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小学科学教材中有许多学习内容属于解暗箱的类型，这些内容是不能直接被感知的，但根据一定的可感知的外部情况，可以间接推断出来。在这些学习活动中，常常通过引导学生反复感知那些可感知的事物的外部情况，研究有关事实，抓住推理的突破口，间接推断出事物的本质和特征，探索其内部奥秘。
《食物在体内的旅行》是一节典型的“解暗箱”课。本课教学，通常的做法是：调动学生的生活经验，结合人体解剖学的图示，辅以各种食物在部分消化器官中发生变化的模拟实验，让学生认识人体消化道的主要器官，以及各器官的主要作用。有的教学更进一步，也仅仅是采用一些清晰度较低的内窥镜视频，帮助学生加强对个别消化器官如胃的作用的了解。这样教学，从整体上来看，学生虽然兴致较高，思维也比较活跃，但对各消化器官在人体中所处的部位把握不够精确，对消化道部分器官顺序的认识往往有偏差，对部分消化器官结构及其作用的认识有限。
现代三维技术的发展，尤其是3D影像和VR互动等虚拟现实技术的不断发展，为我们尝试使用新的技术手段帮助学生将“暗箱”转化为与现实世界类似的环境，从而重新设计和实施《食物在体内的旅行》一课的教学提供了可能。
一、利用3D影像，实现透视观察
在虚拟现实技术条件下，我们使用3D影像的方式，引导学生对消化道进行整体认知和观察。学生带上3D眼镜，观看3D影像，师生就被虚拟为即将进入消化道的食物这一角色，师生一起经历人体消化道的虚拟环境，按照完全正确的虚拟路径“进入其中”，详细观察各种消化器官的内部结构。
在这个过程中，学生以食物这一虚拟角色进入人体消化道，随着进入不同的消化器官，“食物”自身发生着变化，同时观察到所处的消化器官结构，如光滑的食管、口袋般满是褶皱的胃、弯弯绕绕且绒毛密布的小肠，以及各个消化器官的不同运动方式。所到之处，皆是“身临其境”。这种直接获取的经验，使学生很容易将食物的变化与器官的结构和运动方式联系起来，大大提高了学习效率。这样教学，充分考虑到小学生的心理特征，体现了生动性，强化了表现力，保持了学生的注意力，并通过减少不必要的干扰信息，把学生的注意力引向要学习的信息。教学实践中我们发现，即使完成3D影像的观看，走出虚拟的全过程，学生也很容易调动短时记忆，将所观察到的现象和过程清晰地再现出来，与外部所能感受到的器官运动能够紧密联系起来，对消化器官与食物变化的认识更充分。
二、利用3D交互，实现虚实结合
在指导学生探究消化道各器官的顺序及其在人体中所处部位时，我们采用了桌面VR+AR教学系统，这个系统主要由桌面级VR交互一体机和VR、AR交互软件组成。“VR+AR+教育软件”将教学从平面图像转变到虚拟现实，该系统不仅能实现单人（教师或学生）的VR交互操作，配合AR交互软件还能将使用者的体验过程投射到另一屏幕或第二台监视器上，实现增强现实的功能，可将真实环境与虚拟图层叠加后展现给学生，旁观者裸眼也能看到隔空操纵模型的效果。我们将主要的消化器官以虚拟实物的方式零散呈现，学生可以根据自己的意愿对虚拟的实物进行移动、旋转或缩放，通过对虚拟实物的操作来完成学习。
第一层操作，学生通过操作笔，夹取虚拟器官，按照顺序摆放和组合，通过系统判定操作的准确性，获取对消化道主要器官顺序的正确认知。
第二层操作，学生从桌面提取个别消化器官，移动、旋转和伸缩，观察器官的外部形态。
第三层操作，学生用操作笔操控个别消化器官，进行分解，进一步观察器官的内部结构特征。
