基于VR/AR技術(shù)的創(chuàng)客教學(xué)模式研究

金彩云 劉鑫 李耀鋒

摘 要：為解決創(chuàng)客教育實(shí)踐中出現(xiàn)的跨學(xué)科知識(shí)點(diǎn)無(wú)法整合、創(chuàng)意難以激發(fā)、教師地位缺失等問(wèn)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(xué)模式。以《Arduino創(chuàng)意機(jī)器人》中《閃爍LED》為例開(kāi)展課堂應(yīng)用，取得較好教學(xué)效果。探究創(chuàng)客教育教學(xué)模式，借助VR和AR技術(shù)挖掘更完善的教學(xué)模式與教學(xué)活動(dòng)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(xué)模式

DOI：10. 11907/rjdk. 201702 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類(lèi)號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)代到來(lái)，世界各國(guó)把創(chuàng)新能力視為國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的核心要素和教育教學(xué)培養(yǎng)人才目標(biāo)。黨的十七大報(bào)告提出把自主創(chuàng)新作為國(guó)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(diǎn)》，指出“推進(jìn)信息技術(shù)在教學(xué)中的深入普遍應(yīng)用，開(kāi)展利用現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建新型教學(xué)組織模式研究”，要求探索信息技術(shù)在眾創(chuàng)空間、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等教育教學(xué)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(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)中激發(fā)創(chuàng)意，鍛煉動(dòng)手能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新能力的一種教育。我國(guó)創(chuàng)客教育與國(guó)外相比，起步時(shí)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(guò)程中困難重重。本文將虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（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(diǎn)，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(xué)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(shí)技術(shù)是一種綜合計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)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(lái)的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)[2]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是利用計(jì)算機(jī)將虛擬信息應(yīng)用到真實(shí)信息中，二者有機(jī)疊加產(chǎn)生新的三維信息，增強(qiáng)人們對(duì)真實(shí)世界的感知與認(rèn)知[3]?；赩R/AR技術(shù)的產(chǎn)品在醫(yī)學(xué)培訓(xùn)、軍事實(shí)訓(xùn)、建筑設(shè)計(jì)、圖書(shū)館等非正式學(xué)習(xí)領(lǐng)域取得了很好的教學(xué)效果。zSpace是美國(guó)硅谷的一家公司在STEM教育理念下研制的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一體機(jī)，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境改變?nèi)藗兲剿鳌⒀芯颗c設(shè)計(jì)事物方式，加深數(shù)字化學(xué)習(xí)體驗(yàn)深度，提供激發(fā)學(xué)生好奇心、增強(qiáng)理解能力的終極學(xué)習(xí)體驗(yàn)[4]。VR/AR技術(shù)在人才培養(yǎng)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)真實(shí)場(chǎng)景學(xué)習(xí)體驗(yàn)，VR技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更加直觀真實(shí)的學(xué)習(xí)任務(wù)與情境，由表及里、由內(nèi)到外交互體驗(yàn)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中觀察、探索與實(shí)驗(yàn)，從而加深對(duì)知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[3]。

創(chuàng)客教育是培養(yǎng)大眾、學(xué)習(xí)者特別是青少年學(xué)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(guó)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(dòng)、探究、合作的方式在主動(dòng)探究過(guò)程中培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力，VR/AR技術(shù)利用多圖層、無(wú)縫疊加分析技術(shù)提供沉浸式、趣味式、交互式學(xué)習(xí)環(huán)境，鍛煉學(xué)生整合多元知識(shí)，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(gè)性化設(shè)計(jì)VR場(chǎng)景與互動(dòng)游戲，在問(wèn)題引導(dǎo)下讓學(xué)生體驗(yàn)、觀察與實(shí)踐，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新精神與實(shí)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(xué)生為中心，教師作為輔助者幫助學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)的意義建構(gòu)。VR/AR技術(shù)支持沉浸式教育，以情境認(rèn)知教學(xué)為基礎(chǔ)，利用技術(shù)與資源使學(xué)生真正參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中。由此可見(jiàn)兩者是相互促進(jìn)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(jiàn)，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(jìn)創(chuàng)客教育實(shí)踐與發(fā)展。因此，在培養(yǎng)創(chuàng)新人才目標(biāo)導(dǎo)向下，一條有效的途徑就是促進(jìn)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(dòng)VR/AR技術(shù)支持下的沉浸式互動(dòng)教育。

