基于zSpace的物理學(xué)科綜合實踐活動設(shè)計研究*

高 潔 劉含嫣

（1.北京市海淀區(qū)教育科學(xué)研究院，北京100080；2.北京博雅智學(xué)軟件股份有限公司，北京100088）

一、問題的提出

隨著人工智能的發(fā)展，世界各國紛紛制定戰(zhàn)略規(guī)劃，尤其在我國發(fā)布《教育信息化2.0 行動計劃》后，各種與人工智能有關(guān)的教育技術(shù)應(yīng)用被關(guān)注，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)、增強現(xiàn)實技術(shù)、裸眼3D 技術(shù)在物理、生物、化學(xué)等學(xué)科有廣泛的應(yīng)用。物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運動規(guī)律。高中物理課程[1]是一門基礎(chǔ)課程，物理教學(xué)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，增強創(chuàng)新意識和實踐能力；提倡教學(xué)方式多樣化，尤其利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解物理學(xué)本質(zhì)，整體認(rèn)識自然界，形成科學(xué)思維習(xí)慣，增強科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力。綜合實踐活動[2]是從學(xué)生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，從生活情境中發(fā)現(xiàn)問題，轉(zhuǎn)化為活動主題，通過探究、服務(wù)、制作、體驗等方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科實踐性課程，高中階段的目標(biāo)是創(chuàng)意物化，積極參與動手操作實踐活動。因此，基于觀察與實驗的物理學(xué)，可結(jié)合開展綜合實踐活動來提升在新時代的基本理念背景下學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，豐富學(xué)生學(xué)科知識的學(xué)習(xí)方式。

二、zSpace教學(xué)應(yīng)用

zSpace 是一款全新的3D 顯示屏，由加州Infinite Z 公司開發(fā)，可以跟蹤用戶頭部的轉(zhuǎn)動和手的動作，實時調(diào)整用戶看到的3D 圖像。給計算機游戲和增強現(xiàn)實帶來創(chuàng)新。

與在電影院或通過3D 電視看到的3D 視頻不同，用戶可以用手繞著物體做運動，如從側(cè)面看，或從底部看，zSpace 會根據(jù)用戶的動作顯示正確的觀看角度。要想看到顯示屏所產(chǎn)生的3D 圖像，用戶還需要佩戴一副特殊的眼鏡。這副眼鏡還有其他用途，除了為每只眼睛顯示不同的圖像（實現(xiàn)3D 效果），還可以用來反射紅外線，以便讓內(nèi)置在顯示屏內(nèi)的攝像頭能夠跟蹤用戶頭部運動（包括眼球運動）。

zSpace 的教育軟件工具分為：（1）素材包：超過1000個模型（歷史文物、建筑、考古學(xué)、人體解剖、太陽系、植物學(xué)、動物學(xué)、工藝、交通工具、雕塑）；擴充模型庫；多種模型操作工具（量尺、拆解、切片、標(biāo)簽）；導(dǎo)入專屬的3D模型。（2）學(xué)科、藝術(shù)軟件：zSpace STEAM 課程軟件家族成員越來越多，除了Studio(工作室)、牛頓公園、富蘭克林實驗室、虛擬科學(xué)，還有2016年加入的Leopoly（美術(shù)軟件）、可視化人體、居里夫人元素、歐幾里得模型。

三、基于zSpace的物理科技活動設(shè)計案例

本案例是一個基于zSpace 設(shè)備的小型物理綜合實踐比賽活動，使用設(shè)備自帶的“牛頓實驗室”和“富蘭克林實驗室”軟件設(shè)計兩個比賽項目，分別為《憤怒的小球》和《修復(fù)四軸飛行器》，兩個比賽難度前者容易后者較難，都需要學(xué)生在掌握軟件操作的基礎(chǔ)上，利用已有的物理知識、探究精神和發(fā)散思維去完成。

《憤怒的小球》設(shè)計的目的是讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中可以精準(zhǔn)控制力的大小、方向以及觀察物體的移動軌跡。通過游戲比拼的方式讓學(xué)生領(lǐng)悟力會改變物體的運動，重力會使它的軌跡彎曲。《修復(fù)四軸飛行器》設(shè)計的目的是讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中直觀地觀察電路中的電流以及每一個元器件，引導(dǎo)學(xué)生進行故障排查。學(xué)生在比賽的過程中經(jīng)歷觀察、猜想、分析、拆解、組裝等環(huán)節(jié)，并領(lǐng)悟故障排查的基本策略。比賽的整體設(shè)計意圖是為了讓學(xué)生在比賽的過程中感受到物理魅力的同時使用zSpace 體驗虛擬現(xiàn)實在學(xué)習(xí)上的應(yīng)用，做到寓教于樂。如圖1為《憤怒的小球》操作界面，表1所示為《憤怒的小球》項目比賽規(guī)則，圖2為《修復(fù)四軸飛行器》操作界面，表2所示為《修復(fù)四軸飛行器》項目比賽規(guī)則。

