基于zSpace的VR/AR技術(shù)在中小學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用探究

劉鑫

（蘇州大學(xué) 教育學(xué)院，江蘇 蘇州 215123）

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）是由交互式計(jì)算機(jī)仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動(dòng)作，替代或者增強(qiáng)一種或者多種感官反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸于或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺(jué)[1]。 AR（Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）則是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)允許用戶看到真實(shí)世界以及融合于真實(shí)世界之中的虛擬對(duì)象[2]，通過(guò)虛實(shí)信息疊加，對(duì)實(shí)時(shí)的視頻圖像進(jìn)行信息處理和傳輸，形成三維交互式的立體畫(huà)面，給用戶以全新的體驗(yàn)與感受[3]。VR/AR技術(shù)在國(guó)外基礎(chǔ)教育階段正得到積極推廣和應(yīng)用。在美國(guó)，VR技術(shù)在中學(xué)階段的應(yīng)用主要有幫助教師系統(tǒng)地管理課堂、構(gòu)建虛擬物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)室等[4]；大量可視化的數(shù)據(jù)顯示AR技術(shù)的使用者有51%是K-12階段的學(xué)生[5]。我國(guó)政府的大力支持推動(dòng)了VR/AR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提到“要全力推動(dòng)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合……支持各級(jí)各類學(xué)校建設(shè)智慧校園，綜合利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)探索未來(lái)教育教學(xué)新模式”[6]。

VR/AR技術(shù)在教育中的應(yīng)用可以將感知世界和構(gòu)建知識(shí)緊密融合在一起，在學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)內(nèi)容之間搭建起一座橋梁。李小平等提出VR/AR技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)教學(xué)中出現(xiàn)的主要引用形式有四種[7]：淺度引用是指在課堂上只注重VR/AR技術(shù)的應(yīng)用或者體驗(yàn)，忽視了教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)的結(jié)合；中度引用則是在淺度引用的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了與教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合度，但還是存在過(guò)渡不流暢的問(wèn)題；高度引用和深度引用則是我們要達(dá)到的理想應(yīng)用階段。隨著基于VR/AR技術(shù)的產(chǎn)品相繼推出，其中也有很多應(yīng)用到了實(shí)際的課堂教學(xué)中，并取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。zSpace就是一款基于VR/AR技術(shù)的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，能讓使用者在高度的沉浸感和交互感下，更加有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

一、zSpace在課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式

zSpace的應(yīng)用程序讓學(xué)生參與到更加情境化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)中，并與課程保持一致。為了進(jìn)一步促進(jìn)VR/AR技術(shù)在中小學(xué)課堂中的應(yīng)用，促進(jìn)基于zSpace的課堂取得更好的教學(xué)效果，我們有必要對(duì)zSpace在中小學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式進(jìn)行探究。

Tien-Chi Huang等[8]在一個(gè)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境中，為了更好地將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬環(huán)境結(jié)合起來(lái)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，提出了基于AR技術(shù)的生態(tài)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)模式，見(jiàn)圖1。該模式將參與實(shí)踐學(xué)習(xí)的學(xué)生行為劃分為感受、觀看、思考和活動(dòng)四個(gè)部分，對(duì)學(xué)生在AR技術(shù)支持下的實(shí)踐學(xué)習(xí)進(jìn)行了初步探究，并且在實(shí)踐教學(xué)中取得了良好效果。但是該模式忽略了教師，教師作為課堂教學(xué)的參與者，是不可或缺的角色。在基于VR/AR技術(shù)的相應(yīng)產(chǎn)品應(yīng)用于課堂教學(xué)當(dāng)中時(shí)，我們不能忽略教師對(duì)于整個(gè)課堂教學(xué)的輔助和引導(dǎo)作用。

