3D可視化教學(xué)資源在教學(xué)中的應(yīng)用研究

董紅娟 謝志昆

摘 ? 要：信息化教學(xué)的普及離不開數(shù)字化教學(xué)資源的支持，而3D可視化教學(xué)資源將課堂情境與生活情境相融合，不受時空限制，方便傳輸和使用，很大程度上滿足了課堂的教學(xué)需求。文章結(jié)合《教育信息化2.0行動計劃》的綱領(lǐng)性文件明確闡述：基于互聯(lián)網(wǎng)的大資源觀，在實(shí)際教學(xué)資源開發(fā)中需要融入具體的學(xué)科課程，迎合當(dāng)前建設(shè)優(yōu)質(zhì)的“金課”和虛擬實(shí)驗(yàn)室等理念，更好地促進(jìn)知識資源的數(shù)字化以及平面資源立體化，從而改變學(xué)生傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式。

關(guān)鍵詞：3D可視化;教學(xué)資源;資源開發(fā);應(yīng)用研究

中圖分類號：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2020）13-0060-04

一、3D可視化教學(xué)資源的內(nèi)涵及其特征

1.3D可視化教學(xué)資源的內(nèi)涵

3D可視化技術(shù)是一種新的管理、分析和交互數(shù)據(jù)的方式，能實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、逼真和實(shí)時渲染3D圖像。3D可視化教學(xué)資源是指利用三維場景、動畫、立體化圖片和可視化等技術(shù)來制作教學(xué)資源庫，目的是使抽象的二維平面教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)直觀化和立體化。3D可視化教學(xué)資源力圖創(chuàng)設(shè)一個高度可視化和強(qiáng)沉浸感的視覺教學(xué)環(huán)境，更好地帶給學(xué)習(xí)者直觀化的教學(xué)體驗(yàn)。

隨著3D教育的重視，越來越多的3D教學(xué)資源引入了傳統(tǒng)課堂，教師利用3D可視化技術(shù)呈現(xiàn)教學(xué)資源可以使學(xué)習(xí)內(nèi)容更具情境化，方便學(xué)生掌握和理解。[1]3D教學(xué)資源應(yīng)用于教育教學(xué)中具有創(chuàng)新教學(xué)理念、提升教學(xué)質(zhì)量和提高教學(xué)效率的價值，但鑒于該資源成本高、投資大以及技術(shù)要求高和實(shí)踐困難，現(xiàn)有的3D數(shù)字化教學(xué)資源的建設(shè)正處于實(shí)驗(yàn)探索階段。因此，在未來課堂教學(xué)中，建設(shè)符合學(xué)生學(xué)習(xí)需求的3D數(shù)字化教學(xué)資源，以及促進(jìn)3D資源與教育的無縫融合是當(dāng)前教育亟待解決的問題。

2.3D可視化教學(xué)資源的特征

3D可視化技術(shù)可以給學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)內(nèi)容營造空間感和立體感的視覺體驗(yàn)，通過3D可視化教學(xué)資源還原一個三維世界，讓學(xué)習(xí)者獲得如同在現(xiàn)實(shí)世界一般身臨其境的感受，可以促進(jìn)學(xué)習(xí)者認(rèn)知活動的完成。與傳統(tǒng)的教學(xué)資源相比，3D可視化教學(xué)資源具有自身新的特征，如表1所示。

二、3D可視化教學(xué)資源的應(yīng)用價值

3D可視化教學(xué)資源突破時空限制為教與學(xué)創(chuàng)設(shè)了新的教學(xué)環(huán)境，革新了傳統(tǒng)教學(xué)活動方式，利用新技術(shù)推進(jìn)了教學(xué)模式的創(chuàng)新。本文基于戴爾“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論、梅耶多媒體認(rèn)知理論和活動理論視角對3D可視化教學(xué)資源的應(yīng)用價值進(jìn)行分析。

