基于VR/AR技術的創客教學模式研究

金彩云 劉鑫 李耀鋒

摘 要：為解決創客教育實踐中出現的跨學科知識點無法整合、創意難以激發、教師地位缺失等問題，將VR/AR技術應用于創客教育，搭建高參與度、高創意度與高素質協作的創客教學模式。以《Arduino創意機器人》中《閃爍LED》為例開展課堂應用，取得較好教學效果。探究創客教育教學模式，借助VR和AR技術挖掘更完善的教學模式與教學活動方式，為創客教育發展提供參考。

關鍵詞：創客教育;VR;AR;教學模式

DOI：10. 11907/rjdk. 201702 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）008-0247-04

Abstract：In order to solve the problems in the practice of maker education， such as the integration of interdisciplinary knowledge points， the difficulty to stimulate creativity and the lack of teachers status， VR / AR technology is applied to maker education to build a maker teaching mode with high participation， high creativity and high quality cooperation. Taking 《Flashing LED》 in Arduino creative robot as an example， we have achieved good teaching effect. By exploring the maker education teaching mode， we explore more perfect teaching mode and teaching activities with the help of VR and AR technology to provide reference for the development of maker education in primary and secondary schools.

Key Words： maker education; VR; AR; teaching mode

0 引言

隨著智能化時代到來，世界各國把創新能力視為國家競爭力的核心要素和教育教學培養人才目標。黨的十七大報告提出把自主創新作為國家發展的基本戰略。2018年2月11日，教育部印發《2018年教育信息化和網絡安全工作要點》，指出“推進信息技術在教學中的深入普遍應用，開展利用現代信息技術構建新型教學組織模式研究”，要求探索信息技術在眾創空間、跨學科學習（STEAM教育）、創客教育等教育教學新模式中的應用，逐步形成創新課程體系[1]。

創客教育是一種基于學生興趣，引導學生在項目式學習活動中激發創意，鍛煉動手能力，培養團隊合作精神和創新能力的一種教育。我國創客教育與國外相比，起步時間晚，教育理念發展不完善，地區發展水平不平衡，在推廣過程中困難重重。本文將虛擬現實（Virtual Reality）技術、增強現實（Augmented Reality）技術與創客教育交叉應用，利用VR和AR技術的沉浸性、交互性與想象性特點，創建高參與度、高創意度與高素質協作創客教學模式。

1 創客教育與VR/AR技術融合可行性分析

虛擬現實技術是一種綜合計算機多媒體技術、計算機圖形技術、傳感器技術、人機交互技術、網絡技術以及數字仿真技術等多種信息技術發展起來的計算機領域新技術[2]。增強現實技術則是利用計算機將虛擬信息應用到真實信息中，二者有機疊加產生新的三維信息，增強人們對真實世界的感知與認知[3]。基于VR/AR技術的產品在醫學培訓、軍事實訓、建筑設計、圖書館等非正式學習領域取得了很好的教學效果。zSpace是美國硅谷的一家公司在STEM教育理念下研制的虛擬現實系統一體機，通過虛擬現實環境改變人們探索、研究與設計事物方式，加深數字化學習體驗深度，提供激發學生好奇心、增強理解能力的終極學習體驗[4]。VR/AR技術在人才培養過程中強調真實場景學習體驗，VR技術為學生創設更加直觀真實的學習任務與情境，由表及里、由內到外交互體驗，讓學生在虛擬環境中觀察、探索與實驗，從而加深對知識的理解，激發學習興趣[3]。

創客教育是培養大眾、學習者特別是青少年學生創新精神的教育形式[5]。創客教育是創新教育的一種形式，它適應科技創新國家發展戰略，是培養創新型人才的重要途徑。

從教育目的角度分析，創客教育與VR/AR技術融合具有可行性。創客教育利用技術與環境，以主動、探究、合作的方式在主動探究過程中培養創新精神與實踐能力，VR/AR技術利用多圖層、無縫疊加分析技術提供沉浸式、趣味式、交互式學習環境，鍛煉學生整合多元知識，培養綜合思維和創新能力。VR/AR技術根據區域特征個性化設計VR場景與互動游戲，在問題引導下讓學生體驗、觀察與實踐，有利于培養創新精神與實踐能力，這與創客教育目的不謀而合。