4.2 教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

（1）知識(shí)學(xué)習(xí)階段。通過(guò)VR/AR桌面教學(xué)系統(tǒng)呈現(xiàn)打開(kāi)LED燈、關(guān)閉LED燈以及LED燈閃爍的虛擬情景，引起學(xué)生興趣，將LED與Arduino控制器數(shù)字口的連接引入課堂。學(xué)生通過(guò)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(shí)點(diǎn)在VR技術(shù)呈現(xiàn)下變得有趣。讓學(xué)生自主操作電路，在虛擬環(huán)境中消除危險(xiǎn)性，如圖3所示。

（2）情境思考階段。在此階段，教師讓學(xué)生在VR/AR桌面教學(xué)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(jìn)行知識(shí)內(nèi)化。教師通過(guò)VR技術(shù)展示控制LED燈模仿型項(xiàng)目流程并發(fā)放模仿型項(xiàng)目資料，見(jiàn)表1，學(xué)生進(jìn)行小組協(xié)作學(xué)習(xí)，在VR技術(shù)支持的模擬電路環(huán)境中體驗(yàn)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(lán)色LED、USB線、面包線關(guān)系。

（3）操作練習(xí)階段。在學(xué)生掌握原理與編程技能后，教師需要給學(xué)生留出時(shí)間進(jìn)行體驗(yàn)操作，對(duì)學(xué)生操作過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)。學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過(guò)反復(fù)模仿嘗試，加深對(duì)LED與Arduino控制器數(shù)字口連接的理解，掌握程序編寫(xiě)要點(diǎn)，體驗(yàn)一般程序編寫(xiě)過(guò)程。

（4）研究方案階段。此階段學(xué)生已經(jīng)理解模擬項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)意，如通過(guò)詢(xún)問(wèn)“LED與Arduino控制器還可以控制什么”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究。學(xué)生研究解決方案并利用仿真環(huán)境以不同方式解決問(wèn)題。通過(guò)模擬交互環(huán)境的學(xué)習(xí)，即節(jié)省現(xiàn)實(shí)操作成本，也避免在真實(shí)環(huán)境修改電路的危險(xiǎn)性。

（5）創(chuàng)造學(xué)習(xí)階段。創(chuàng)造階段離不開(kāi)教師指點(diǎn)，但更重要的是學(xué)生自身創(chuàng)新素養(yǎng)。在此階段，教師是“導(dǎo)演”，學(xué)生是“主角”，教師因勢(shì)利導(dǎo)，適當(dāng)啟發(fā)學(xué)生產(chǎn)生新的想法并協(xié)助他們實(shí)現(xiàn)想法。情景性教學(xué)幫助學(xué)生改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配、維護(hù)維修、布局規(guī)劃等，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)造能力。

（6）分享交流階段。此為最后階段，課堂進(jìn)行小組互評(píng)、師生互評(píng)、組內(nèi)評(píng)價(jià)、展示研究成果，分享在研究過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決辦法。學(xué)生梳理要點(diǎn)，從評(píng)價(jià)反饋中了解其目標(biāo)達(dá)成程度。評(píng)價(jià)具有方向性和激勵(lì)性，加強(qiáng)師生交互，有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新的信心。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)外創(chuàng)客教育已經(jīng)發(fā)展的很好，但在國(guó)內(nèi)依舊是新型教育，尚缺成熟的研究與實(shí)踐。創(chuàng)客教育強(qiáng)調(diào)在創(chuàng)造中學(xué)習(xí)，但在實(shí)踐中容易出現(xiàn)跨學(xué)科知識(shí)點(diǎn)無(wú)法整合、創(chuàng)意難以激發(fā)、教師地位缺失等問(wèn)題。VR/AR技術(shù)利用沉浸性、交互性、構(gòu)想性特點(diǎn)服務(wù)于創(chuàng)客教育，有利于幫助學(xué)生在沉浸性課堂上整合多元知識(shí)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(diǎn)，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(xué)模式，促進(jìn)創(chuàng)客教育實(shí)踐健康發(fā)展。

基于VR/AR技術(shù)的創(chuàng)客教學(xué)模式，既融合了知識(shí)學(xué)習(xí)與項(xiàng)目創(chuàng)新界限，又獲得了開(kāi)放、多元的教學(xué)方式?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)客教學(xué)模式，重視知識(shí)掌握與操作技能訓(xùn)練，關(guān)注學(xué)生思考、實(shí)踐、創(chuàng)新、評(píng)價(jià)和分享。資源的開(kāi)源性與技術(shù)門(mén)檻的降低，使越來(lái)越多的教育工作者開(kāi)始了創(chuàng)客教育教學(xué)探索之旅[14]。從VR和AR的技術(shù)角度挖掘更完善的教學(xué)模式與教學(xué)活動(dòng)方式，能為學(xué)校創(chuàng)客教育發(fā)展提供源動(dòng)力。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）