圖1 基于AR技術(shù)的生態(tài)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)模式

因此，本文對(duì)基于AR技術(shù)的生態(tài)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)模式進(jìn)行了改進(jìn)，將教師的課堂參與加入模式中，以zSpace作為技術(shù)支持來(lái)充當(dāng)課堂中師生交互的橋梁，最后提出了學(xué)習(xí)效果的兩層評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了基于zSpace的VR/AR技術(shù)在中小學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式，見(jiàn)圖2。

圖2

整個(gè)教學(xué)模式從課程開(kāi)始到結(jié)束，分別對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)、教師教學(xué)活動(dòng)以及學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)劃分，每一個(gè)環(huán)節(jié)在課堂教學(xué)中都是不可或缺的。

1.學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)

在基于zSpace的課堂學(xué)習(xí)中，學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)具體劃分為四個(gè)方面：①感受：學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)聯(lián)結(jié)。通過(guò)教師的課前引導(dǎo)，學(xué)生從自身已經(jīng)具備的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，將本堂課要學(xué)習(xí)的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)庫(kù)中的已有經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系，以此為基礎(chǔ)展開(kāi)本堂課的學(xué)習(xí)。②觀看：學(xué)生的觀察反思。在整個(gè)課堂教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)觀看相應(yīng)的教學(xué)輔助材料，如圖片、視頻和模型等，以及通過(guò)簡(jiǎn)單的任務(wù)來(lái)完成經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，并積極反思，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。③活動(dòng)：學(xué)生的積極體驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)自主體驗(yàn)與小組合作，運(yùn)用相應(yīng)的VR/AR工具來(lái)完成問(wèn)題的探索和知識(shí)的建構(gòu)，主動(dòng)積極地展開(kāi)課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)。④思考：學(xué)生對(duì)抽象概念的掌握。學(xué)生積極地完成任務(wù)后，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)從平面的二維知識(shí)轉(zhuǎn)換為立體的三維知識(shí)，對(duì)于所學(xué)的知識(shí)不僅達(dá)到簡(jiǎn)單的識(shí)記和運(yùn)用，還要完成新知識(shí)的體系建構(gòu)。

2.教師教學(xué)活動(dòng)

基于zSpace的課堂當(dāng)中，教師不再是主講者，而主要是作為一種外部動(dòng)力，對(duì)課堂教學(xué)起著推動(dòng)和引導(dǎo)的作用。對(duì)于學(xué)生來(lái)講，教師更多是一種輔助者和引導(dǎo)者的角色。其教學(xué)活動(dòng)具體劃分為以下四個(gè)方面：

（1）設(shè)計(jì)教案：不同于傳統(tǒng)的教案設(shè)計(jì)，基于zSpace的教案設(shè)計(jì)中要考慮到教學(xué)工具和教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性與緊密度，更多的是對(duì)教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)課前的教學(xué)設(shè)計(jì)使課堂教學(xué)能夠流暢進(jìn)行。

（2）展示內(nèi)容：課堂中教師展示的不再是簡(jiǎn)單的板書(shū)或PPT演示，更多的是對(duì)zSpace的操作演示，將教學(xué)內(nèi)容通過(guò)任務(wù)和活動(dòng)的形式傳遞給學(xué)生。

（3）積極引導(dǎo)：教師不再充當(dāng)課堂上的主講者，而是扮演一個(gè)輔助者和引導(dǎo)者的角色。因?yàn)橛辛藌Space的存在，課堂將會(huì)把更多的時(shí)間交給學(xué)生，學(xué)生在相關(guān)的活動(dòng)中需要教師的積極引導(dǎo)，教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)和思考，進(jìn)而促使學(xué)生更加有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)。

（4）總結(jié)提升：教師在課程中要及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決學(xué)生的問(wèn)題。每個(gè)活動(dòng)結(jié)束后進(jìn)行階段性的小結(jié)，及時(shí)給與學(xué)生激勵(lì)，并在整個(gè)課堂最后對(duì)課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，進(jìn)一步升華教學(xué)主題和提升教學(xué)效果。

3.學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)