圖1 《憤怒的小球》操作界面

表1 《憤怒的小球》項目

圖2 《修復(fù)四軸飛行器》操作界面

表2 《修復(fù)四軸飛行器》比賽項目

研究者在某學(xué)校高一年級開展了本次的小型物理綜合實踐活動，參與學(xué)生為12 名，均為第一次接觸zSpace 設(shè)備，分?jǐn)?shù)從2 分到40 分不等。活動結(jié)束后對比賽設(shè)計者（一位教師）、技術(shù)支持者（一位教師）、學(xué)校組織者（兩位教師）及4 名分?jǐn)?shù)不同段的學(xué)生進行了問卷調(diào)查，調(diào)研問卷問題設(shè)置如表3所示。調(diào)查顯示學(xué)生對此教學(xué)工具都很感興趣，并認(rèn)為在數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科都可以使用。有教師認(rèn)為該設(shè)備雖在一定程度上會讓教學(xué)變得比較有趣，但總體感覺更適合于小學(xué)教學(xué)，高中階段更多地會向邏輯思維轉(zhuǎn)移，小學(xué)和初中早期會需要感官刺激更多一些。

表3 調(diào)查問卷問題設(shè)置

四、物理活動案例分析

在對本次活動舉辦情況實際調(diào)研后，得出以下結(jié)論（如表4活動與優(yōu)勢分析和表5活動），供研究者參考。

1.特色與優(yōu)勢

混合現(xiàn)實優(yōu)化知識點呈現(xiàn)方式。本活動設(shè)備采用VR 和AR 技術(shù)結(jié)合的MR 技術(shù)，將物理環(huán)境虛擬化，再現(xiàn)了教學(xué)中較難實現(xiàn)或成本高的知識點應(yīng)用場景，學(xué)生可進行多次操作練習(xí)，不用擔(dān)心器材教具損壞、設(shè)備爆炸、數(shù)量不足等客觀存在的問題，同時增加了學(xué)習(xí)的趣味性。

活動設(shè)計理念突出寓教于樂。使用在教育界尚未普及的混合現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)軟件，學(xué)生都表現(xiàn)出了好奇和欣喜的表情，都能積極探索完成比賽任務(wù)，并且在比賽后仍然探討相關(guān)知識點問題；教師專注點在于活動是否能讓學(xué)生快樂、提高素養(yǎng)和思維訓(xùn)練，而非成績，體現(xiàn)學(xué)校“育人”大于“教書”的理念。

促進學(xué)生探索發(fā)散思維。學(xué)生普遍表示對自己的成績滿意，對本次活動覺得有趣。不滿意成績的學(xué)生是因為操作不熟練，平時沒接觸過此種設(shè)備。成績偏高的學(xué)生能夠自己探索出經(jīng)驗規(guī)律，能夠?qū)Ρ荣愐?guī)則提出改進建議。學(xué)生能夠?qū)υ撛O(shè)備的遷移應(yīng)用發(fā)表自己的意見，大多數(shù)表示該設(shè)備可應(yīng)用到物理、數(shù)學(xué)、生物和化學(xué)等學(xué)科。

幫助學(xué)生開展分層訓(xùn)練。本次活動設(shè)置了難度不等的兩個項目，能力較強的學(xué)生在第一次接觸該設(shè)備時能快速上手找到操作方法，結(jié)合已有經(jīng)驗知識和新方法嘗試探索解決問題路徑；就同一個項目來講不同能力的學(xué)生會獲得不同的靈感，得到靈感的學(xué)生會迅速找到技巧，掌握知識點在虛擬場景中的實際應(yīng)用。

表4 活動特色與優(yōu)勢

2.建議

活動時長設(shè)置需合理。本次比賽時間較緊張，由于學(xué)生第一次接觸，賽前沒有時間讓學(xué)生充分了解設(shè)備，賽中第二個難度大的項目很多學(xué)生沒有時間完成，只有幾個學(xué)生只是獨自完成了一個四軸飛行器的修復(fù)。建議活動時間根據(jù)比賽難度和環(huán)節(jié)做好時間劃分。

做好學(xué)生賽前準(zhǔn)備工作。本次比賽學(xué)生陸續(xù)到來，原定的講解環(huán)節(jié)晚來的學(xué)生沒有聽到，導(dǎo)致個別學(xué)生操作受阻，不能很好地體驗完成知識點的探索學(xué)習(xí)。建議對學(xué)生進行前測和后測以做出合適充分的準(zhǔn)備工作。

活動主題與內(nèi)容需匹配。本次活動題目為科技活動，但比賽項目僅為物理知識，可以更換主題或增加活動主題內(nèi)容。建議之后舉行活動的主題更加符合內(nèi)容，如果定義為科技活動可以再增加一些其他學(xué)科的知識點操作項目。

教師探索精神仍需提升。本次活動觀察到，在備賽區(qū)域有供師生使用的VR 設(shè)備，內(nèi)含小游戲供師生練習(xí)，但發(fā)現(xiàn)在第一個游戲的體驗中，使用者不知如何操作或僅操作了兩三次沒反應(yīng)后，旁邊輔助教師第一反應(yīng)是去查詢說明書，而不是自己嘗試著去用手柄進行不同操作實踐。建議教師也應(yīng)養(yǎng)成積極主動的探索試錯精神。

表5 活動建議

五、總結(jié)

本文研究的案例是混合現(xiàn)實設(shè)備zSpace 在教育教學(xué)中應(yīng)用的初步嘗試與探索，通過比賽的形式讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識，提升物理素養(yǎng)，促進學(xué)生科學(xué)探究及發(fā)散思維的養(yǎng)成，為虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實在教育教學(xué)中的應(yīng)用提供參考，也為日后開展此類型活動提供借鑒。