基于zSpace虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)校科學(xué)課應(yīng)用與分析

馮建平 康志敏 吳麗華

摘? ?要：利用zSpace虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真真實(shí)情景，供學(xué)習(xí)者觀察和學(xué)習(xí)，通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)習(xí)者獲得VR課堂的體驗(yàn)與啟發(fā)，從而教導(dǎo)學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)完成課堂實(shí)驗(yàn)。文章從學(xué)校科學(xué)課進(jìn)行設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)科學(xué)課課堂和利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科學(xué)課課堂進(jìn)行對(duì)比分析，引出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于科學(xué)課的重要性和必要性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);學(xué)校科學(xué)課;應(yīng)用;對(duì)比分析

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）可以被定義為一個(gè)滿足以下3個(gè)基本特征的系統(tǒng)：真實(shí)和虛擬世界的融合、實(shí)時(shí)交互、虛擬和真實(shí)物體在3D空間中的精確匹配。應(yīng)用中它將虛擬三維模型動(dòng)畫、視頻、文字、圖片等數(shù)字信息實(shí)時(shí)疊加顯示到真實(shí)場(chǎng)景中，用戶可在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中與虛擬信息實(shí)現(xiàn)人機(jī)自然交互。虛擬現(xiàn)實(shí)的范圍很廣，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，是廣義虛擬現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)展，但是現(xiàn)在常把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和AR并列提出，由于AR較VR更加強(qiáng)調(diào)現(xiàn)實(shí)和虛擬的融合，在游戲、娛樂等方面應(yīng)用廣泛，本文主要探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育方面的應(yīng)用與實(shí)踐體會(huì)，關(guān)注的問題主要體現(xiàn)在：（1）抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化、形象化。（2）支持泛在環(huán)境下的情景式學(xué)習(xí)。（3）提升學(xué)習(xí)者的存在感、直覺和專注度。（4）使用自然方式交互學(xué)習(xí)對(duì)象。（5）傳統(tǒng)學(xué)習(xí)與新型學(xué)習(xí)相結(jié)合等問題。與Flash課件和其他3D建模軟件相比，本文基于zSpace虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟件具有實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的效果和方便的交互性，因此逐漸被應(yīng)用到教育中，使學(xué)生學(xué)習(xí)探究更直接、更自然[1]。

基于zSpace虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟件系統(tǒng)作為教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的媒體效果，為更好地輔助教師完成教學(xué)任務(wù)，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一套教學(xué)模式，用于表達(dá)在創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景的條件下，分析虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)探究的影響，設(shè)計(jì)的教學(xué)過程模型如圖1所示。

1? ? 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)習(xí)方案的設(shè)計(jì)思路

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景有很多種，如教學(xué)情境導(dǎo)入、體驗(yàn)與驗(yàn)證、操作與訓(xùn)練、自主探究等，那么關(guān)于自主探究式的學(xué)習(xí)方案的設(shè)計(jì)（見圖2）主要分為4個(gè)部分：確定學(xué)習(xí)目標(biāo)、創(chuàng)設(shè)問題情景、設(shè)計(jì)探究支架、總結(jié)與反思。

對(duì)于學(xué)生來說，有許多抽象的經(jīng)驗(yàn)是不能理解的，那么在過去的教學(xué)中，老師是將抽象的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為觀察的經(jīng)驗(yàn)，這樣學(xué)生可以對(duì)抽象的經(jīng)驗(yàn)有一些較深的了解，隨著素質(zhì)教育的提出以及國家政策的頒發(fā)，越來越強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、創(chuàng)新能力。通過記憶學(xué)習(xí)金字塔（見圖3）可以得出如下結(jié)論：“我聽了，我忘了”“我看了，我記住了”“我做了，我明白了”。這也是為什么傳統(tǒng)的教學(xué)正在轉(zhuǎn)向自主探究式教學(xué)，傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾魈骄渴綄W(xué)習(xí)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來的是將抽象的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為做的經(jīng)驗(yàn)，從而達(dá)到“我做了，我明白了”。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與自主探究式學(xué)習(xí)相結(jié)合，無異于“錦上添花”。在確定學(xué)習(xí)目標(biāo)時(shí)，可以將目標(biāo)定得更具體，而不只局限于了解;在創(chuàng)設(shè)問題情境時(shí)可以更豐富;在設(shè)計(jì)探究支架時(shí)可以選擇更多的操作;在總結(jié)時(shí)可以讓學(xué)生有更深的體會(huì)和更多的思考[2]。

