应用VRAR技术构建虚拟实验优化小学数学学习体验

摘"要：探讨虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术应用于小学数学教学面临的挑战，结合课堂教学实例，提出申请经费、加强培训、开发资源库等应对措施，以促进VR/AR技术在小学数学教学中有效应用，从而优化小学数学学习体验。关键词：VR/AR技术；虚拟实验；小学数学；学习体验0"引言小学数学作为基础教育的重要组成部分，对培养学生的逻辑思维、问题解决能力和创新精神具有不可替代的作用。传统小学数学教学往往侧重于知识灌输，学生在抽象概念理解、空间想象等方面面临诸多困难。虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术在小学数学教学中的应用，为解决上述问题提供了全新的思路与方法。应用VR/AR技术构建虚拟实验，能够为学生创造沉浸式、交互式的学习环境，使抽象的数学知识变得直观、形象，从而有效优化小学数学学习体验[1]。1"VR/AR技术概述VR技术是一种利用计算机生成三维虚拟环境的技术，用户通过佩戴头戴式显示设备等硬件，能够身临其境地感受虚拟场景，并通过交互设备与虚拟环境中的对象进行互动。在VR环境中，用户的视觉、听觉甚至触觉等感官能得到全方位的模拟体验，仿佛置身于真实世界之中。例如，在学习“认识图形”时，学生可以通过VR设备进入一个充满各种立体图形的虚拟空间，近距离观察正方体、球体、圆柱体等的形状特征，还能通过手柄操作将图形旋转、拆解，从不同角度深入了解图形结构。AR技术可将虚拟信息与真实世界相结合，通过手机、平板电脑或头戴式AR设备等，将虚拟的图像、模型、文字等信息叠加在现实场景之上。学生在观察真实世界的同时，能够看到与之相关的虚拟信息，实现虚实融合的交互体验。以“位置与方向”教学为例，学生可以使用AR设备扫描现实环境，设备屏幕上会显示出方向标识、距离信息和周边建筑物的虚拟标注等，帮助学生更直观地理解位置与方向的概念。2"VR/AR技术在小学数学教学中应用的优势2.1"激发学习兴趣小学数学知识相对抽象，对小学生而言，理解和掌握存在一定难度，容易导致学习兴趣缺失。VR/AR技术以其独特的沉浸式和互动性体验，能够迅速吸引学生的注意力。例如，在学习“分数的初步认识”时，应用VR技术创建一个虚拟的比萨店场景，学生扮演店员，需要将一个虚拟比萨平均分成若干份，分给不同的顾客。这种有趣的互动方式，让学生在游戏化的情境中学习分数知识，极大地激发了他们的学习兴趣和参与热情。2.2"促进抽象概念理解数学中的许多概念，如几何图形的性质、数量关系等，较为抽象，难以通过传统教学方式让学生直观理解。VR/AR技术可把抽象概念巧妙地转化为直观且可视化的模型。在“圆的周长和面积”教学中，通过应用AR技术，学生可以在现实桌面上看到一个虚拟的圆形，通过点击操作，能够展示圆的半径、直径、周长的动态变化，还能将圆分割、拼接成近似长方形，直观呈现圆面积公式的推导过程，帮助学生轻松理解这一抽象概念。2.3"培养空间想象能力小学数学涵盖众多空间几何知识，对培育学生的空间想象能力有重要意义。VR/AR技术提供的三维空间展示和交互功能，为学生创造了良好的空间学习环境。在学习“观察物体”时，学生通过VR设备从不同角度观察虚拟的立体物体，能够清晰地看到物体在不同视角下的形状变化，从而有效提升空间想象能力和空间观念[2]。2.4"提供个性化学习体验学生的学习进度与方式各有差异。VR/AR技术支持下的虚拟实验可以根据学生的操作数据和反馈，为学生提供个性化的学习路径。例如，在数学解题练习中，虚拟实验系统可以根据学生对不同类型题目的答题情况，自动调整题目难度和侧重点，满足每个学生的学习需求，实现因材施教。3"应用VR/AR技术构建虚拟实验的实施策略3.1"结合教学内容设计虚拟实验3.1.1"深入分析教材教师深入钻研小学数学教材是应用VR/AR技术开展教学的关键前提。以“图形的平移与旋转”为例，该部分旨在让学生理解平移和旋转的概念以及它们在生活中的应用。这是较为抽象的动态几何概念，学生单纯通过课本上的静态图形和文字描述很难建立直观认知。应用VR/AR技术构建虚拟实验，学生能在虚拟场景中看到房屋、桥梁等大型建筑在建设过程中物体的平移过程，或是游乐园里旋转木马、摩天轮等设施的旋转运动。这种直观呈现可帮助学生轻松理解图形的平移与旋转本质，远比传统教学方式更具效果。3.1.2"设计实验流程仍以“认识图形”为例，在虚拟实验中，实验目的设定为让学生清晰辨别长方形、正方形、三角形等常见图形的特征。实验步骤上，首先，学生通过VR设备进入一个充满各种图形的虚拟空间，在该空间中图形会以立体、可交互的形式呈现。学生可以走近图形，用手触摸（通过手柄模拟触摸操作），初步感受图形的轮廓。教学要点在于引导学生关注图形边的数量、长度关系和角的特征。在思考问题环节，教师可设置诸如“为什么长方形的对边相等”“三角形的稳定性在生活中有哪些体现”等问题。在这个过程中，学生通过操作VR设备对不同图形进行旋转、平移等操作，进而深入理解图形的特征。3.2"选择合适的VR/AR设备与软件3.2.1"设备选型在教学中，考虑到教学预算和小学生的使用便利性，学校选用一款与手机适配的移动VR设备。在“分数的初步认识”教学中，学生通过手机连接VR设备，进入虚拟的“美食分享会”场景。在这个场景里，学生需要将一个虚拟的比萨、蛋糕等食物平均分成若干份，以此理解分数的概念。这种设备小巧轻便，学生可以轻松佩戴，且成本较低，便于在班级中普及。在“位置与方向”教学中，学校采用AR平板设备。例如在校园内开展教学活动时，学生使用AR平板扫描校园的不同区域，平板屏幕上会实时显示各个建筑物的方位信息，以及学生自身所在位置与目标地点的距离和方向指引。AR平板设备较大的屏幕显示区域让小组内的学生能够围在一起共同观察和讨论，促进了学生之间的交流与合作。3.2.2"软件评估一款名为“数学乐园VR”的教学软件，内容涵盖小学数学各个年级的知识点，以生动有趣的动画形象和故事情节串联教学内容。在教授“乘法口诀”时，该软件创设了一个“森林探险”的情境，学生在探险过程中需要应用乘法口诀解决遇到的各种难题，如帮助小动物计算搭建房子所需的木材数量等。从交互特性来看，该软件操作简便，学生借助手柄进行按键操作即可达成各类指令，而且软件稳定性强，经过长时间的课堂使用测试基本未出现卡顿、闪退等问题。同时，该软件支持教师根据教学需求对部分关卡和任务进行定制修改，以更好地契合教学进度。3.3"教师培训与指导3.3.1"技术培训学校安排教师参与为期一周的VR/AR技术培训。培训过程中，教师们学习了VR设备的组装、调试和常见故障排除方法。在软件使用技巧方面，教师们深入了解了如何在虚拟实验软件中设置任务、添加提示信息，如何导出学生的学习数据。在学习虚拟实验设计与开发时，教师们掌握了简单的场景搭建方法，能够根据教学内容，在已有的软件模板基础上添加一些个性化的元素。例如，在“认识人民币”虚拟实验中，教师自行添加了一些生活中常见的购物场景，让虚拟实验更贴合实际教学需求。3.3.2"教学指导在“圆柱的体积”教学中，教师在虚拟实验开启前，通过一系列精心设计的提问，引导学生回顾长方体体积的计算方式，并促使学生深入思考圆柱与长方体之间可能存在的内在关联。在实验过程中，教师巡视各小组，发现学生使用VR设备测量圆柱的底面半径和高出现误差时，及时给予指导，帮助学生正确操作设备获取准确数据。实验结束后，教师组织学生讨论圆柱体积公式的推导过程，引导学生思考在虚拟实验中将圆柱转化为近似长方体的过程中，哪些量发生了变化，哪些量没有变化，从而帮助学生将虚拟实验中的直观体验转化为对圆柱体积公式的深刻理解。3.4"课堂教学组织与实施3.4.1"导入环节在“数学广角——植树问题”教学中，教师使用AR设备展示一条虚拟的道路，道路两旁有一些待种植的树苗。学生通过AR设备可以看到不同种植方式（两端都种、只种一端、两端都不种）下树苗的分布情况，从而引出本节课要探究的植树问题。这样直观且饶有趣味的导入形式，刹那间抓住了学生的目光，成功点燃他们的探究热情。3.4.2"实验操作环节在“测量不规则物体的体积”实验中，学生以小组为单位，借助VR设备开展虚拟实验。在虚拟实验室中，每个小组都要完成一个不规则石块体积的测量任务。学生们按照教师设计的实验流程，首先在虚拟场景中找到一个装满水的量杯，然后将石块放入量杯中，观察水面上升的高度，通过计算上升水的体积得出石块的体积。在操作过程中，小组里的学生各司其职、协同合作。部分学生专注于操作设备，精准执行实验步骤；部分学生负责记录数据。一旦遭遇问题，大家共同探讨解决方案。教师穿梭于各小组之间，实时解答学生在操作中的疑问，比如怎样精确读取量杯中的数据等。3.4.3"总结与反馈环节“多边形的内角和”虚拟实验结束后，各小组纷纷汇报成果。有的小组另辟蹊径，应用将多边形分割成三角形的独特方法，推导出多边形内角和的计算公式，令人眼前一亮。教师对各小组的汇报进行总结，强调不同方法的优缺点，并通过提出“如果是一个十边形，它的内角和是多少”“多边形的内角和与边数之间有怎样的函数关系”等问题，对学生的学习效果进行反馈检测。针对学生在回答问题时暴露的对多边形内角和公式理解不透彻的问题，教师再次结合虚拟实验中的场景进行讲解，帮助学生巩固所学知识[3]。4"实证研究与案例分析4.1"研究设计为验证应用VR/AR技术构建虚拟实验对小学数学学习体验的优化成效，本研究选取某小学水平相近的两个平行班级展开对比研究：将五（1）班设为实验组，在数学教学中充分应用VR/AR技术构建虚拟实验；将五（2）班设为对照组，沿用传统教学法。研究周期设定为一学期，全面涵盖数学知识理解、学习兴趣、学习态度等多维度内容。在研究进程中，综合采用多种方法收集数据。在课堂观察环节，由专业观察员依据详细的观察量表，记录学生在课堂上的参与度、专注度、互动表现等情况；问卷调查则围绕学生对数学学习的兴趣、自信心，对不同教学方式的喜好等设计题目，确保全面、准确地反映学生的学习体验；测试成绩分析通过阶段性单元测试、期中期末考试等，重点关注与实验相关知识点的得分情况。随后，借助SPSS统计软件对所收集数据进行深度剖析，借此揭示两组数据之间的差异情况与内在关联。4.2"案例分析在“三角形的内角和”教学中，实验组学生借助VR设备，走进一个专为探究而设的虚拟三角形实验室。在该实验室中，学生能够自由选择锐角三角形、直角三角形、钝角三角形等进行研究。应用虚拟测量工具精确测出三角形三个内角，并将所得度数相加。学生还能通过简单操作，将三角形的三个内角进行拼接，直观观察拼接后的图形。实验结果清晰表明，无论何种三角形，其内角和均为180°[4]。实验过程中，课堂观察数据显示，实验组学生的主动发言次数平均每节课达到15次，而对照组仅为8次。在操作环节，实验组学生的专注度高达95%，对照组则为80%，充分体现出实验组学生极高的参与热情和专注度。反观对照组，学生通过传统的纸质三角形剪拼、测量等方法学习。课堂观察发现，约30%的学生在剪拼过程中遇到操作困难；在测量角度时，由于手工测量误差，约40%的学生得出的内角和与180°存在一定偏差，导致对三角形内角和的理解不够深入。测试成绩分析结果令人眼前一亮。在“三角形的内角和”单元测试里，实验组学生的平均成绩达到85分，相较对照组的72分，足足高出13分。成绩分布方面，实验组成绩在80分及以上的学生占比达60%，而对照组成绩在这一分数段的学生占比仅为35%。问卷调查结果同样凸显出VR/AR技术的优势。当被问及“你对数学学习的兴趣是否提高”时，实验组有80%的学生给予肯定回答，对照组仅有40%。在“你是否对自己学习数学更有信心”这一问题上，实验组75%的学生表示赞同，对照组则为45%。诸多数据表明，实验组学生对数学学习的兴趣和自信心显著提升。通过实证研究与案例分析，有力地证明了应用VR/AR技术构建虚拟实验在小学数学教学中能够有效提升学生对数学知识的理解，激发学生的学习兴趣，增强他们的学习自信心，为优化小学数学学习体验提供了强有力的支持。5"面临的挑战与应对策略5.1"技术成本与设备管理5.1.1"面临的挑战在课堂教学场景中，技术成本与设备管理问题凸显。以某偏远地区小学为例，采购一批基础的VR/AR设备及配套软件，花费高达数十万元，这对该校来说是沉重负担。在日常维护方面，由于设备精密，出现故障后需专业人员维修，增加了时间与资金成本。在“认识图形”教学中，课堂上分发和回收设备耗费大量时间，且因学生操作不当，部分设备出现损坏，如VR设备的头戴显示部分松动、AR平板屏幕刮花等，影响后续教学使用。5.1.2"应对策略学校积极申请政府专项教育经费，获得资金支持用于设备采购。学校与本地科技企业合作，企业赞助部分设备，并定期安排技术人员到学校进行设备维护。课堂上，制定详细设备使用规则，如使用前需洗手防止弄脏设备、禁止随意拆卸设备等。在“体积与容积”教学前，对学生进行设备使用培训，使学生了解正确的操作方法，降低设备损坏率。5.2"教师技术能力与教学理念5.2.1"面临的挑战在“分数的初步认识”教学中，部分教师因对VR/AR技术掌握不足，无法在虚拟实验中引导学生进行深入探究，如不能灵活设置软件参数以适应不同学生的学习进度。一些教师受传统理念束缚，在“数学广角——搭配”教学中仍倾向于口头讲解，觉得VR/AR技术虽新颖但课堂节奏难以把控，担心学生注意力分散。5.2.2"应对策略学校每学期组织教师参加为期两周的VR/AR技术培训课程，邀请专家进行案例分享，如讲解如何应用VR技术让学生在虚拟超市场景中理解小数的加减法。鼓励教师开展教学实践。一位教师在“位置与方向”教学中，应用AR技术设计校园寻宝游戏。学生使用AR设备寻找隐藏在校园各处的“宝物”，在实践中掌握知识。教师在这一过程中提升教学创新能力，逐渐转变教学理念。5.3"教学资源的开发与整合5.3.1nbsp;面临的挑战在“三角形的内角和”教学