金彩云 劉鑫 李耀鋒

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

關(guān)鍵詞：創(chuàng)客教育;VR;AR;教學模式

DOI：10. 11907/rjdk. 201702 開放科學（資源服務(wù)）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(chuàng)新能力視為國家競爭力的核心要素和教育教學培養(yǎng)人才目標。黨的十七大報告提出把自主創(chuàng)新作為國家發(fā)展的基本戰(zhàn)略。2018年2月11日，教育部印發(fā)《2018年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點》，指出“推進信息技術(shù)在教學中的深入普遍應(yīng)用，開展利用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建新型教學組織模式研究”，要求探索信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學科學習（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等教育教學新模式中的應(yīng)用，逐步形成創(chuàng)新課程體系[1]。

創(chuàng)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(fā)創(chuàng)意，鍛煉動手能力，培養(yǎng)團隊合作精神和創(chuàng)新能力的一種教育。我國創(chuàng)客教育與國外相比，起步時間晚，教育理念發(fā)展不完善，地區(qū)發(fā)展水平不平衡，在推廣過程中困難重重。本文將虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)、增強現(xiàn)實（Augmented Reality）技術(shù)與創(chuàng)客教育交叉應(yīng)用，利用VR和AR技術(shù)的沉浸性、交互性與想象性特點，創(chuàng)建高參與度、高創(chuàng)意度與高素質(zhì)協(xié)作創(chuàng)客教學模式。

1 創(chuàng)客教育與VR/AR技術(shù)融合可行性分析

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種綜合計算機多媒體技術(shù)、計算機圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及數(shù)字仿真技術(shù)等多種信息技術(shù)發(fā)展起來的計算機領(lǐng)域新技術(shù)[2]。增強現(xiàn)實技術(shù)則是利用計算機將虛擬信息應(yīng)用到真實信息中，二者有機疊加產(chǎn)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(shù)的產(chǎn)品在醫(yī)學培訓、軍事實訓、建筑設(shè)計、圖書館等非正式學習領(lǐng)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(xiàn)實系統(tǒng)一體機，通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境改變?nèi)藗兲剿?、研究與設(shè)計事物方式，加深數(shù)字化學習體驗深度，提供激發(fā)學生好奇心、增強理解能力的終極學習體驗[4]。VR/AR技術(shù)在人才培養(yǎng)過程中強調(diào)真實場景學習體驗，VR技術(shù)為學生創(chuàng)設(shè)更加直觀真實的學習任務(wù)與情境，由表及里、由內(nèi)到外交互體驗，讓學生在虛擬環(huán)境中觀察、探索與實驗，從而加深對知識的理解，激發(fā)學習興趣[3]。

創(chuàng)客教育是培養(yǎng)大眾、學習者特別是青少年學生創(chuàng)新精神的教育形式[5]。創(chuàng)客教育是創(chuàng)新教育的一種形式，它適應(yīng)科技創(chuàng)新國家發(fā)展戰(zhàn)略，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑。

從教育目的角度分析，創(chuàng)客教育與VR/AR技術(shù)融合具有可行性。創(chuàng)客教育利用技術(shù)與環(huán)境，以主動、探究、合作的方式在主動探究過程中培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實踐能力，VR/AR技術(shù)利用多圖層、無縫疊加分析技術(shù)提供沉浸式、趣味式、交互式學習環(huán)境，鍛煉學生整合多元知識，培養(yǎng)綜合思維和創(chuàng)新能力。VR/AR技術(shù)根據(jù)區(qū)域特征個性化設(shè)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(yǎng)創(chuàng)新精神與實踐能力，這與創(chuàng)客教育目的不謀而合。

創(chuàng)客教育理論基礎(chǔ)——建構(gòu)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(gòu)。VR/AR技術(shù)支持沉浸式教育，以情境認知教學為基礎(chǔ)，利用技術(shù)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(guān)系，這也是創(chuàng)客教育與VR/AR技術(shù)融合的理論基礎(chǔ)。

由此可見，創(chuàng)客教育與VR/AR技術(shù)融合具有可行性。創(chuàng)客教育理念可指引VR/AR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，使用VR/AR技術(shù)可促進創(chuàng)客教育實踐與發(fā)展。因此，在培養(yǎng)創(chuàng)新人才目標導向下，一條有效的途徑就是促進創(chuàng)客教育與VR/AR技術(shù)有效融合，以創(chuàng)客教育理念推動VR/AR技術(shù)支持下的沉浸式互動教育。

4.2 教學活動設(shè)計

（1）知識學習階段。通過VR/AR桌面教學系統(tǒng)呈現(xiàn)打開LED燈、關(guān)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(shù)字口的連接引入課堂。學生通過沉浸式虛擬環(huán)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(shù)呈現(xiàn)下變得有趣。讓學生自主操作電路，在虛擬環(huán)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(tǒng)上一鍵操作LED燈閃爍，并結(jié)合LED與Arduino控制器數(shù)字口連接原理進行知識內(nèi)化。教師通過VR技術(shù)展示控制LED燈模仿型項目流程并發(fā)放模仿型項目資料，見表1，學生進行小組協(xié)作學習，在VR技術(shù)支持的模擬電路環(huán)境中體驗LED與Arduino控制器數(shù)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(guān)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(huán)境中通過反復模仿嘗試，加深對LED與Arduino控制器數(shù)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(jīng)理解模擬項目相關(guān)知識點，教師要引導學生思考，激發(fā)學生創(chuàng)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(huán)境以不同方式解決問題。通過模擬交互環(huán)境的學習，即節(jié)省現(xiàn)實操作成本，也避免在真實環(huán)境修改電路的危險性。

（5）創(chuàng)造學習階段。創(chuàng)造階段離不開教師指點，但更重要的是學生自身創(chuàng)新素養(yǎng)。在此階段，教師是“導演”，學生是“主角”，教師因勢利導，適當啟發(fā)學生產(chǎn)生新的想法并協(xié)助他們實現(xiàn)想法。情景性教學幫助學生改進產(chǎn)品設(shè)計、裝配、維護維修、布局規(guī)劃等，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新意識與創(chuàng)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(nèi)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(yǎng)學生創(chuàng)新的信心。

5 結(jié)語

國外創(chuàng)客教育已經(jīng)發(fā)展的很好，但在國內(nèi)依舊是新型教育，尚缺成熟的研究與實踐。創(chuàng)客教育強調(diào)在創(chuàng)造中學習，但在實踐中容易出現(xiàn)跨學科知識點無法整合、創(chuàng)意難以激發(fā)、教師地位缺失等問題。VR/AR技術(shù)利用沉浸性、交互性、構(gòu)想性特點服務(wù)于創(chuàng)客教育，有利于幫助學生在沉浸性課堂上整合多元知識，發(fā)現(xiàn)問題，激發(fā)創(chuàng)意，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。本文結(jié)合VR/AR技術(shù)特點，搭建一高參與度、高創(chuàng)意度和高素質(zhì)協(xié)作創(chuàng)客教學模式，促進創(chuàng)客教育實踐健康發(fā)展。

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

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（責任編輯：杜能鋼）