1.“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論與3D可視化教學(xué)資源的融合

戴爾的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論于1946年提出，隨著網(wǎng)絡(luò)媒體的推廣和發(fā)展，“經(jīng)驗(yàn)之塔”也被賦予了新的時代色彩，發(fā)揮了最根本的理論指導(dǎo)作用?！敖?jīng)驗(yàn)之塔”按照抽象到具體的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)從塔底到塔頂排列，構(gòu)成了金字塔模型。

“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論在學(xué)習(xí)過程中，符合學(xué)習(xí)者的認(rèn)知規(guī)律：從簡單到復(fù)雜，從具體到抽象。一般來說，直觀經(jīng)驗(yàn)不容易突破客觀事物的本質(zhì)特征，學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用起來難度較低，學(xué)生容易更好地集中注意力，有助于學(xué)生有意義學(xué)習(xí)的發(fā)生。由此得到啟示，在教學(xué)過程中，越是直接具體的經(jīng)驗(yàn)，越易于學(xué)生學(xué)習(xí)。3D可視化教學(xué)資源從具體畫面入手，最大程度地構(gòu)建了直接經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)環(huán)境。戴爾指出“教學(xué)過程中所采用的媒體的豐富化程度很大程度上決定了學(xué)習(xí)者所建構(gòu)知識概念的牢固程度”。[2] 3D可視化教學(xué)資源的出現(xiàn)，豐富了數(shù)字媒體資源，可以給學(xué)生帶來直觀印象，便于理解和記憶。作為教學(xué)輔助資源，獨(dú)特的視覺沖擊性和交互性一般伴隨著視覺符號和言語符號，一般處于“經(jīng)驗(yàn)之塔”的塔基，將抽象知識可視化為最具體、最直觀的經(jīng)驗(yàn)，最大程度地支撐其它層次的獲取，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容從具體到抽象的轉(zhuǎn)變，更易于學(xué)習(xí)者理解。

2.梅耶多媒體學(xué)習(xí)理論與3D教學(xué)資源設(shè)計

梅耶基于言語和圖像兩種多媒體共同呈現(xiàn)材料的方式，構(gòu)建出“多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知模型”，該模型闡釋了學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)知識過程中自身的認(rèn)知過程。梅耶認(rèn)為，學(xué)習(xí)者利用多媒體學(xué)習(xí)是通過視聽覺兩個通道同時進(jìn)行，并在通道信息加工過程中要遵循多媒體學(xué)習(xí)的雙通道機(jī)制、容量機(jī)制和主動加工機(jī)制，從而讓學(xué)習(xí)者形成長時記憶。[3]3D可視化教學(xué)資源的提出，考慮到學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律及其有效性，依據(jù)梅耶的七條多媒體設(shè)計原則進(jìn)行教學(xué)資源設(shè)計，其中多媒體認(rèn)知、空間接近、時間接近和一致性原則的運(yùn)用，很好地提高了部分學(xué)生的注意廣度，使學(xué)習(xí)能夠較好地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)要求;通道原則和冗余原則的運(yùn)用，減少了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，使學(xué)習(xí)遷移能力更容易實(shí)現(xiàn);個體差異原則的運(yùn)用，根據(jù)學(xué)習(xí)者知識水平的高低，跨越式地構(gòu)建空間知識體系，豐富了個體與共同體學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)習(xí)者生命的成長與心智模式的完善。

