基于zSpace虛擬現(xiàn)實技術(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)實技術(shù)仿真真實情景，供學(xué)習(xí)者觀察和學(xué)習(xí)，通過實驗，使學(xué)習(xí)者獲得VR課堂的體驗與啟發(fā)，從而教導(dǎo)學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實完成課堂實驗。文章從學(xué)?？茖W(xué)課進(jìn)行設(shè)計，將傳統(tǒng)科學(xué)課課堂和利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的科學(xué)課課堂進(jìn)行對比分析，引出虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于科學(xué)課的重要性和必要性。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實;學(xué)?？茖W(xué)課;應(yīng)用;對比分析

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)中的增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）可以被定義為一個滿足以下3個基本特征的系統(tǒng)：真實和虛擬世界的融合、實時交互、虛擬和真實物體在3D空間中的精確匹配。應(yīng)用中它將虛擬三維模型動畫、視頻、文字、圖片等數(shù)字信息實時疊加顯示到真實場景中，用戶可在現(xiàn)實環(huán)境中與虛擬信息實現(xiàn)人機(jī)自然交互。虛擬現(xiàn)實的范圍很廣，包括增強(qiáng)現(xiàn)實，是廣義虛擬現(xiàn)實的擴(kuò)展，但是現(xiàn)在常把虛擬現(xiàn)實技術(shù)和AR并列提出，由于AR較VR更加強(qiáng)調(diào)現(xiàn)實和虛擬的融合，在游戲、娛樂等方面應(yīng)用廣泛，本文主要探討增強(qiáng)現(xiàn)實在教育方面的應(yīng)用與實踐體會，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)實技術(shù)的軟件具有實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術(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)隊設(shè)計一套教學(xué)模式，用于表達(dá)在創(chuàng)設(shè)真實情景的條件下，分析虛擬現(xiàn)實學(xué)生學(xué)習(xí)探究的影響，設(shè)計的教學(xué)過程模型如圖1所示。

1? ? 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的學(xué)習(xí)方案的設(shè)計思路

基于虛擬現(xiàn)實的教學(xué)應(yīng)用場景有很多種，如教學(xué)情境導(dǎo)入、體驗與驗證、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（見圖2）主要分為4個部分：確定學(xué)習(xí)目標(biāo)、創(chuàng)設(shè)問題情景、設(shè)計探究支架、總結(jié)與反思。

對于學(xué)生來說，有許多抽象的經(jīng)驗是不能理解的，那么在過去的教學(xué)中，老師是將抽象的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為觀察的經(jīng)驗，這樣學(xué)生可以對抽象的經(jīng)驗有一些較深的了解，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)實技術(shù)帶來的是將抽象的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為做的經(jīng)驗，從而達(dá)到“我做了，我明白了”。將虛擬現(xiàn)實技術(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，可以將目標(biāo)定得更具體，而不只局限于了解;在創(chuàng)設(shè)問題情境時可以更豐富;在設(shè)計探究支架時可以選擇更多的操作;在總結(jié)時可以讓學(xué)生有更深的體會和更多的思考[2]。

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

虛擬現(xiàn)實技術(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，讓他們嘗試不同的方案，同時學(xué)習(xí)方案的設(shè)計要進(jìn)行轉(zhuǎn)變，體現(xiàn)知識傳播者就是學(xué)習(xí)活動設(shè)計者、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?zāi)芘c做的經(jīng)驗相互結(jié)合。學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計上也要充分體現(xiàn)知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度價值觀的培養(yǎng)，使學(xué)生全面發(fā)展[3]。