在基于zSpace的VR/AR技術(shù)在中小學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式當(dāng)中，將學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為兩個(gè)層次，分別是較易進(jìn)行評(píng)價(jià)的第一層目標(biāo)，具體包括完成目標(biāo)、知識(shí)建構(gòu)和技能增長(zhǎng)，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表1；以及較難進(jìn)行評(píng)價(jià)的第二層目標(biāo)，具體包括注意力、自信心和滿意度，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表2。

表1 學(xué)習(xí)效果的第一層評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2 學(xué)習(xí)效果的第二層評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）第一層目標(biāo)

通過(guò)第一層目標(biāo)的達(dá)成：完成教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)建構(gòu)以及相關(guān)技能的增長(zhǎng)，初步的學(xué)習(xí)任務(wù)基本達(dá)成，但還需要對(duì)學(xué)習(xí)效果做更深層次的評(píng)價(jià)。

（2）第二層目標(biāo)

隨著各個(gè)環(huán)節(jié)的逐步開(kāi)展、學(xué)生和教師的共同合作，以及通過(guò)學(xué)習(xí)效果的兩層評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，使得基于zSpace的課堂教學(xué)模式能夠在課堂中得到較好應(yīng)用。

二、《人體骨骼》案例分析

1.案例概況

案例分析了小學(xué)四年級(jí)《科學(xué)》下冊(cè)第一單元《人體骨骼》公開(kāi)課課程，師生來(lái)自安徽省銅陵市某小學(xué)。參加課程的學(xué)生一共有24人，分為7個(gè)學(xué)習(xí)小組。

在參加課程之前，學(xué)生已經(jīng)對(duì)人體骨骼的平面圖示有了初步了解，但是對(duì)于人體骨骼的分類、數(shù)量以及作用等還沒(méi)有掌握。通過(guò)課堂上的學(xué)習(xí)，包括學(xué)生的自主探究、小組合作和教師的輔助講解，結(jié)合學(xué)生對(duì)zSpace的熟練操作,將人體骨骼的知識(shí)從平面化推進(jìn)到立體化，深化了學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。

2.案例的具體分析

按照基于zSpace的VR/AR技術(shù)在中小學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式，以學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)的四個(gè)維度為基準(zhǔn)，對(duì)案例中師生相應(yīng)的行為表現(xiàn)進(jìn)行了分析。

（1）在感受維度下，主要表現(xiàn)為學(xué)生注意力的集中。這一階段作為課程的一個(gè)導(dǎo)入，教師通過(guò)言語(yǔ)和視頻引起學(xué)生的注意，將學(xué)生帶入教學(xué)情境；學(xué)生通過(guò)導(dǎo)入內(nèi)容的學(xué)習(xí)，將其與已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)而促進(jìn)知識(shí)的建構(gòu)。具體行為表現(xiàn)如表3所示。

表3 感受維度下師生行為表現(xiàn)

（2）在觀看維度下，學(xué)生主要通過(guò)觀看相應(yīng)的教學(xué)輔助材料，并與自己的已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較，通過(guò)簡(jiǎn)單的任務(wù)完成相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)結(jié)，在此基礎(chǔ)上積極反思，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。具體行為表現(xiàn)如表4所示。

操作環(huán)節(jié)里，每位同學(xué)都佩戴一副3D眼鏡，對(duì)zS-pace進(jìn)行操作。其中一位同學(xué)操控觸筆，小組其他成員在旁輔助，期間小組成員輪換進(jìn)行操作，進(jìn)而提高參與度。統(tǒng)計(jì)的一種方法是通過(guò)觸筆拉近屏幕上骨骼與觀測(cè)者的距離、360°翻轉(zhuǎn)進(jìn)行觀察，另一種方法是使用觸筆對(duì)屏幕上的骨骼進(jìn)行拆分進(jìn)而進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。課堂學(xué)習(xí)情況如圖3所示。

表4 觀看維度下師生行為表現(xiàn)