3.活動理論與3D可視化教學(xué)資源的整合

活動理論主要包括學(xué)習(xí)的主體、客體和共同體三個核心部分，以及工具、規(guī)則和勞動分工的三個中介成分，從而由核心部分和中介部分所組成的六要素共同構(gòu)成一個“三角模式”。在活動系統(tǒng)中，教與學(xué)中“活動”是核心，人們的行為活動必須圍繞核心并以工具為媒介，且需要依托社會環(huán)境完成?；?D可視化教學(xué)資源的教學(xué)活動是一種在真實(shí)而富有意義的學(xué)習(xí)情境中進(jìn)行人與外界環(huán)境相互作用的活動教學(xué)。參考活動理論中的要素構(gòu)成以及各要素之間的聯(lián)系，提出活動理論視角下3D可視化教學(xué)資源系統(tǒng)框架，如圖1所示，該框架以學(xué)習(xí)者為活動主體，強(qiáng)調(diào)3D可視化教學(xué)資源的中介性，通過學(xué)習(xí)規(guī)則、學(xué)習(xí)群體及學(xué)習(xí)任務(wù)分工合理設(shè)計課程知識，以3D可視化教學(xué)資源和教學(xué)工具為中介，更好地在活動系統(tǒng)中串聯(lián)學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)活動中的交互性，促進(jìn)交流。

三、基于3D可視化技術(shù)的教與學(xué)應(yīng)用

1.構(gòu)建3D可視化教學(xué)資源開發(fā)系統(tǒng)

3D可視化教學(xué)資源是為了給學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)更加符合教學(xué)需要的直觀化教學(xué)場景，設(shè)計開發(fā)時要充分考慮現(xiàn)實(shí)資源的獲取和特定教學(xué)需要。為了避免制作的3D可視化教學(xué)資源與教學(xué)實(shí)際相脫節(jié)，在制作之前進(jìn)行必要的模型設(shè)定。[4]本文從教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生角度出發(fā)，制定出可以直觀、形象地呈現(xiàn)教材內(nèi)容的設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)，如圖2所示。

3D可視化教學(xué)資源開發(fā)系統(tǒng)中，教師和學(xué)習(xí)者根據(jù)自身學(xué)習(xí)需求向3D資源中心發(fā)出請求，從資源使用的角度進(jìn)行多視角和多維度的教與學(xué)活動分層。3D資源中心是整個開發(fā)系統(tǒng)的核心，它能夠利用互聯(lián)網(wǎng)及各類3D軟件建立起三維模型數(shù)據(jù)庫，以供教學(xué)使用。在模型建構(gòu)環(huán)節(jié)，既可直接下載三維可視化模型進(jìn)行精細(xì)化處理后使用，又可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求，采集三維數(shù)據(jù)，遵循三維可視化資源設(shè)計思想與原則進(jìn)行自主開發(fā)，最終依據(jù)人機(jī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，對交互場景中的圖片、文字、聲音進(jìn)行合理設(shè)計布局，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者和虛擬環(huán)境中良好交互的功能，能夠身臨其境，進(jìn)而營造一種“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境。

2.革新傳統(tǒng)資源制作方式

傳統(tǒng)的數(shù)字教學(xué)資源都是以幻燈片、視頻和二維動畫的方式進(jìn)行制作，大部分內(nèi)容都以文字和圖片形式加以呈現(xiàn)，給學(xué)生帶來的感官沖擊力不足，難以直觀呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容。隨著知識可視化和信息可視化時代的到來，單純的線性文字和圖片已經(jīng)不能滿足當(dāng)前學(xué)生的學(xué)生需求。3D可視化教學(xué)資源采用特定的模型建構(gòu)形式生動形象地展示教學(xué)素材中的二維教學(xué)資源，并且特定的教學(xué)模型可滿足不同的學(xué)習(xí)需要，革新了傳統(tǒng)的二維平面教學(xué)資源制作方式，更好地適應(yīng)教學(xué)需求。同時，3D可視化教學(xué)資源可以在有限的時間和空間內(nèi)搭建出特殊的仿真數(shù)字教學(xué)平臺，增強(qiáng)師生教與學(xué)的參與度，創(chuàng)設(shè)一種交互式、體驗(yàn)式的教學(xué)環(huán)境，特別是有毒氣體的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、重點(diǎn)文物古跡的課堂呈現(xiàn)和醫(yī)學(xué)解剖的虛擬動畫實(shí)驗(yàn)。如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的關(guān)于物理學(xué)科的3D可視化教學(xué)資源引進(jìn)，其虛擬實(shí)驗(yàn)平臺搭建更好地幫助了師生理解實(shí)驗(yàn)原理，提高了學(xué)習(xí)效率。[5]

