全息顯示技術在幾何課堂中的應用

周 婕

（廣東省外語藝術職業(yè)學院 信息技術學院，廣東 廣州 510640）

當下，世界正經(jīng)歷著一場以數(shù)字媒體技術發(fā)展為主流的科學技術革命.一方面，無論主動與否，當前的教育已經(jīng)被裹挾著進入到技術時代，教育已經(jīng)與技術和各種智能平臺產(chǎn)生了深度融合，產(chǎn)生了新的教育秩序和教育生態(tài)[1]；另一方面，人工智能和虛擬現(xiàn)實等前沿技術以其獨特的交互手段和技術優(yōu)勢，為具身學習環(huán)境的創(chuàng)設提供了技術載體，也為具身學習開辟了更為廣闊的應用空間[2].教育信息化也進入新的發(fā)展轉型期[3].因此，如何跨越因正確地使用技術、基于信息技術的學習能力和信息素養(yǎng)差異而造成的新數(shù)字鴻溝[4]，與現(xiàn)有教學機制深度融合，成為了當下數(shù)字媒體技術課堂教學的一個重要研究課題.

1 研究基礎

1.1 技術基礎

全息顯示技術可以將影像投射到半透明介質上形成一種開放式的立體視覺效果，適合多人同時觀看，是當下結構最簡單、性能最穩(wěn)定、使用門檻最低的裸眼3D 解決方案，其中四面體式全息柜，可以從不同方向看到同一物體的不同角度，具有強烈的仿真感.雖然國內(nèi)的全息課堂應用案例不多，但國外的多項研究報告顯示了全息技術作為教學媒介的優(yōu)勢，如美國肯特州立大學Hyangsook Lee 的研究發(fā)現(xiàn)全息可以使學生提高專注力并處于一個具有吸引力的環(huán)境中，進而建立自己的學習過程[5]；麻省理工媒體實驗室的Walker RA 認為全息的小組參與特性可以幫助學生通過探討知識的共性建立一種社會化紐帶[6]；劍橋大學的Secord JA 則稱贊全息是快速而神奇的科學塑造者[7].此外，多位不同學科領域的學者也嘗試全息技術的課堂應用研究并給出了積極、肯定的評價[8-9].

1.2 理論基礎

拋錨式教學法（Anchored Instruction）著重訓練學生對事物本質的理解，強調對學生解決問題的能力及高效率學習移遷能力的培養(yǎng)，基于其理論模型，筆者所在的教研組采用Unity 3D 以全息格式開發(fā)了一系列幾何結構關系推演動畫，希望學生能通過這些動畫推導出幾何體關系變化的本質，同時為了避免這種強調自行摸索的方式為學生帶來認知負荷[10]，在制作過程中也參考了情感導學系統(tǒng)（ATS）的理論知識進行題目分類.研究發(fā)現(xiàn)，積極情緒會對學習產(chǎn)生積極影響，消極情緒則分散學生注意力，進而導致淺層學習發(fā)生[11].一些實驗也表明，如果教輔系統(tǒng)能與學習者的情感狀態(tài)互動，則更有助于提高學習成就感及促進學生感知能力[12].因為知識不僅是一個結果，也是一個過程，還是一種精神狀態(tài).知識的獲得是一種“整體性學習”[13].

2 實驗方法

2.1 實驗目的與內(nèi)容設計

全息作為教輔工具結合對應的教學素材，相對于傳統(tǒng)板書教學模式，可以為學生的幾何知識學習效率和認知情感帶來更優(yōu)的體驗.

為此教研組設計了兩組幾何測試題，第一組21 道題側重評估實驗對象的觀察分析能力；第二組14 道幾何題則側重考核實驗對象獲取和分析有關信息的推理能力、學習遷移能力.兩組題的知識點覆蓋廣東省小學階段的主要幾何考點.

2.2 全息硬件及實驗對象

本次使用的四面體式全息柜及題目內(nèi)容均由廣東省外語藝術職業(yè)學院信息技術學院交互多媒體與虛擬現(xiàn)實工作室制作.幾何內(nèi)容在全息柜中展示時，學生除了可以從不同角度直觀查看幾何形體演變之外，還可以通過Leap Motion 體感控制器互動，如翻轉、拆組幾何體.

實驗對象來自廣州一家培訓機構，在征得家長及學生本人同意后，由培訓機構從不同興趣班報名的191 名小于9 歲的學生里，隨機抽取了42 位參與實驗.需要說明的是，除了年齡、性別之外，每個學生都領取到一個序號數(shù)字作為化名，確保不涉及更多的學生個人信息.

2.3 評估測試

評估測試采用的是21 道觀察題，答題時間不限.為了確保學生理解試卷內(nèi)容，在測試前培訓機構老師以傳統(tǒng)板書形式對表面積、體積、容積等幾何概念進行了40 min 統(tǒng)一講解，并在實驗對象休息25 min 后開始測試.題目明細見表1.