2? ? 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)習(xí)方案的設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，要將以學(xué)生為中心的教育理念為指導(dǎo)，提倡混合式的教學(xué)方式，注重學(xué)習(xí)的過程，敢于讓學(xué)生犯錯(cuò)，讓他們嘗試不同的方案，同時(shí)學(xué)習(xí)方案的設(shè)計(jì)要進(jìn)行轉(zhuǎn)變，體現(xiàn)知識(shí)傳播者就是學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)者、學(xué)習(xí)資源使用者就是學(xué)習(xí)資源創(chuàng)作者、抽象經(jīng)驗(yàn)?zāi)芘c做的經(jīng)驗(yàn)相互結(jié)合。學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)上也要充分體現(xiàn)知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀的培養(yǎng)，使學(xué)生全面發(fā)展[3]。

3? ? 教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

本文在搭建基于zSpace虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境的平臺(tái)中，選擇某學(xué)校3個(gè)班，授課12節(jié)，每節(jié)課平均學(xué)生約42人，配備zSpace虛擬實(shí)驗(yàn)機(jī)7臺(tái)，1臺(tái)教師用PC機(jī)，10臺(tái)學(xué)生用PC機(jī)，4～5人每組使用一臺(tái)機(jī)器，需要的設(shè)備還有交互式電子白板和普通黑板。

研究分析過程參考Guay等編制的學(xué)生動(dòng)機(jī)量表設(shè)計(jì)了聽課質(zhì)量評(píng)價(jià)量表（學(xué)生用表），評(píng)價(jià)主要分為自評(píng)、同伴互評(píng)、師評(píng)3個(gè)部分，每一個(gè)部分設(shè)定多條評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，每條準(zhǔn)則分為5個(gè)等級(jí)，制作一個(gè)總表（教師用表）來計(jì)算均值以便教師統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)每節(jié)課不同的授課內(nèi)容進(jìn)行部分改變，以便學(xué)生進(jìn)行自評(píng)。

4? ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與學(xué)生聽課質(zhì)量相關(guān)性分析

在幾個(gè)月教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究過程中，采用對(duì)比分析的手段，選擇3個(gè)班級(jí)通過對(duì)于學(xué)生聽課質(zhì)量的變化得出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與聽課質(zhì)量的相關(guān)性，首先，構(gòu)建思維導(dǎo)圖來將學(xué)生聽課質(zhì)量的因素分類，從各個(gè)因素出發(fā)研究，以便于研究的準(zhǔn)確性和具體性。根據(jù)布魯姆教學(xué)目標(biāo)（布魯姆教學(xué)目標(biāo)共分3大類：認(rèn)知領(lǐng)域、情感領(lǐng)域、動(dòng)作技能領(lǐng)域）以及三段式評(píng)價(jià)模型（三段式評(píng)價(jià)模型主要分為前期評(píng)價(jià)、過程評(píng)價(jià)、總結(jié)評(píng)價(jià)），在本研究中將學(xué)生聽課質(zhì)量影響因素分為6類：（1）與教師互動(dòng)的情況。（2）課程預(yù)習(xí)單的完成程度。（3）課堂注意力。（4）課堂的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。（5）任務(wù)完成度。（6）小組合作狀態(tài)。其中，（2）（5）為認(rèn)知領(lǐng)域，（1）（3）為動(dòng)作領(lǐng)域，（4）（6）為情感領(lǐng)域。為每個(gè)因素設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)問題，根據(jù)里克特量表5級(jí)原理設(shè)定，每個(gè)問題分為5級(jí)并做了一些變形，計(jì)算統(tǒng)計(jì)和量化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而使得分析更加準(zhǔn)確。