創客教育理論基礎——建構主義，主張以學生為中心，教師作為輔助者幫助學生進行主動的意義建構。VR/AR技術支持沉浸式教育，以情境認知教學為基礎，利用技術與資源使學生真正參與到學習活動中。由此可見兩者是相互促進關系，這也是創客教育與VR/AR技術融合的理論基礎。

由此可見，創客教育與VR/AR技術融合具有可行性。創客教育理念可指引VR/AR技術應用于教育領域，使用VR/AR技術可促進創客教育實踐與發展。因此，在培養創新人才目標導向下，一條有效的途徑就是促進創客教育與VR/AR技術有效融合，以創客教育理念推動VR/AR技術支持下的沉浸式互動教育。

4.2 教學活動設計

（1）知識學習階段。通過VR/AR桌面教學系統呈現打開LED燈、關閉LED燈以及LED燈閃爍的虛擬情景，引起學生興趣，將LED與Arduino控制器數字口的連接引入課堂。學生通過沉浸式虛擬環境了解制作閃爍LED原理，使原本枯燥難懂的知識點在VR技術呈現下變得有趣。讓學生自主操作電路，在虛擬環境中消除危險性，如圖3所示。

（2）情境思考階段。在此階段，教師讓學生在VR/AR桌面教學系統上一鍵操作LED燈閃爍，并結合LED與Arduino控制器數字口連接原理進行知識內化。教師通過VR技術展示控制LED燈模仿型項目流程并發放模仿型項目資料，見表1，學生進行小組協作學習，在VR技術支持的模擬電路環境中體驗LED與Arduino控制器數字口連接，深入思考Arduino三合一控制板、黃色紅色藍色LED、USB線、面包線關系。

（3）操作練習階段。在學生掌握原理與編程技能后，教師需要給學生留出時間進行體驗操作，對學生操作過程進行指導。學生在虛擬環境中通過反復模仿嘗試，加深對LED與Arduino控制器數字口連接的理解，掌握程序編寫要點，體驗一般程序編寫過程。

（4）研究方案階段。此階段學生已經理解模擬項目相關知識點，教師要引導學生思考，激發學生創意，如通過詢問“LED與Arduino控制器還可以控制什么”引導學生進行研究。學生研究解決方案并利用仿真環境以不同方式解決問題。通過模擬交互環境的學習，即節省現實操作成本，也避免在真實環境修改電路的危險性。

（5）創造學習階段。創造階段離不開教師指點，但更重要的是學生自身創新素養。在此階段，教師是“導演”，學生是“主角”，教師因勢利導，適當啟發學生產生新的想法并協助他們實現想法。情景性教學幫助學生改進產品設計、裝配、維護維修、布局規劃等，有利于培養創新意識與創造能力。

（6）分享交流階段。此為最后階段，課堂進行小組互評、師生互評、組內評價、展示研究成果，分享在研究過程中遇到的問題和解決辦法。學生梳理要點，從評價反饋中了解其目標達成程度。評價具有方向性和激勵性，加強師生交互，有助于培養學生創新的信心。

5 結語

國外創客教育已經發展的很好，但在國內依舊是新型教育，尚缺成熟的研究與實踐。創客教育強調在創造中學習，但在實踐中容易出現跨學科知識點無法整合、創意難以激發、教師地位缺失等問題。VR/AR技術利用沉浸性、交互性、構想性特點服務于創客教育，有利于幫助學生在沉浸性課堂上整合多元知識，發現問題，激發創意，培養創新思維。本文結合VR/AR技術特點，搭建一高參與度、高創意度和高素質協作創客教學模式，促進創客教育實踐健康發展。

基于VR/AR技術的創客教學模式，既融合了知識學習與項目創新界限，又獲得了開放、多元的教學方式?；谔摂M現實技術的創客教學模式，重視知識掌握與操作技能訓練，關注學生思考、實踐、創新、評價和分享。資源的開源性與技術門檻的降低，使越來越多的教育工作者開始了創客教育教學探索之旅[14]。從VR和AR的技術角度挖掘更完善的教學模式與教學活動方式，能為學校創客教育發展提供源動力。

參考文獻：

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（責任編輯：杜能鋼）