3.創(chuàng)新信息時代教學(xué)設(shè)計新范式

信息時代的教學(xué)設(shè)計已經(jīng)成為一個更具挑戰(zhàn)性和多學(xué)科融合的過程，利用可視化的手段將復(fù)雜的教學(xué)設(shè)計直觀化和視覺化，可以更加容易地規(guī)劃教學(xué)活動環(huán)節(jié)和設(shè)計教學(xué)模式。3D可視化教學(xué)資源為教學(xué)提供了新工具，也為教學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新提供了技術(shù)支撐，更好地創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計新范式。

霍爾蒂在視覺媒體研究方面曾提出，“教學(xué)設(shè)計者應(yīng)該結(jié)合顯性知識和隱性知識特征將教學(xué)內(nèi)容外顯化”。[6]換言之，教師應(yīng)該在可視化技術(shù)的支撐下，運(yùn)用可視化思維將自己的教學(xué)理念和教學(xué)思想融合到教學(xué)設(shè)計中，并恰當(dāng)?shù)貍魇诮o學(xué)生。將3D可視化教學(xué)資源應(yīng)用于文物修復(fù)和博物館學(xué)等專業(yè)，可以在以信息技術(shù)為支撐的條件下創(chuàng)設(shè)一種新的文物課堂教學(xué)體驗(yàn)，“智能化”、“直觀化”、“人性化”的活動元素，可以促進(jìn)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生、師生與媒體之間的知識創(chuàng)造與傳遞，更加易于學(xué)生在不受時空限制的真實(shí)情境中進(jìn)行觀察、思考和實(shí)踐活動，最終學(xué)生可在虛擬平臺上及時對文物進(jìn)行調(diào)整和修復(fù)，在可視化的教學(xué)設(shè)計中提高學(xué)生行為上的參與、情感上的投入和思維上的主體發(fā)展。

四、3D可視化教學(xué)資源應(yīng)用的思考

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代需要更加多樣的學(xué)習(xí)資源，3D可視化教學(xué)資源以其直觀化和沉浸性為學(xué)習(xí)者帶來更加立體逼真的視覺沖擊。目前，將3D可視化技術(shù)與學(xué)科課程相結(jié)合進(jìn)行資源開發(fā)的方式具有一定的開拓性和前瞻性。但在教學(xué)的實(shí)施過程中難以普及和應(yīng)用，主要原因是3D可視化教學(xué)資源現(xiàn)存在以下亟待解決的問題。

1.3D可視化教學(xué)資源制作成本高、難度大

3D可視化教學(xué)資源的制作成本較為昂貴，精細(xì)化的三維教學(xué)模型制作需要利用3D攝像機(jī)到實(shí)地進(jìn)行照片采集，而且對拍攝的過程和圖片的精細(xì)度要求極高。之后需通過專業(yè)的3D繪制軟件進(jìn)行精細(xì)化的制作，這過程對計算機(jī)的配置較為嚴(yán)苛，最終投入教學(xué)使用也需要學(xué)生佩戴3D眼鏡。一系列過程下來，3D教學(xué)資源制作所花費(fèi)的成本和付出的精力遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)教學(xué)資源制作，過高的制作成本和頗高的難度極大程度上限制了3D可視化教學(xué)資源的普及速度和廣度。

