3D技術與小學科學教學融合的教學研究

3D是英文“3 Dimensions”的縮寫，中文是指立體、三維的意思。3D技術是應用計算機系統開發工具，綜合動態環境建模技術、實時三維圖形生成技術、立體顯示和傳感器技術，模擬視覺、聽覺、觸覺等感官，讓使用者在虛擬世界中如同身臨其境，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物；同時，它還以三維模型的數據為基礎，通過擠出成型、粉末顆粒成型、光聚合成型等逐層增材的方式來打印出三維的實物。3D技術包括3D建模、3D顯示、3D交互、3D打印等主要技術。人們常說的VR（虛擬現實技術）、AR（增強現實技術）、3D打印、3D動漫、3D電影等數字化產品或技術，都是3D技術的有機組成部分。

3D技術對人類生產生活產生了重要影響，其標志性的事件有：1995年，麻省理工學院研發了粉末層和噴頭3D打印（3DP）技術，ZCorp公司從麻省理工學院獲得了獨家使用“三維打印（3DP）技術”的授權，并在三維打印技術的基礎上開發了3D打印機；2009年，3D電影《阿凡達》以全球28億美元的成績創造了電影史上新的票房紀錄，開創了3D技術支持下的電影娛樂產業的新紀元； 2012年4月初，谷歌公開了自己的增強現實系統——眼鏡計劃（Glasses Project），推動了基于3D技術的VR（虛擬現實）/AR（增強現實）技術數字產品化的新時尚。

3D技術向教育領域的滲透拓展，是其在娛樂產業取得巨大成功后又一次對傳統行業的突破。將3D教學資源和顯示技術用于教育，國外的主要研究始于2009年，美國、英國、印度及中國香港特區等開展了一系列3D教育項目，在學校中大力推廣使用。代表性的項目有美國伊利諾伊州推出的3D模擬課程，項目的研究表明：學生用更少的時間學習了更多的內容；有學習困難和注意力集中困難的學生能較好地完成對所學材料的掌握；絕大多數學生的成績都得到了提高。該項目得益于美國政府的資助，現在伊利諾伊州成千上萬的學生已經開始學習數十門使用3D影像資源的課程。2015年，我國廣泛興起了創客教育，許多學校開始在創客實踐室或創客空間配置3D打印機，3D打印機和相關課程快速進入了學校。

一、3D技術向教育領域滲透拓展的特點

當前，虛擬仿真實驗室、虛擬教學、虛擬數字博物館、3D打印空間、3D動漫設計課程等已經進入校園，給學校教育增添了無限活力。3D技術向教育領域的滲透拓展，有這樣幾個特點：

1.提供豐富的3D教學資源，對現行教學內容進行有益補充

許多資源開發企業，根據國家的課程標準，按有關科目的章節，按知識點策劃制作3D教學資源，實用性強；根據素質教育需求，開發了校園安全教育、傳統文化教育、法治教育、科技教育等專題資源，供學校選擇使用。

2.提供3D教育硬件，完善教育裝備

比如，3D投影機、3D一體機、3D裸眼黑板、3DLED大屏、3D智能講桌等3D設備部分替代原有的2D設備，在保持學校傳統的班級教學模式前提下，發揮這些設備在信息顯示上的優勢。

3.嘗試改變教學環境和學生的學習方式，進行有意義的改革

以未來教室、3D影院、3D實驗室、AR書城等形式進入校園，為教師提供了一種全新的體驗式、創新型、交互式、實踐型教學模式。

3D技術之所以能快速地向教育領域拓展，是因為在技術之軀中藏有認知科學的一些基本原理，比如：人類的認知由簡單向復雜、由形象到形象與抽象相互結合；知識的建構中，學習越主動、過程越可見、結果越具象，知識建構就越有效；學習中的情境化、個體化、社會化可以相互作用，促進更有效的學習。3D技術支持下的三維立體模型、影像或動漫，可以構建可視、可觸、可交互的學習環境，學生通過3D學習環境，對事物的內部結構、工作原理、規模尺寸等有更加直觀的認識，特別是3D影像可以使學生進行不同視角和視域的轉換，從完整的構造迅速轉到不同的局部、微觀層面。在這樣的學習情境中，學生的學習過程符合認知規律。3D影像使得原來的平面影像轉變為更加生動形象的3D影像，對學生來說，它能長時間吸引學生的注意力，學生專注度的提升有助于他們學習效率的提高。有關資料顯示， 3D虛擬現實技術在不同的學科取得的效率是不同的，在科學學科的效率是最高的。

