zSpace(VR/AR)一體機(jī)在小學(xué)課后服務(wù)中的實(shí)踐探究

姚月琴

近些年來(lái)隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，教學(xué)媒體在教學(xué)中的作用日益明顯和重要，現(xiàn)代教育技術(shù)在教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，無(wú)疑是給學(xué)校教育插上了一雙有力的翅膀，成為教師進(jìn)行教學(xué)模式變革的重要手段，使教育教學(xué)方式越來(lái)越多樣化。AR/VR技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域，炙手可熱，隨著VR/AR技術(shù)的成熟，與行業(yè)的融合越來(lái)越深入，在教育教學(xué)中，也備受追捧。首先讓我們先了解一下VR和AR的概念。VR(Virtuao Reality虛擬現(xiàn)實(shí))最大的特點(diǎn)是利用電腦模擬，產(chǎn)生一個(gè)虛擬的三維世界，提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境，在這個(gè)虛擬空間內(nèi)，使用者交互的是虛擬世界的東西，與真實(shí)世界完全隔絕。AR(Augmented Reality增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))是通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和視覺(jué)技術(shù)將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，使得真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)的疊加到同一個(gè)畫(huà)面或空間，是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。VR/AR技術(shù)在教育中的應(yīng)用可以將感知世界和學(xué)習(xí)知識(shí)緊密融合起來(lái)，搭建起一座學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)內(nèi)容之間的橋梁。zSpace一體機(jī)是一款集VR/AR技術(shù)于一體的桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，能讓使用者產(chǎn)生高度沉浸感，進(jìn)行更加有效地學(xué)習(xí)。

一、zSpace一體機(jī)基本介紹

zSpace是一家專(zhuān)注于教育、醫(yī)療、企業(yè)培訓(xùn)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的技術(shù)供應(yīng)商，該公司位于美國(guó)硅谷。zSpace通過(guò)逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并融合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓用戶產(chǎn)生超出傳統(tǒng)技術(shù)環(huán)境的感受?？梢詭椭鷮W(xué)生沉浸在虛擬3D世界中做學(xué)習(xí)探究及實(shí)驗(yàn)。zSpace一體機(jī)是一款集硬件軟件于一體的產(chǎn)品。

二、硬件

(一)頭部跟蹤立體顯示技術(shù)的顯示器

每個(gè)zSpace系統(tǒng)都在顯示屏中內(nèi)置跟蹤攝像頭，跟蹤攝像頭有跟蹤功能。這些傳感器可跟蹤使用者的zSpace觸筆和眼鏡。當(dāng)使用者傾斜頭部以環(huán)顧對(duì)象時(shí)，zSpace一體機(jī)上的紅外線自動(dòng)感知，會(huì)動(dòng)態(tài)更新以完整高清地顯示正確的視圖。

(二)zSpace 3D追蹤眼鏡和2D非追蹤眼鏡

每個(gè)一體機(jī)上都配有一副zSpace3D追蹤眼鏡眼鏡和2D轉(zhuǎn)換眼鏡。為了能夠使用zSpace的立體顯示，需要佩戴3D眼鏡，3D追蹤眼鏡上有5個(gè)反光點(diǎn)，能讓使用者看到立體效果并且能夠與場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行交互處理，為使用者提供完整的體驗(yàn)，使用設(shè)備的同學(xué)可帶上3D眼鏡進(jìn)行操控，而2D非追蹤眼鏡無(wú)法觀察到3D效果，只能進(jìn)行參與，其他同學(xué)戴上了它，就可以在不干擾操作同學(xué)的情況下，分享操作同學(xué)的使用經(jīng)驗(yàn)。

(三)虛擬交互觸筆

zSpace觸筆像鋼筆一樣握持。使用觸筆在3D應(yīng)用程序中進(jìn)行全方位的動(dòng)態(tài)互動(dòng)，使用者可以在拾取和檢查物體時(shí)自然地旋轉(zhuǎn)手腕。可對(duì)模型進(jìn)行放大、縮小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作，觸筆上的按鈕根據(jù)打開(kāi)的應(yīng)用程序執(zhí)行不同的操作。

(四)鍵盤(pán)和鼠標(biāo)

機(jī)臺(tái)附有1個(gè)有線鼠標(biāo)和1個(gè)有線鍵盤(pán)?？梢允褂檬髽?biāo)和鍵盤(pán)操作傳統(tǒng)的Windows應(yīng)用程序。以及一些支持傳統(tǒng)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的3D應(yīng)用程序。

三、zSpace一體機(jī)的應(yīng)用軟件

zSpace系統(tǒng)軟件有多個(gè)應(yīng)用程序，現(xiàn)就本人學(xué)校里zSpace一體機(jī)中的有使用權(quán)限的軟件做簡(jiǎn)單介紹。

(一)3D工作室(也叫Studio)

適合中小學(xué)課堂使用的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具，包含2000多個(gè)模型，300多個(gè)課件。3D模型里涵蓋多個(gè)學(xué)科，包括植物、動(dòng)物、建筑、藝術(shù)、歷史、生物、人體解剖等，且提供多種交互工具，如導(dǎo)入模型、對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、拆分結(jié)構(gòu)、測(cè)量、尺寸對(duì)比、標(biāo)簽等，這些工具能提升學(xué)生的動(dòng)手能力。這里的模型和課件都是在線資源，根據(jù)老師的上課需要可以對(duì)里面的課件在線使用，也可以把課件下載下來(lái)，根據(jù)授課需要進(jìn)行修改再使用。

(二)Leopoly制作軟件

適合中小學(xué)課堂使用的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具，針對(duì)美術(shù)課程及相關(guān)的課外興趣拓展課。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作，可以直接進(jìn)行3D模型的創(chuàng)造設(shè)計(jì)及上色，選取不同的材料進(jìn)行3D打印，可以培養(yǎng)學(xué)生的空間感和創(chuàng)造力，即使是小學(xué)生也能輕松上手。制作完成的模型為通用格式，可以連接3D打印機(jī)，實(shí)時(shí)打印。教師也可以根據(jù)需要，在Leopoly中制作模型并導(dǎo)入Studio中充實(shí)原有的模型庫(kù)。

(三)國(guó)寶博覽VR課堂系統(tǒng)

軟件通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)24件國(guó)家級(jí)文物影像進(jìn)行全方位的展示，使用者通過(guò)觸筆可對(duì)文物影像進(jìn)行拉近、放大、旋轉(zhuǎn)等操作，多角度觀察文物細(xì)節(jié)，再配合軟件的音視頻講解和文字介紹，進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，讓學(xué)生感受中華文化的博大精深。

(四)zView軟件

zView軟件是zSpace一體機(jī)自帶的軟件，提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模式(AR)和虛擬現(xiàn)實(shí)模式(VR)，通過(guò)zView軟件能進(jìn)行VR/AR模式的切換，能對(duì)屏幕上播放內(nèi)容進(jìn)行錄制，還可通過(guò)投映，讓觀察者感受到AR的模式。當(dāng)處于AR模式時(shí)，觀察者可能和3D資源“互動(dòng)”，如可以把3D工作室里的手表帶在自己的手腕，可以讓蝴蝶停在手上，還可以把里面的消化器官“按裝”在自己身上，使學(xué)習(xí)互動(dòng)更加生動(dòng)有趣。這個(gè)軟件一般只在教師機(jī)上安裝，做演示使用。

四、zSpace一體機(jī)在教學(xué)中實(shí)際應(yīng)用及價(jià)值

zSpace一體機(jī)能提供更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，將虛擬可視可交互的場(chