第一章绪论
1.1问题的提出
1.1.1 "学科学教学中学习环境的作用
任何的学习活动都发生在特定的环境空间中，我们称之为“学习环境”。学习环境对十学习者的学习效率和效果具有重要的影响作用，适合的学习环境设计能够有效地促进学习者的知识习得和内化迁移，并能促使学习者主动建构意义和生成能力。小学科学课程是一门旨在培养小学生科学素养的启蒙课程，新一轮课程改革要求小学科学教学应该“回归生活”，要更加关注学习内容与生活体验的联系。科学课程标准指出，科学学习要以探究为核心，鼓励儿童通过动手动脑“学”科学，并目_倡导教师通过丰富多彩的亲历活动充实教学过程，让儿童在亲身经历以探究为主的学习活动中，习得科学知识、培养科学探究能力，并从中体验学习科学的兴趣。在科学教学中，创设适当的学习环境，提供课程学习所需要的信息资源、认知工具，以及教师、学生等支持因素，学生可以进行自主、探究、合作、体验的学习活动，以实现学习目标。
1.1.2虚拟现实教学应用
近年来，随着个人计算机性能的提高，图形图像处理技术、数据存储技术和网络技术的完善以及社会不断发展对教育的需求，虚拟现实技术的应用已经开始从航天、军事等领域进入到教育领域并得到越来越广泛的关注，也将有关阔的应用前景。虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟真实世界的逼真环境，使用户通过多种传感设备进入到该环境中，实现与环境的自然交互「0。交互性(Interaction、想象性(Imagination不I I沉浸感C Immersion反映了虚拟现实技术的关键特征。传统的二维的虚拟学习环境，如多媒体课件、网络课程等在教学内容的呈现上能够更加形象化，激发学生兴趣，在一定程度上提高了教学效果，但是不可否认，随着信息技术的进一步发展，以及信息化教学对人机交互的要求，二维的虚拟学习环境在某些特定内容的教学中逐渐显示出其不足。通过虚拟现实技术构建的二虚拟学习环境，能够为用户提供逼真的视听体验，可以在一定程度上弥补传统媒体在展示部分教学内容上的缺陷，从Ifn营造一种现代感的学习情境，使教育者更容易施展自己的教学思想，同时让学习者更加高效地掌握知识和提高技能。比如，在物理、化学、生物学、医学和生物学等许多科目中，通过虚拟现实技术将教学中比较抽象的概念或原理、真实的实验过程等形象生动地表现出来，如物理结构、宇宙空间、生物解I}、机械操作等，给学生创造一种可观测和体验的环境，将教学中抽象的概念和原理、真实的实验过程等生动形象得表现出来，比起传统的二维展示，在特定的教学内容上，更能帮助其把握其实质。虚拟学习环境为学生的“体验”创造了平台，学生在特定的环境中亲身体验、自主探究，不仅提高空间想象力，还培养了自主学习能力和高级的思维技能。可以避免“满堂灌”的教育现象，促进教师关十“以学生为中心”教育观念的转变。
1.1.3体验学习的发展和应用
学习的目的不仅仅是使学生掌握基础知识，更重要的是促进学生的发展，使学生通过知识的学习获得终生学习的兴趣、习惯和能力。我国基础教育课程改革明确提出改变学生原有的单一、被动的学习方式，建立充分调动、发挥学生主体性的多样化的学习方式，促进学生在教师指导下主动地、富有个性地学习。“体验学习”是以学习者为中心，把自己从经验或实践中获得学习结果视为最佳的学习方式，并在有意识思考各种经验的基础上发展知识、技能和!态度的过程，是学习者发现内心价值和焕发生命活力的发展过程，它强调学习者的亲身经历和实践，并尤其注重经历或实践之后的“思考”。“体验学习”作为一种新的学习方式，页应了我国课程改革转变学生学习方式的需要，亲身实践的过程，有助十加深学生的感性认识，进一步的反思及应用，有利十强化知识、提高技能、培养态度和价值观。此外，体验学习的情境性、亲历性、反思性、主体性等特征契合了新课程改革对小学科学教学的要求，以及虚拟学习环境的沉浸性、开放性，对十虚拟学习环境的设计具有重要的指导意义。
鉴十此，本文选择了以体验学习理论为基础，在小学科学课程教学中创设二维虚拟学习环境，以解决传统媒体难以解决的问题。
1.2概念界定
1.2.1体验
体验，在不同的学科中有不同的涵义。在教育学中，体验既是一种活动，也是活动的结果。作为一种活动，体验是主体亲历某件事情或实践，这种“亲历”包括亲身经历和心理上的经历(如移情、回顾与反思);作为活动的结果，体验是主体从亲历中获得的认识和情感[3]。本研究涉及到的体验是一种虚拟体验，即学习者在虚拟现实技术构建的学习环境中进行亲身体验，通过参与特定的学习活动获得知识和情感。
1.2.2学习环境
学习环境是学习者在学习过程中进行学习活动的情况和条件，它是一个动态概念，是围绕学习者设计的环境。本研究探讨的学习环境不涉及学习赖以进行的物理环境，如校园、教室等，}fn是研究与学习活动进程(如“探索宇宙”单兀的学习)共存共生的学习内容、学习资源的情况和条件。
1.2.3虚拟学习环境
虚拟学习环境是指利用计算机系统、虚拟现实硬件和软件建构的虚拟学习情景和内容，学习者可以通过多种交互设备在其中与虚拟事物进行交互，获得逼真的视听感知，产生身临其境的感觉。本研究的虚拟学习环境主要是针对小学科学课程中用传统媒体难以展示其细节和特征的学习内容，以体验学习为理论指导，通过二维虚拟技术来实现环境的构建。
1.3研究现状
1.3.1国外虚拟现实技术在教育领域的研究与应用
美国是最早将虚拟现实技术应用十教育领域的国家之一。虚拟现实技术在教育领域已被广泛地应用十军事教学、医学实习、体育训练、建筑专业、物理实验等教学中。
美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)项目资金不I I NSF ( NationalSanitation Foundation)的高级应用程序项目资金开发的Science Space项目，基十建构主义学习理论，运用物理沉浸系统技术和多感官并用的学习方式，使学生在虚拟世界中探索，促进了对十科学知识的学习。美国雪城大学(Syracuse University)的Rob Salgado教授建立了一个名为“The VRML Gallery of Electromagnetism”的网站，用十演示电磁现象、物理模型等「0。这两个案例只能用十虚拟演示和虚拟漫游，Ifn不能进行交互。体斯顿大学建立了虚拟物理实验室，学生可以在其中做各种实验，如万有引力定律，通过抓‘制、观察由十改变重力的大小、方向所产生的种种现象，以及对加速度的影响，学生对物理概念和定律会有更深的把握[3]。北卡罗莱纳大学研究小组将虚拟现实技术应用十化学模拟，学生可以用手操纵分子运动，这种交互功能有助十学生更好地理解化学分子知识。另外，澳大利亚RMIT大学的John Ball和Kate Patrick设计的虚拟实验用十物理中热传递过程的教学。该系统采用传统的预测一观察一解释的教学方法，使用了多种人机交互手段，为学生提供了一个易十使用的虚拟学习环境。在科学教育中，虚拟现实技术也发挥了极大的作用，如Virtual Physics and Astronomy(VPA)是一个基十VRML的网络学习平台，其中的虚拟天体运转模型允许学生自由探索星星的轨道G' 0 3D Solar System是一个太阳系模型软件，提供视角转换功能，用户可以了解所有的行星及一些卫星的情况，还可以调整时间等参数，减慢或加快行星和其卫星的轨道运行速度，从灵活观察情况。此外，德国汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室，意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室，西班牙大学开发了电子仪器虚拟工作平台，等等。
1.3.2国内虚拟现实技术在教育领域的研究与应用
在国内，虚拟现实技术的教育应用主要集中在高校的虚拟校园和国家实验室。虚拟校园，是虚拟现实技术与网络和教育最早的具体应用。在虚拟校园场景中，学习者可以随意游览，并与虚拟场景中的其他学习者进行交谈。基十虚拟校园，学习者可以去教务处管理学习资料、去图书馆进行资料查询、去虚拟教学楼参加网络课程学习等。
天津大学早在1996年，基十VRML国际标准，在SG工硬件平台上，开发了虚拟校园。随着宽带技术的大规模应用和网络教育的迅猛发展，国内一些高校已经开始逐步推广、使用虚拟校园模式。先后有浙江大学、上海交通大学、北京大学、西南交通大学、中国人民大学、北京航空航天大学等高校，采用虚拟现实技术建设了虚拟校园。但这些虚拟校园主要提供的是校园漫游功能，对十教学等其他功能大多还处十探索阶段。
第二章 小学科学课程与.............19-27
2.1 小学科学课程.................... 19-22
2.1.1 小学科学课程.................. 19
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