表1 21 道評估測試觀察題

2.4 分組與再測試

在全部學生上交評估測試題后，隨機將學生分成傳統(tǒng)和全息兩組，每組21 人.后續(xù)的實驗，兩組學生錯開參與，彼此之間并不清楚對方的實驗內(nèi)容、教學方式.同時，培訓機構組織老師對學生上交的評估測試題進行閱卷，分析失分點情況，但并不對學生公布成績.在閱卷分析完成后，培訓機構指派了一位老師同時擔任傳統(tǒng)組和全息組課堂教師.

傳統(tǒng)組主要通過板書、實物、圖表等方式對幾何知識點進行講解；全息組則以全息設備輔助內(nèi)容演示.兩組均在為期1 d、總計4 h 的系統(tǒng)訓練后參與了再測試，再測試的試卷內(nèi)容依然是評估測試那21 道觀察題.

2.5 進階測試

再測試完成后，教師分別為兩組學生進行為期0.5 d、總計2 h 的分析和疑問回答，對嚴重失分點進行了詳細的推導過程講解.在確保足夠休息時間后，對兩組學生進行了進階測試，進階測試總計14 道推導題，測試時間60 min，題目明細見表2.

表2 進階測試推導題

3 研究結果

3.1 評估測試與再測試結果對比

評估測試與再測試結果見表3，“評估測試”代表全部42 位實驗對象評估階段結果，“傳統(tǒng)組”“全息組”是實驗對象分組后的再測試結果.表中的數(shù)字是該組全部成員在該題目的平均準確率數(shù)值.

表3 評估測試與再測試準確率數(shù)據(jù)圖

結果顯示，評估階段42 位學生整體平均準確率為35.84%，顯然測試前的教學并不能讓學生掌握這些知識點.在分組培訓并進行再測試后，傳統(tǒng)組整體平均準確率為75.74%，較評估階段提高39.90%，全息組為92.07%，較評估階段提高56.23%，比傳統(tǒng)組高出16.33%.其中，評估階段的失分重點在題4 至13、題19、20 總計12 道題，42 位學生平均準確率僅有16.87%.該情況或如Efklides 的研究：影響學習元認知的一個因素就是任務難度，如果學生認為一項任務超出了他們的能力范圍，就會產(chǎn)生消極情緒，沮喪甚至放棄該任務[14].

同樣這12 道題到了再測試階段時，傳統(tǒng)組準確率為71.43%，較評估階段提高54.56%；全息組準確率為91.67%，較評估階段提高74.80%，比傳統(tǒng)組高出20.24%.傳統(tǒng)組在題6、10、17，準確率為66.67%，低于其整體平均值75.74%.全息組在這3 道題的準確率為93.65%，比整體平均值要高出1.59%，比傳統(tǒng)組高出26.98%，差距明顯.

根據(jù)表1 也可以看出，實驗對象經(jīng)過前3 道觀察題后，從題4 對稱軸概念推導考核開始，準確率斷崖式下跌，說明未經(jīng)系統(tǒng)訓練的學生并沒法較好理解空間邏輯.

第5 題邊長概念屬于觀察題，再測試時兩組準確率均有所提升.第6 題考察面積概念，觀察思路第一次從一維空間轉入二維空間，再測試時傳統(tǒng)組準確率比評估階段提升2 倍達到57.14%，全息組則提高了66.67%達到95.24%，第7 題是致敬格式塔學習原理創(chuàng)始人Max Wertheimer“創(chuàng)造性思維”實驗的平行四邊形面積公式概念推導題，帶有大量觀察提示，評估階段準確率23.81%，再測試階段則兩組均達到90.48%，均展示了良好的觀察分析能力.

考核平面面積公式推導的第8 題、第10 題及考核表面積公式推導的第11 至13 題，評估階段準確率均下降到20%以內(nèi)，這幾道題再測試時傳統(tǒng)組得分雖有提升，但是曲線振蕩波動較大，特別是題10 圓面積公式的推導，全息動畫較好的展示了長方形周長與圓形周長、面積的關系，全息組通過觀察動畫即可以獲得90.48%的準確率，而傳統(tǒng)組無法通過觀察獲得答案，只能結合公式、教師解說去嘗試掌握知識，準確率僅有47.62%.

而第14～16 題的體積和容積概念題、第17～18 題的立體圖形公式概念題，與前面第7 題類似，帶有大量觀察提示，因此準確率得以回升.第19 題圓錐體積公式概念推導，第20 題平面幾何綜合知識推導，評估階段的準確率不出所料的大幅下跌，即使到了再測試階段，傳統(tǒng)組依然在第19 題失分嚴重.

綜合以上，全息除了帶來課堂新奇效應，帶動了學生的推理積極性，其展示特點與人機交互還能刺激學習者在腦海中生成并留下知識點的動態(tài)推導過程[15]，因為認知是具身的、情境的，身體及其經(jīng)驗、身體與環(huán)境的交互可以幫助學習者更好地學[16]，這也終將影響學生的學習策略和動機，并最終反饋到得分準確率上.

