3D模式下的學生科學觀察的評估

3D虛擬技術是利用計算機生成一種模擬環境，并通過多種專用設備使用戶“投入”到該環境中，實現用戶與該環境進行自然交互的一門嶄新的綜合性信息技術。其技術可大致分為AR和VR兩類。AR技術是在體驗者能夠看到現實景象的基礎上融入了虛擬現實技術，體驗者所感受到的情景是現實情景在虛擬部分的增強，而不是完全的虛擬，其特征是虛實結合；VR（狹義）是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中，其特征是完全的虛擬。

著名英國3D教育專家Anne Bamford 2011年從德國、法國、意大利、荷蘭、土耳其、英國以及瑞典的十幾所學校里，選取740名10-13歲的學生專門針對3D教育技術進行測試，旨在研究3D教育和傳統2D教育的影響，以論證推廣3D教育技術的可行性。結果表明：使用3D眼鏡上課的學生中，86%以上成績有顯著提升，而依賴2D資源沒有使用3D眼鏡的同學中，只有52%成績有進步。在3D教室中，每個學生的成績平均提高了17%，而2D教室中的學生成績只提高了8%；平均92%的學生表示3D課程非常引人入勝，而非3D教室中認真聽講的學生中只有46%有此感觸。100%的教師感覺學生在上3D課時注意力比其他課程更集中，84%的學生認為3D教學改善了他們的學習。

我們團隊在研究中，將評估3D技術聚焦于3D技術對兒童觀察能力的影響。由于研究涉及的3D資源開發成本高、數據采集工作量大，所以我們只選擇了在《我們來造環形山》一課教學中6個班級近300名學生進行教學對比和實踐。之所以選擇這一課，原因有二：①“環形山”無法在地球上實際觀察，陌生環境觀察更少受已有經驗的影響；②“環形山”有足夠多的信息點，有利于評估學生的觀察能力。我們將學生的觀察能力評估聚焦在三個方面：①觀察信息量的多少；②關鍵特征的觀察；③模擬實驗中對關鍵信息的重現程度。

具體教學操作是：在自然的上課情景中對學生的觀察能力進行評估，將6個教學平行班隨機分成三組，每兩個班級在上課中只有觀察資源不同，其他教學環節基本一致。教學資源中，“環形山”分別采用傳統的圖片、2D視頻與3D實景觀察對比，學生用大致相同的時間觀察完后，將觀察結果記錄下來。學生在“環形山”模擬實驗結束后，再次對模擬中造出的“環形山”的特征進行陳述。以下是數據統計結果和簡要分析。

一、觀察信息量的多少的比較

從上面的數據統計表中，我們可以觀察出以下特征：

1.3D模式觀察，學生觀察后收集到的信息點整體上多于傳統觀察模式，能更全面地對事物進行觀察，而圖片和視頻提供的信息則相對受限。

2.從信息點數值分布的特征可以看到，三種觀察方式在低數值段的學生占比差異不大，而高數值段的學生占比中，VR模式大幅領先其他兩種方式。我們認為，學生更主動地觀察可能是導致差異變大的主要原因。

3.圖片模式和視頻模式的觀察相比，圖片模式要稍稍優于視頻模式。原因有二：一是圖片與視頻相比，可以放大更多細節；二是圖片觀察中，學生觀察時間較長且更專注。

二、關鍵特征的觀察比較

從統計數據可以看出，3D VR模式比2D模式的觀察在各個關鍵特征上都優異。我們分析，主要原因是3D模式下學生可以采用自如的全景式觀察視角。“中央峰”是部分環形山底部的突起，水平視角最易發現；“輻射紋”則是由近及遠，俯視角度最易觀察；“相互擠壓”最適合用局部放大觀察。三個關鍵特征分別有最匹配的觀察視角，這在VR模式下都可以由學生自主實施，而傳統的2D模式則無法實現。

三、模擬實驗中對關鍵信息的重現程度

學生的觀察環節獲得的信息多少，會在實驗驗證的環節直接體現出來。學生會根據已知的信息有意識地模擬實驗，使實驗產生的現象能匹配觀察到的信息，從而證明自己的猜測。相反，如果學生在觀察階段的信息不全面、不清晰，沒有更多的信息，他們在實驗過程中尋找不到更多的關注點和需要匹配的驗證信息，會導致實驗不規范或不成功。

由于模擬實驗是分小組進行的，所以統計數據以實驗小組為單位。每個班分12個小組，每種模式觀察的小組總數是24個。統計時，為避免偶然因素的影響，我們將每個小組的實驗能再現2個以上關鍵特征的視為有效果實驗。

通過比較研究，我們不難發現，在3D視頻技術的支持下，學生對事物的觀察在某些方面超越了使用傳統觀察方式，尤其是在天文、地理等無法直接觀察的領域。利用虛擬現實技術，教師和學生一起經歷虛擬環境，觀察一些關鍵性問題，還能讓學生自己“進入其中”進行詳細觀察，大大提高了他們的理解能力。我們讓學生基于觀察和模擬實驗，研討環形山的成因時，發現學生在論述時能更好地在觀察事實、模擬事實和成因假說之間反復論證，以理服人。

上圖是一張學生集體論證圖，記錄了學生根據模擬實驗能觀察到的事實來論證與兩種不同假說的聯系。可以看到，模擬實驗的絕大多數事實都支持“隕石撞擊”假說，但也有一些事實可以同時支持兩種不同的假說。在3D技術支持下，觀察到的事實越多，模擬實驗越有成效，學生的理解和論證會更深刻。

虛擬現實技術目前尚有諸多因素限制它在教育領域的廣泛應用。從我們的初步研究可以看出，它能為教學人員和學生構建一種全新、多變的教學環境，為學習者提供了一種可以進行交互、直觀、自主探索的學習對象和環境，學生在觀察能力上有較大的提升。

廣東省深圳市福田區教科院

附屬小學（518040）