学生最感兴趣且效果最好的当属增强虚拟现实操作了，操作者可以邀请一位同学与虚拟环境融合，桌面上的消化器官可根据受邀者体型实现成比例缩放，然后由操作者夹取不同的虚拟消化器官，从桌面转移到受邀者身体相应的部位，其他学生讨论后指引操作者摆放虚拟的器官，最后系统自动识别、提示摆放的准确性。通过增强虚拟现实手段，所有学生不仅在虚拟环境中能够准确组合消化道，而且每个孩子都能在脱离虚拟环境后准确指出食道、胃、小肠、大肠在自己身体中所处的部位，大大提升了教学效能。
我们充分运用虚拟现实技术开展本课教学时，没有放弃实验对比、实物模拟等教学手段。如作为整个消化道最便于直接观察的口腔，我们既可以让学生照镜子观察自己口腔的结构，还可以让学生将食物分成两组，一组食物未经口腔直接观察，另一组食物在咀嚼后吐进透明塑料袋密封观察，对比食物的变化并结合照镜子的观察，认识口腔的结构与作用。再比如，选用塑料直管、细橡胶管、粗波纹管分别模拟食道、小肠和大肠，尤其是为了表现小肠的长度而将7米长的细橡胶管完全展开的过程，同样带给学生强烈的感官刺激，激发了他们的兴趣且形成深刻的认知。
通过实践我们也发现，虚拟现实技术作为一种教育工具仍处于早期阶段。我们自身缺乏相关软件的制作能力，且投入的成本比较高，软件制作者与实际使用者之间还缺乏必要的沟通。前面所使用的3D影像还需要提高交互性，应当以片段化的方式呈现并与桌面VR实现对接，从而更有效地让学生在主动操作中学习。
可以预期，随着技术的不断进步，VR、3D影像等虚拟现实技术将会成为小学科学教学领域具有广泛应用前景的“明星”技术，它的“沉浸性”“交互性”与“构想性”，不仅有利于科学教师构建一种全新、多变的教学环境，而且为学生提供了一种可以进行交互、直观、自主探索的学习环境和学习方法，从而激发学生的学习积极性，提高他們科学学习的效果。
广东省深圳市南山外国语学校
（集团）文华学校（518057）
《食物在体内的旅行》是一节典型的“解暗箱”课。本课教学，通常的做法是：调动学生的生活经验，结合人体解剖学的图示，辅以各种食物在部分消化器官中发生变化的模拟实验，让学生认识人体消化道的主要器官，以及各器官的主要作用。有的教学更进一步，也仅仅是采用一些清晰度较低的内窥镜视频，帮助学生加强对个别消化器官如胃的作用的了解。这样教学，从整体上来看，学生虽然兴致较高，思维也比较活跃，但对各消化器官在人体中所处的部位把握不够精确，对消化道部分器官顺序的认识往往有偏差，对部分消化器官结构及其作用的认识有限。
现代三维技术的发展，尤其是3D影像和VR互动等虚拟现实技术的不断发展，为我们尝试使用新的技术手段帮助学生将“暗箱”转化为与现实世界类似的环境，从而重新设计和实施《食物在体内的旅行》一课的教学提供了可能。
一、利用3D影像，实现透视观察
在虚拟现实技术条件下，我们使用3D影像的方式，引导学生对消化道进行整体认知和观察。学生带上3D眼镜，观看3D影像，师生就被虚拟为即将进入消化道的食物这一角色，师生一起经历人体消化道的虚拟环境，按照完全正确的虚拟路径“进入其中”，详细观察各种消化器官的内部结构。