2.3D可視化教學(xué)資源制作師資缺乏

將3D可視化教學(xué)資源引入課堂教學(xué)中的目的在于彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)資源平面化的不足，更好地改變教學(xué)過程中的教學(xué)環(huán)境，而3D可視化教學(xué)資源的制作是技術(shù)環(huán)境搭建的第一步，也是資源使用的核心環(huán)節(jié)。然而，當(dāng)前在教學(xué)領(lǐng)域缺乏會制作3D可視化教學(xué)資源的師資隊(duì)伍，具體體現(xiàn)為總體數(shù)量不足、教師知識與技能不匹配、資源制作與職業(yè)素養(yǎng)缺乏等方面。[7]培養(yǎng)3D可視化資源設(shè)計與制作的專業(yè)教師團(tuán)隊(duì)是建設(shè)3D可視化教學(xué)資源的關(guān)鍵，也是助推未來教育“金課”的重要環(huán)節(jié)。因此，要想推進(jìn)3D可視化教學(xué)資源在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，必須強(qiáng)化師資培養(yǎng)，打造精良的專職教師資源開發(fā)梯隊(duì)，并為其提供一個協(xié)作與設(shè)計工具兼?zhèn)涞墓餐w環(huán)境，以支持3D可視化教學(xué)資源更好地應(yīng)用于課堂教學(xué)。

3.教學(xué)中還未體驗(yàn)到3D教學(xué)資源的優(yōu)勢

3D可視化教學(xué)資源能最大程度地創(chuàng)建空間感和立體感極強(qiáng)的，且易于學(xué)習(xí)者主動參與體驗(yàn)學(xué)習(xí)過程的學(xué)習(xí)情境。[8]但當(dāng)前3D資源主要出現(xiàn)在廣告、影視、游戲領(lǐng)域中，教師和學(xué)生接觸3D資源基本是在校外生活中，在學(xué)校教育中還尚未體驗(yàn)到3D可視化技術(shù)帶來的視覺沖擊和教學(xué)優(yōu)勢。當(dāng)前教育界已經(jīng)開展的相應(yīng)教育項(xiàng)目雖然證明，3D可視化教學(xué)資源有益于優(yōu)化課堂教學(xué)且激發(fā)學(xué)生興趣、提高學(xué)習(xí)成績，但關(guān)于長期使用3D可視化教學(xué)資源是否有持久的正向影響，且怎樣將3D教學(xué)整合于學(xué)科課程中，更好地降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，并在游戲化的教學(xué)中完成自己知識點(diǎn)的建構(gòu)，仍需要進(jìn)一步思考。

五、結(jié)語

未來教學(xué)中，學(xué)習(xí)者需求的不只是理解和識記知識，更多的是建構(gòu)知識和鍛造思維。3D可視化教學(xué)資源改變了傳統(tǒng)教學(xué)資源平面化、表現(xiàn)力不足和缺少藝術(shù)性的現(xiàn)狀，給“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下的教學(xué)資源需求指明了方向，在信息技術(shù)支撐下創(chuàng)設(shè)的立體、逼真和直觀的三維學(xué)習(xí)環(huán)境將成為一種主流趨勢，更多的是給學(xué)習(xí)者帶來一種身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能高度投入，更好地激發(fā)學(xué)生興趣，催生學(xué)習(xí)創(chuàng)意，從而建構(gòu)自身知識體系，進(jìn)而提高課堂學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆春霞.面向課堂教學(xué)的3D教學(xué)資源設(shè)計研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2016.

[2]耿新鎖.戴爾的“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論及其現(xiàn)實(shí)意義[J].教育史研究，2003（2）：68-71.

[3]（美）Richard E.Maye著;牛勇等譯.多媒體學(xué)習(xí)[M].北京：商務(wù)印書館，2006.1.

[4]董紅娟，謝志昆，董瑤，陸曉紅，左薇.基于3D可視化技術(shù)的教學(xué)資源設(shè)計開發(fā)研究——以文物與博物館學(xué)課程為例[J].中國信息技術(shù)教育，2019（Z3）：169-173.

[5]李娟娟.物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計研究[D]. 揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2012.

[6]Hortin J A.Instructional Design and Visualization[J].Performance & Instruction，1983，22（8）：20-21.

[7]王曉飛.讓3D技術(shù)成為教育信息化的助推器[N].中國教育報，2010-01-12（04）.

[8]李蕾，王健，曹俊.3D影像資源在教育中的應(yīng)用探析[J].中國電化教育，2011（2）：77-80.

（編輯：王天鵬）