劉鑫

（蘇州大學(xué) 教育學(xué)院，江蘇 蘇州 215123）

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實技術(shù)）是由交互式計算機(jī)仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動作，替代或者增強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[1]。 AR（Augmented Reality，增強現(xiàn)實技術(shù)）則是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，增強現(xiàn)實技術(shù)允許用戶看到真實世界以及融合于真實世界之中的虛擬對象[2]，通過虛實信息疊加，對實時的視頻圖像進(jìn)行信息處理和傳輸，形成三維交互式的立體畫面，給用戶以全新的體驗與感受[3]。VR/AR技術(shù)在國外基礎(chǔ)教育階段正得到積極推廣和應(yīng)用。在美國，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)實驗室等[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]。我國政府的大力支持推動了VR/AR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展?！秶医逃聵I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提到“要全力推動信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合……支持各級各類學(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)實技術(shù)探索未來教育教學(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，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)上加強了與教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合度，但還是存在過渡不流暢的問題；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)用到了實際的課堂教學(xué)中，并取得了不錯的教學(xué)效果。zSpace就是一款基于VR/AR技術(shù)的桌面式虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實設(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]在一個基于增強現(xiàn)實的體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境中，為了更好地將現(xiàn)實世界和虛擬環(huán)境結(jié)合起來，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解和掌握，提出了基于AR技術(shù)的生態(tài)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)模式，見圖1。該模式將參與實踐學(xué)習(xí)的學(xué)生行為劃分為感受、觀看、思考和活動四個部分，對學(xué)生在AR技術(shù)支持下的實踐學(xué)習(xí)進(jìn)行了初步探究，并且在實踐教學(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，我們不能忽略教師對于整個課堂教學(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)效果的兩層評價指標(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，見圖2。

圖2

整個教學(xué)模式從課程開始到結(jié)束，分別對學(xué)生的學(xué)習(xí)活動、教師教學(xué)活動以及學(xué)習(xí)效果的評價指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)劃分，每一個環(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

在基于zSpace的課堂學(xué)習(xí)中，學(xué)生學(xué)習(xí)活動具體劃分為四個方面：①感受：學(xué)生的經(jīng)驗聯(lián)結(jié)。通過教師的課前引導(dǎo)，學(xué)生從自身已經(jīng)具備的相關(guān)經(jīng)驗出發(fā)，將本堂課要學(xué)習(xí)的知識與經(jīng)驗庫中的已有經(jīng)驗相聯(lián)系，以此為基礎(chǔ)展開本堂課的學(xué)習(xí)。②觀看：學(xué)生的觀察反思。在整個課堂教學(xué)中，學(xué)生通過觀看相應(yīng)的教學(xué)輔助材料，如圖片、視頻和模型等，以及通過簡單的任務(wù)來完成經(jīng)驗對比，并積極反思，發(fā)現(xiàn)問題。③活動：學(xué)生的積極體驗。學(xué)生通過自主體驗與小組合作，運用相應(yīng)的VR/AR工具來完成問題的探索和知識的建構(gòu)，主動積極地展開課堂學(xué)習(xí)活動。④思考：學(xué)生對抽象概念的掌握。學(xué)生積極地完成任務(wù)后，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識從平面的二維知識轉(zhuǎn)換為立體的三維知識，對于所學(xué)的知識不僅達(dá)到簡單的識記和運用，還要完成新知識的體系建構(gòu)。

2.教師教學(xué)活動

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力，對課堂教學(xué)起著推動和引導(dǎo)的作用。對于學(xué)生來講，教師更多是一種輔助者和引導(dǎo)者的角色。其教學(xué)活動具體劃分為以下四個方面：

（1）設(shè)計教案：不同于傳統(tǒng)的教案設(shè)計，基于zSpace的教案設(shè)計中要考慮到教學(xué)工具和教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性與緊密度，更多的是對教學(xué)活動的設(shè)計，通過課前的教學(xué)設(shè)計使課堂教學(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單的板書或PPT演示，更多的是對zSpace的操作演示，將教學(xué)內(nèi)容通過任務(wù)和活動的形式傳遞給學(xué)生。

（3）積極引導(dǎo)：教師不再充當(dāng)課堂上的主講者，而是扮演一個輔助者和引導(dǎo)者的角色。因為有了zSpace的存在，課堂將會把更多的時間交給學(xué)生，學(xué)生在相關(guān)的活動中需要教師的積極引導(dǎo)，教師通過引導(dǎo)學(xué)生體驗和思考，進(jìn)而促使學(xué)生更加有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)活動。