在这个过程中，学生以食物这一虚拟角色进入人体消化道，随着进入不同的消化器官，“食物”自身发生着变化，同时观察到所处的消化器官结构，如光滑的食管、口袋般满是褶皱的胃、弯弯绕绕且绒毛密布的小肠，以及各个消化器官的不同运动方式。所到之处，皆是“身临其境”。这种直接获取的经验，使学生很容易将食物的变化与器官的结构和运动方式联系起来，大大提高了学习效率。这样教学，充分考虑到小学生的心理特征，体现了生动性，强化了表现力，保持了学生的注意力，并通过减少不必要的干扰信息，把学生的注意力引向要学习的信息。教学实践中我们发现，即使完成3D影像的观看，走出虚拟的全过程，学生也很容易调动短时记忆，将所观察到的现象和过程清晰地再现出来，与外部所能感受到的器官运动能够紧密联系起来，对消化器官与食物变化的认识更充分。
二、利用3D交互，实现虚实结合
在指导学生探究消化道各器官的顺序及其在人体中所处部位时，我们采用了桌面VR+AR教学系统，这个系统主要由桌面级VR交互一体机和VR、AR交互软件组成。“VR+AR+教育软件”将教学从平面图像转变到虚拟现实，该系统不仅能实现单人（教师或学生）的VR交互操作，配合AR交互软件还能将使用者的体验过程投射到另一屏幕或第二台监视器上，实现增强现实的功能，可将真实环境与虚拟图层叠加后展现给学生，旁观者裸眼也能看到隔空操纵模型的效果。我们将主要的消化器官以虚拟实物的方式零散呈现，学生可以根据自己的意愿对虚拟的实物进行移动、旋转或缩放，通过对虚拟实物的操作来完成学习。
第一层操作，学生通过操作笔，夹取虚拟器官，按照顺序摆放和组合，通过系统判定操作的准确性，获取对消化道主要器官顺序的正确认知。
第二层操作，学生从桌面提取个别消化器官，移动、旋转和伸缩，观察器官的外部形态。
第三层操作，学生用操作笔操控个别消化器官，进行分解，进一步观察器官的内部结构特征。
学生最感兴趣且效果最好的当属增强虚拟现实操作了，操作者可以邀请一位同学与虚拟环境融合，桌面上的消化器官可根据受邀者体型实现成比例缩放，然后由操作者夹取不同的虚拟消化器官，从桌面转移到受邀者身体相应的部位，其他学生讨论后指引操作者摆放虚拟的器官，最后系统自动识别、提示摆放的准确性。通过增强虚拟现实手段，所有学生不仅在虚拟环境中能够准确组合消化道，而且每个孩子都能在脱离虚拟环境后准确指出食道、胃、小肠、大肠在自己身体中所处的部位，大大提升了教学效能。
我们充分运用虚拟现实技术开展本课教学时，没有放弃实验对比、实物模拟等教学手段。如作为整个消化道最便于直接观察的口腔，我们既可以让学生照镜子观察自己口腔的结构，还可以让学生将食物分成两组，一组食物未经口腔直接观察，另一组食物在咀嚼后吐进透明塑料袋密封观察，对比食物的变化并结合照镜子的观察，认识口腔的结构与作用。再比如，选用塑料直管、细橡胶管、粗波纹管分别模拟食道、小肠和大肠，尤其是为了表现小肠的长度而将7米长的细橡胶管完全展开的过程，同样带给学生强烈的感官刺激，激发了他们的兴趣且形成深刻的认知。
通过实践我们也发现，虚拟现实技术作为一种教育工具仍处于早期阶段。我们自身缺乏相关软件的制作能力，且投入的成本比较高，软件制作者与实际使用者之间还缺乏必要的沟通。前面所使用的3D影像还需要提高交互性，应当以片段化的方式呈现并与桌面VR实现对接，从而更有效地让学生在主动操作中学习。
可以预期，随着技术的不断进步，VR、3D影像等虚拟现实技术将会成为小学科学教学领域具有广泛应用前景的“明星”技术，它的“沉浸性”“交互性”与“构想性”，不仅有利于科学教师构建一种全新、多变的教学环境，而且为学生提供了一种可以进行交互、直观、自主探索的学习环境和学习方法，从而激发学生的学习积极性，提高他們科学学习的效果。
广东省深圳市南山外国语学校
（集团）文华学校（518057）