二、3D技術在小學科學教育領域的嘗試

在小學科學教育領域，3D技術進行了一些有益的嘗試，其中幾種有較大的發展前景。

1.3D交互教學

即利用虛擬仿真3D數字技術，創造一個多維度的虛擬教學場景，將抽象的事物具體化、復雜的事物簡單化，幫助學生快速學習知識。在課堂教學中，教師先對課程的內容和目標進行課程設計，再根據教材選擇相對應的3D教學資源，以3D立體視頻、3D交互課件的形式展現知識點，加速學生對課程內容的理解。

2.虛擬實驗室

以虛擬現實（VR）、增強現實（AR）為核心技術，為學生提供生動、逼真的學習環境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結構顯示等，在3D創新實驗室呈現。在虛擬實驗中，學生可以放心地進行各種危險實驗（如燃燒、爆炸、化學反應）和技能練習（如青蛙解剖等），不必擔心操作失誤，擁有傳統實驗室難以比擬的優勢。

3.3D打印課程

在這樣的課程中，學生將學習3D打印的發展歷史、原理、技術和建模方法。課程的開設以社團為主，和科技教育緊密結合，也有的老師將科學課程的拓展內容與3D打印結合，比如制作個性化小車。

4.AR書城

基于實體圖書的增強閱讀平臺，利用增強現實（AR）技術，將圖文、音頻、視頻、三維模型動畫等多媒體素材聚合到實體圖書上。當學生打開書頁，書中的圖片內容會以多媒體的形式跳到眼前，為學生提供一種更高效、直觀、有趣的閱讀體驗。

三、3D技術與科學學科融合存在的問題

1.教學資源的匱乏

3D教學資源的開發成本極高，使3D教學的資源并不能滿足教學所需。

2.教師和學生掌握3D教學的系統工具不足

作為一種新技術，3D技術在系統、操作、技能技巧等多方面與2D技術不同，需要老師和學生熟練掌握，但老師和學生缺乏相關的培訓，導致新工具運用不暢。

3.3D技術本身還存在許多軟肋

首先，體驗的舒適度不夠。由于3D資源在教學中需要學生保持較長時間的注意力，但VR頭盔、3D眼鏡等設備長期使用會導致學生目眩神暈，對學生視力也有一定影響。其次，硬件普及度較差，高端的設備價格昂貴，學校的采購積極性不足；低端的設備體驗性差，學校不愿意采購。再次，3D交互技術不夠人性化，學生在學習中還需要借助額外的傳感設備與觀察對象進行交互，無法直接進行語音和體感的交流，互動交流往往生硬機械。

四、我們的探索

我們的團隊在開展3D技術與小學科學融合的教學研究中，希望遠期可以做好以下幾點：

l集成一定規模的3D教學資源；

l促進特定的教學內容與特定的3D技術的融合；

l探索3D教學的有效途徑和新模式。

在一年多的探索中，我們對3D技術支持下的教學資源開發、教學案例研究、教學模式、3D打印拓展課程開發四個方面進行了一些研究，有了一些收獲。

1.開展了3D技術在小學科學教學中的適用項目分析

我們主要從小學科學涉及的三大領域開展研究。地球與宇宙科學領域，我們按照教材內容，對學生在空間理解上有困難的內容做了梳理，力圖用3D空間來幫助學生解決認識上的困難；一些學生難以在短時間內觀察到的地球變化現象，如巖石風化、水土流失等，可以用3D資源加以呈現；另一些難以觀察到的地球內部的現象，如火山噴發、地震等，也可以用3D模型再現。生命科學領域，對生命體的內部結構的觀察，如人體內的各種器官、植物體內的水吸收和蒸騰等，可以引導學生借助AR技術多角度、全方位地進行觀察。物質科學領域中的一些內容也特別適合用3D技術來呈現，比如物質長時間的變化、肉眼無法觀察到的化學變化、物質的微粒結構等。

在這樣的項目分析過程中，我們初步找到了一些規律，發現不同的內容適宜用不同的3D技術支持。對長時間的變化，我們建議用3D動漫技術來加強；對生物體和物質內部結構的觀察，我們建議用AR技術來呈現；對規模、范圍、空間較大的事物，我們希望借助3D結構件，提高學生交互操作的主動性。

2.開展3D教學的案例研究

案例研究有較好的普適性，這是我們這一年研究的重點工作。因為時間周期、開發成本等原因，我們只在地球與宇宙科學和生命科學兩個領域，開展了為數不多的案例研究。

地球與宇宙科學領域中，三球（太陽、地球、月球）運動關系一直是教學的重點和難點，理解三球運動是認識月相變化、四季變化以及日食和月食現象的基礎。原來教學這部分內容時，由于受傳統教學器材的局限，學生很難從二維平面認識提升到對三維立體空間的構建。通過AR技術支持下的三球運動關系的系列教學，我們認識到了AR技術的三個優勢：