實(shí)踐研究實(shí)施過程中，針對(duì)研究對(duì)象四年級(jí)的學(xué)生所具有的特征：學(xué)習(xí)者自身方面特征，此階段的學(xué)生不像一二年級(jí)的那么懵懂，有了自己的意識(shí)和判斷，常常會(huì)因?yàn)樽约旱南敕ㄅc別人有不同所以會(huì)產(chǎn)生逆反心理。意志力又不夠堅(jiān)定，很容易就會(huì)有挫敗感，從而喪失信心感到頹廢。學(xué)習(xí)方面的特征，該階段的學(xué)習(xí)者，接觸到的知識(shí)增多，學(xué)習(xí)內(nèi)容的難度加大，同學(xué)之間的差距會(huì)相較于之前大了一些，競(jìng)爭(zhēng)的心理和旺盛的求知欲會(huì)讓學(xué)習(xí)者有一股不怕輸不服輸?shù)奶攸c(diǎn)。因此在實(shí)驗(yàn)中，要結(jié)合學(xué)生的特征，將這些因素的影響降到最小，以保證調(diào)查的準(zhǔn)確性以及科學(xué)性。實(shí)踐研究過程中對(duì)量表的處理，就量表效度與信度進(jìn)行分析，建構(gòu)效度反映能夠測(cè)量出理論的特質(zhì)或概念的程度，為檢驗(yàn)問卷是否具備結(jié)構(gòu)效度，最常用的方法是因子分析法。根據(jù)學(xué)者Kaiser觀點(diǎn)，如果KM0的值在0.70以上，代表題項(xiàng)變量間的關(guān)系是適中的;Bartlett球形檢驗(yàn)達(dá)顯著時(shí)，代表母群體的相關(guān)矩陣間有共同因素存在，適合進(jìn)行因子分析25。

信度是指測(cè)驗(yàn)或量表工具所測(cè)得結(jié)果的穩(wěn)定性及一致性。本研究采用克隆巴赫（Cronbach）α信度系數(shù)進(jìn)行信度評(píng)價(jià);一般而言，Cronbach α系數(shù)在0.7～0.8之間表示內(nèi)部一致性較好，可以接受;在0.8～0.9之間表示理想，信度很高。信度評(píng)價(jià)如表1所示，課堂聽課質(zhì)量相關(guān)因素對(duì)比如圖4所示。

5? ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)效果分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，基于zSpace虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于課堂，對(duì)于學(xué)生科學(xué)課的聽課質(zhì)量有一定影響，且能夠提高學(xué)生的體驗(yàn)感，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）沉浸式學(xué)習(xí)，借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以“現(xiàn)場(chǎng)”體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)生活中很難或無法體驗(yàn)的場(chǎng)景，抽象概念的缺陷被彌補(bǔ)，能夠更容易理解，對(duì)于學(xué)習(xí)有整體性的感受，這使得學(xué)習(xí)者輕松愉悅的學(xué)習(xí)。

（2）交互式學(xué)習(xí)，基于zSpace虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但可以再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景，還具有很強(qiáng)的交互性，能夠?qū)崿F(xiàn)電腦和學(xué)生相互交互，創(chuàng)造個(gè)性化學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生探索在課程融合的基礎(chǔ)上進(jìn)行，自由、開放、創(chuàng)新、充滿樂趣。

（3）高效率學(xué)習(xí)，一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠“占領(lǐng)”學(xué)生的視覺、聽覺甚至觸覺等多個(gè)感覺通道，多感官的參與可以提高學(xué)習(xí)效率。另一方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)切斷了學(xué)生與周圍世界的感官聯(lián)系，讓學(xué)生“沉浸”在與學(xué)習(xí)內(nèi)容的交互過程中，隔離了外界干擾。學(xué)生可將各個(gè)學(xué)科融合到一個(gè)探究之中，學(xué)習(xí)者免除了學(xué)習(xí)單一學(xué)科的枯燥，加強(qiáng)了各個(gè)學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)，提高了科學(xué)素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了素質(zhì)教育。

通過基于zSpace虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課堂實(shí)踐活動(dòng)與分析，感受到教學(xué)活動(dòng)要體現(xiàn)以學(xué)習(xí)者為中心，教學(xué)設(shè)計(jì)要?jiǎng)?chuàng)設(shè)真實(shí)教學(xué)情景，并最大限度地與各學(xué)科的融合，讓學(xué)生在學(xué)到知識(shí)的同時(shí)，體現(xiàn)出學(xué)習(xí)者的自主性、目標(biāo)感和必備能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李建生.小學(xué)科學(xué)課結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教學(xué)的應(yīng)用研究—以信息技術(shù)輔助系統(tǒng)教學(xué)評(píng)價(jià)為例[J]課程教育研究，2018（13）：174.

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Application and analysis of school science class based on zSpace virtual reality technology

Feng Jianping， Kang Zhimin， Wu Lihua

（Hainan Normal University， Haikou 570100， China）

Abstract：Using the virtual reality technology of zSpace to simulate the real situation， for the learners to observe and study， through the experiment， the learner can obtain the experience and the inspiration of the VR class， so as to teach the students to complete the classroom experiment through the virtual reality. This paper， from the design of the school science class， compares the traditional science class class and the science class classroom with the virtual reality technology， and educes the importance and necessity of the virtual reality technology to the science class.

Key words：virtual reality; school science; application; comparative analysis