3.2 進階測試結果對比

進階測試準確率的統(tǒng)計如表4 所示，表格中的數(shù)字是該組全部成員在該題目的準確率值.結果顯示，傳統(tǒng)組的綜合平均準確率為74.83%，全息組為89.80%，較傳統(tǒng)組高14.97%.全息組的準確率非常的平穩(wěn)，傳統(tǒng)組則有較大的波動擺幅.有學者曾指出，傳統(tǒng)板書教學，雖然明確了學習主題和教學步驟，但是忽略了學生自主探究過程帶來的印象深化，學生只能被動吸收知識.至于公式，本質上是具象圖形的高度抽象化表達，在初期階段，可能導致理解困難[17].

表4 進階測試準確率對比

兩組得分接近的題，如第4、5 題均屬于面積知識考核的觀察題，兩組的準確率均在90%以上；得分差距較大的，如第3 題長方體棱長總和公式考核，傳統(tǒng)組在板書中無法直觀地了解全部棱長的關系，當長方體棱與正方體棱同時出現(xiàn)時，傳統(tǒng)組顯然是混淆了公式，準確率急劇下降到57.14%，只有12 個人答對.雖然受到干擾，全息組依然有17 人選到正確答案，準確率80.95%.較傳統(tǒng)組高出23.81%.

第8 題是長方體表面積推導題，全息組比傳統(tǒng)組高出28.58%，傳統(tǒng)組準確率低的原因類同于第3題.第14 題是圓錐體體積知識考核，是本次最復雜的推導題，綜合了圓柱體體積、圓形平面面積等知識點，傳統(tǒng)組只獲得了52.38%的準確率，而全息組則高達90.48%，差距為38.1%.

根據(jù)認知理論，6～8 歲階段，觀察與思考方式正從具體形象思維過渡到抽象思維，全息的動態(tài)可視化特點更有助于幫助學生在頭腦中以不同空間角度對知識信息進行演練模擬，降低認知轉化帶來的資源消耗，被釋放的認知資源可用于提升問題解決能力和學習機動性[18].這一點從表5 的答題效率可以得到佐證.進階測試的14 道推導題，測試時限為60 min，兩個小組均提前完成答題.全息組在第33 分鐘時，有6 個學生交卷，參考全息組的準確率89.80%，可以認為這6 位學生已經(jīng)非常適應全息帶來的良好體驗.傳統(tǒng)組在第36 分鐘開始有學生交卷，交卷高峰期在第45 分鐘開始到第51 分鐘，據(jù)現(xiàn)場人員描述，傳統(tǒng)組學生更多的是反復檢查題目，這延長了整體交卷時間，且交卷后傳統(tǒng)組學生并不太積極討論試卷內(nèi)容；全息組答題交卷則干脆迅速，交卷后略帶興奮地討論解題過程，彼此的講解表達也慢慢變成一個小型研討會，氣氛活躍.

表5 進階測試交卷時間對比

4 結論

本次實驗結果，證實了全息作為一種教輔工具，相對于傳統(tǒng)課堂板書模式，可以更好的幫助學生理解幾何知識點及提高學生推理思維和學習遷移能力，為探索數(shù)字媒體可視化教輔工具在不同學科領域中的應用提供了一個模型案例.

需說明的是，本次實驗做了大量前期工作去優(yōu)化全息硬件、幾何課程資源，對任課老師也進行了專門的培訓，因為要恰當使用數(shù)字媒體教輔工具，需要教師具備良好的教學設計能力、風格轉變能力、信息技術能力和情緒管理能力[19].

從以上方面考慮，實驗結果或許會有失公正性，但這何嘗不是數(shù)字媒體教輔工具在課堂應用的現(xiàn)實縮影？不可否認，數(shù)字媒體技術的介入極大地促進了教育事業(yè)的發(fā)展，其具有的知識存儲和建構功能，能有效地促進學習者的知識建構，成為影響學習的顯著因素[20]，但其與現(xiàn)有課堂教學機制的相互融合問題、與當下應考體系的適應性問題、與教師信息素養(yǎng)的培育問題，一直是教育與技術供給問題的爭論焦點.一方面，脫離了現(xiàn)有教學機制，單一的技術應用并不能促進教學效果的改善[21]，另一方面，信息技術的便捷性、安全性、高效性與破壞性、無用性、缺損性是并存的[22].諸多原因導致其并沒有在課堂中發(fā)揮應有的功能作用，到目前為止，技術總體上并沒有給教育帶來令人激動的應用效果，更沒有從根本上改變教育形態(tài)[23].

學習活動中工具的一個重要隱喻就是學習者能夠汲取工具中所蘊含的人類社會文化[24]，知識作為人類認識的成果，亦是課程的本質和教學認識的客體[25]，數(shù)字媒體技術在教育行業(yè)的應用，其核心關注點應該是圍繞教育本身，遵循教育行業(yè)的階段性特點，促進課堂質量提升，這正如尹俊華所說的：“教學技術不是任何特定的媒體或設備……是一種根據(jù)具體目標來設計、實施和評價整個學與教的過程的系統(tǒng)方法，它以人類學習和傳播理論為基礎，結合應用人力和物力資源，來促進更有效的教學”[26].