（1）顯示效果直觀、逼真和立體。通過AR技術在大屏幕上顯示，學生能直觀地看到三球運動的關系，三個星體如在眼前，栩栩如生。

（2）動態生成。在三球運動的過程中，可以根據月球、地球與太陽的位置關系，及時產生月相、晝夜和日月食的動態光影效果。

（3）可轉換觀察模式。利用AR技術，不僅能夠以俯視的視角（上帝模式）觀察到三球運動的關系，還能進行觀察模式的轉換，把觀察模式轉換成以地球為觀察者的主體模式，這樣就能夠更真實地模擬出地球上的觀察者看到的三球運動變化。

在這個領域的研究中，我們還評估3D技術對兒童觀察能力的影響。我們選擇了《我們來造環形山》一課進行教學，對前后6個班級近300名學生的觀察能力進行教學觀察、統計和對比分析。我們研究發現，在3D技術支持下，學生的觀察能力在三個主要方面都有較大提升：一是能觀察到更多的信息；二是能觀察識別關鍵特征；三是能模擬再現實驗中的關鍵信息。

在生命科學的研究中，我們聚焦了其中的一個難題——人體內部器官的觀察。運用3D技術時，我們運用不同的3D技術來解決教學中的難題。

（1）利用3D動漫影像，實現透視觀察。如消化器官的認識，學生帶上3D眼鏡觀看整個3D影像，師生就被虛擬為即將進入消化道的食物這一角色，一起進入人體消化道的虛擬環境，透視觀察各種消化器官的內部結構。

（2）利用3D交互技術，實現虛實結合。我們采用了桌面VR+AR教學系統，主要由桌面級VR交互一體機和VR、AR交互軟件組成。“VR+AR+教育軟件”將教學人體內部器官從平面圖像轉變到虛擬現實，將學生的操作活動投射到另一屏幕上，實現增強現實的功能，旁觀者（其他學生）可以裸眼觀察真實環境與虛擬圖層疊加后模型的效果。學生不僅在虛擬環境中能夠準確組合消化道，而且每個學生都能在脫離虛擬環境后準確指出內部器官（如食道、胃、小腸、大腸等）在自己身體中所處的部位，大大提升了實際教學效能。

3.開展3D教學的新模式研究

為了更好地促進3D技術在課堂上的使用，需要開發簡單易上手的教學內容編輯工具，搭建一個橋梁，連接3D資源與課堂教學軟件，以便應用3D/VR技術進行常態化教學。我們研究團隊基于沃課的功能特點，探究了3D技術支持下的教學新模式。這個教學模式將教學過程分為課前準備、情境創設、動態生成、總結提升和課后反思等幾個環節。在教學過程中，教師可以將配套的3D視頻、3D圖片、3D模型、3D教育游戲、3D學科工具等3D資源、交互習題、2D資源插入到自己的課件中，形成一個完整的教學課件。其中，互動生成是這個教學模式運用3D技術的中心環節，互動的形式多種多樣，從虛擬實驗、3D觀察、知識講授、隨堂測驗、過程評價，到融合人際互動與人機互動，實現人直接與虛擬環境進行交互，增強了用戶體驗。

4.開發了3D打印課程

3D打印拓展課程的開發，力求突破兩點：

（1）課程不能只是軟件學習課，而是有計劃地培養學生各種創新和創造的核心技能，將問題解決、設計、建模、造物和軟件學習有機結合。

（2）課程不能只是范例模仿課，課程必須關注到學習態度方面的核心品質，要努力將學生置身于情境中，讓他們保持持久的熱情，遇到問題能夠不急不躁，有足夠的耐心去尋求和完善解決方案，并外化形成良好的學習行為。

在我們開發的《小瑋的3D主題屋》課程中，有明晰的課程主線、模塊化課時框架、合理的內容呈現方式，對3D打印的核心技能和科學研究的核心技能進行有序、有機、有效設計。在同一主線、不同情境、不同問題中，學生逐漸學習了課程中的軟件操作基本技能（復制、旋轉、組合、變形、測量、挖空、抽殼、繪制曲線等），還不斷地發展學生的各種科學研究能力，如觀察、比較、測量、數據處理與分析、模型建構與修正、創新思維能力等。

3D技術具有不同于2D技術的優勢，有高度可視化和強沉浸感的特性， 在與小學科學教學融合時，可以采用化實為虛、虛實結合、以虛促實、以實補虛等多種方式實現技術與內容融合。3D技術與教育融合的核心是技術與人融合，現階段3D技術因多方面原因，只有少數學生和教師能參與進來，普及還為時尚早。

我們的研究還在路上，在系統性規劃、技術性路徑、可行性策略、實操性方案等方面還有待進一步設計、論證和實踐，現階段的研究還較粗淺，結論還有待檢驗。

廣東省深圳市教育科學研究院（518000）