圖3 骨骼數(shù)量的計(jì)算

（3）在活動(dòng)維度下，學(xué)生通過(guò)自主體驗(yàn)和小組合作，使用zSpace來(lái)完成問(wèn)題的探索與知識(shí)的建構(gòu)。學(xué)生要做到的不僅僅是簡(jiǎn)單地對(duì)zSpace進(jìn)行操作，還要將所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐活動(dòng)當(dāng)中，通過(guò)活動(dòng)來(lái)鞏固知識(shí)。具體行為表現(xiàn)如表5所示。

表5 活動(dòng)維度下師生行為表現(xiàn)

學(xué)生以小組合作的方式使用zSpace，討論并完成骨骼形狀匹配的活動(dòng)。課堂學(xué)習(xí)情況如圖4所示。

（4）在思考維度下，學(xué)生在對(duì)所學(xué)知識(shí)有了一個(gè)初步掌握后，通過(guò)積極的動(dòng)手操作，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)從平面的二維知識(shí)轉(zhuǎn)換為立體的三維知識(shí)，完成對(duì)抽象知識(shí)的具象化。具體行為表現(xiàn)如表6所示。

圖4 骨骼形狀的匹配

表6 思考維度下師生行為表現(xiàn)

小組成員進(jìn)行合作，將屏幕上散亂的人體骨骼拼成一副完整的人體骨架，通過(guò)這個(gè)活動(dòng)完成對(duì)抽象概念的掌握。課堂學(xué)習(xí)情況如圖5所示。

課堂最后，師生探討了對(duì)本節(jié)課的感想與收獲。通過(guò)課堂教學(xué)活動(dòng)的分析可知，學(xué)生的行為表現(xiàn)完成了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)、促進(jìn)了知識(shí)的建構(gòu)以及相關(guān)操作技能的增長(zhǎng)。課堂上學(xué)生注意力集中度很高，表現(xiàn)出了極高的學(xué)習(xí)投入度和學(xué)習(xí)熱情，活動(dòng)和任務(wù)的完成加強(qiáng)了學(xué)生的自信心，最后課堂呈現(xiàn)出來(lái)的效果符合課前預(yù)期，可以看出基于zSpace的VR/AR技術(shù)在中小學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式最終取得了良好的教學(xué)效果。

圖5 人體骨架的整合

三、結(jié)束語(yǔ)

基于zSpace的VR/AR技術(shù)在中小學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式還有待完善。比如VR/AR技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)教學(xué)中出現(xiàn)主要還處于中度引用階段，我們要在教學(xué)內(nèi)容和VR/AR技術(shù)高度吻合的情況下，進(jìn)行VR/AR技術(shù)與課程無(wú)痕跡轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到對(duì)VR/AR技術(shù)的高度引用甚至深度引用；在實(shí)際課堂教學(xué)中的應(yīng)用還比較少等。這都需要我們?cè)谝院蟮恼n堂教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)基于zSpace的VR/AR技術(shù)在中小學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式進(jìn)行完善。

zSpace作為技術(shù)支持參與到課堂教學(xué)中，對(duì)于教師的教和學(xué)生的學(xué)都是一個(gè)突破。一個(gè)有針對(duì)性的教學(xué)模式對(duì)于課堂教學(xué)能起到良好的推動(dòng)作用，進(jìn)而取得良好的教學(xué)效果。通過(guò)對(duì)實(shí)際教學(xué)中師生教學(xué)活動(dòng)的分析，可以看出基于zSpace的VR/AR技術(shù)在中小學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式下，教師通過(guò)zSpace可以更加有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，學(xué)生通過(guò)zSpace能夠提高課堂參與度，對(duì)抽象知識(shí)更容易掌握。在具身認(rèn)知理論、創(chuàng)客教育和STEAM教育等理念相繼提出的背景下，今后的中小學(xué)課堂當(dāng)中基于VR/AR技術(shù)的產(chǎn)品將會(huì)得到更多和更成熟的應(yīng)用。