3? ? 教學(xué)實驗環(huán)境搭建

本文在搭建基于zSpace虛擬現(xiàn)實技術(shù)實驗教學(xué)環(huán)境的平臺中，選擇某學(xué)校3個班，授課12節(jié)，每節(jié)課平均學(xué)生約42人，配備zSpace虛擬實驗機(jī)7臺，1臺教師用PC機(jī)，10臺學(xué)生用PC機(jī)，4～5人每組使用一臺機(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)生動機(jī)量表設(shè)計了聽課質(zhì)量評價量表（學(xué)生用表），評價主要分為自評、同伴互評、師評3個部分，每一個部分設(shè)定多條評價準(zhǔn)則，每條準(zhǔn)則分為5個等級，制作一個總表（教師用表）來計算均值以便教師統(tǒng)計，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。

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

在幾個月教學(xué)實驗研究過程中，采用對比分析的手段，選擇3個班級通過對于學(xué)生聽課質(zhì)量的變化得出虛擬現(xiàn)實技術(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、動作技能領(lǐng)域）以及三段式評價模型（三段式評價模型主要分為前期評價、過程評價、總結(jié)評價），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）為動作領(lǐng)域，（4）（6）為情感領(lǐng)域。為每個因素設(shè)計一個或多個問題，根據(jù)里克特量表5級原理設(shè)定，每個問題分為5級并做了一些變形，計算統(tǒng)計和量化實驗結(jié)果，從而使得分析更加準(zhǔn)確。

實踐研究實施過程中，針對研究對象四年級的學(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)生不像一二年級的那么懵懂，有了自己的意識和判斷，常常會因為自己的想法與別人有不同所以會產(chǎn)生逆反心理。意志力又不夠堅定，很容易就會有挫敗感，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，接觸到的知識增多，學(xué)習(xí)內(nèi)容的難度加大，同學(xué)之間的差距會相較于之前大了一些，競爭的心理和旺盛的求知欲會讓學(xué)習(xí)者有一股不怕輸不服輸?shù)奶攸c。因此在實驗中，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。實踐研究過程中對量表的處理，就量表效度與信度進(jìn)行分析，建構(gòu)效度反映能夠測量出理論的特質(zhì)或概念的程度，為檢驗問卷是否具備結(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，如果KM0的值在0.70以上，代表題項變量間的關(guān)系是適中的;Bartlett球形檢驗達(dá)顯著時，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。

信度是指測驗或量表工具所測得結(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)行信度評價;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。信度評價如表1所示，課堂聽課質(zhì)量相關(guān)因素對比如圖4所示。

5? ? 虛擬現(xiàn)實技術(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)實技術(shù)應(yīng)用于課堂，對于學(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)實技術(shù)，學(xué)生可以“現(xiàn)場”體驗現(xiàn)實生活中很難或無法體驗的場景，抽象概念的缺陷被彌補(bǔ)，能夠更容易理解，對于學(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)實技術(shù)不但可以再現(xiàn)真實場景，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)實技術(shù)能夠“占領(lǐng)”學(xué)生的視覺、聽覺甚至觸覺等多個感覺通道，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)生可將各個學(xué)科融合到一個探究之中，學(xué)習(xí)者免除了學(xué)習(xí)單一學(xué)科的枯燥，加強(qiáng)了各個學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)，提高了科學(xué)素養(yǎng)，實現(xiàn)了素質(zhì)教育。

通過基于zSpace虛擬現(xiàn)實技術(shù)的課堂實踐活動與分析，感受到教學(xué)活動要體現(xiàn)以學(xué)習(xí)者為中心，教學(xué)設(shè)計要創(chuàng)設(shè)真實教學(xué)情景，并最大限度地與各學(xué)科的融合，讓學(xué)生在學(xué)到知識的同時，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)評價為例[J]課程教育研究，2018（13）：174.

[2]郭陶陶 尚雪峰.初等教育專業(yè)學(xué)生科學(xué)實驗技能的訓(xùn)練與提高[J]長春師范學(xué)院學(xué)報，2014（2）：177-179.

[3]郭騰.創(chuàng)設(shè)虛擬學(xué)習(xí)情境 豐富小學(xué)科學(xué)課堂[J]中國現(xiàn)代教育裝備，2009（12X）：2.

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