（4）總結(jié)提升：教師在課程中要及時發(fā)現(xiàn)和解決學(xué)生的問題。每個活動結(jié)束后進(jìn)行階段性的小結(jié)，及時給與學(xué)生激勵，并在整個課堂最后對課堂教學(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)效果的評價指標(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)效果的評價指標(biāo)劃分為兩個層次，分別是較易進(jìn)行評價的第一層目標(biāo)，具體包括完成目標(biāo)、知識建構(gòu)和技能增長，詳細(xì)內(nèi)容見表1；以及較難進(jìn)行評價的第二層目標(biāo)，具體包括注意力、自信心和滿意度，詳細(xì)內(nèi)容見表2。

表1 學(xué)習(xí)效果的第一層評價指標(biāo)

表2 學(xué)習(xí)效果的第二層評價指標(biāo)

（1）第一層目標(biāo)

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

（2）第二層目標(biāo)

隨著各個環(huán)節(jié)的逐步開展、學(xué)生和教師的共同合作，以及通過學(xué)習(xí)效果的兩層評價指標(biāo)對學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價，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《科學(xué)》下冊第一單元《人體骨骼》公開課課程，師生來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個學(xué)習(xí)小組。

在參加課程之前，學(xué)生已經(jīng)對人體骨骼的平面圖示有了初步了解，但是對于人體骨骼的分類、數(shù)量以及作用等還沒有掌握。通過課堂上的學(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zSpace的熟練操作,將人體骨骼的知識從平面化推進(jìn)到立體化，深化了學(xué)生對相關(guān)知識的掌握。

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)活動的四個維度為基準(zhǔn)，對案例中師生相應(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導(dǎo)入，教師通過言語和視頻引起學(xué)生的注意，將學(xué)生帶入教學(xué)情境；學(xué)生通過導(dǎo)入內(nèi)容的學(xué)習(xí)，將其與已有經(jīng)驗進(jìn)行聯(lián)系，進(jìn)而促進(jìn)知識的建構(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)生主要通過觀看相應(yīng)的教學(xué)輔助材料，并與自己的已有經(jīng)驗進(jìn)行比較，通過簡單的任務(wù)完成相關(guān)經(jīng)驗的聯(lián)結(jié)，在此基礎(chǔ)上積極反思，發(fā)現(xiàn)問題。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)計的一種方法是通過觸筆拉近屏幕上骨骼與觀測者的距離、360°翻轉(zhuǎn)進(jìn)行觀察，另一種方法是使用觸筆對屏幕上的骨骼進(jìn)行拆分進(jìn)而進(jìn)行統(tǒng)計。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)量的計算

（3）在活動維度下，學(xué)生通過自主體驗和小組合作，使用zSpace來完成問題的探索與知識的建構(gòu)。學(xué)生要做到的不僅僅是簡單地對zSpace進(jìn)行操作，還要將所學(xué)的知識運用到實踐活動當(dāng)中，通過活動來鞏固知識。具體行為表現(xiàn)如表5所示。

表5 活動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。課堂學(xué)習(xí)情況如圖4所示。

（4）在思考維度下，學(xué)生在對所學(xué)知識有了一個初步掌握后，通過積極的動手操作，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識從平面的二維知識轉(zhuǎn)換為立體的三維知識，完成對抽象知識的具象化。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，通過這個活動完成對抽象概念的掌握。課堂學(xué)習(xí)情況如圖5所示。

課堂最后，師生探討了對本節(jié)課的感想與收獲。通過課堂教學(xué)活動的分析可知，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)了知識的建構(gòu)以及相關(guān)操作技能的增長。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，活動和任務(wù)的完成加強了學(xué)生的自信心，最后課堂呈現(xiàn)出來的效果符合課前預(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

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)與課程無痕跡轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到對VR/AR技術(shù)的高度引用甚至深度引用；在實際課堂教學(xué)中的應(yīng)用還比較少等。這都需要我們在以后的課堂教學(xué)實踐中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題，對基于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，對于教師的教和學(xué)生的學(xué)都是一個突破。一個有針對性的教學(xué)模式對于課堂教學(xué)能起到良好的推動作用，進(jìn)而取得良好的教學(xué)效果。通過對實際教學(xué)中師生教學(xué)活動的分析，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zSpace可以更加有效地調(diào)動學(xué)生的積極性，學(xué)生通過zSpace能夠提高課堂參與度，對抽象知識更容易掌握。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)品將會得到更多和更成熟的應(yīng)用。