于虚拟现实相关技术，但它们各有特色，存在区别与联系。将VR、AR、MR技术应用于馆校结合科学教育可以优化科学教育质量。针对VR、AR、MR技术在馆校结合科学教育中的应用不够深入、全面、形式多样的问题，本文总结提出了一种应用VR、AR、MR技术的“课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式。该模式是馆校结合科学教育的一种表现形式，能够提高馆校间科学教育合作的紧密程度，能够贯通校内校外的学习内容，使其具有直观性、趣味性、现实性、系统性等特点，有利于促进学生掌握知识与技能、激发科学学习兴趣、锻炼多方面能力、培育科学家精神，最终促进学生核心素养的全面发展。
本文介绍的案例以教科版小学科学四年级下册中《凤仙花的一生》为课程基础，结合家庭科学教育活动和科技场馆教育活动，在教学内容中加入翻转课堂、虚拟现实相关技术、3D打印技术等元素，使科学教育活动以“线上+线下”的形式展现，最终生成“探秘植物的一生”主题活动。在本项活动中，学生经历了课前、课内、课后三个阶段的学习过程，在虚实结合的沉浸式学习环境中自主学习、合作学习，利用VR、AR、MR技术完成游戏、观察、实验、建模等活动，在线上形式和线下形式相交织的活动中亲历探究实践活动，在教学评价系统的帮助下，师生间、馆校间共享多样化的反馈与评价。从整体上看，本案例为应用VR、AR、MR技术的 “课前+课内+课外”、“线上+线下”科学教育活动模式提供了参照。
参 考 文 献
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作者简介：
毛欣烨，华中科技大学教育科学研究院研究生；研究方向为科学教育； E-mail：1325654337@qq.com。
黄芳，华中科技大学教育科学研究院副教授；研究方向为科学教育；E-mail：fanghuang@hust.edu.cn。
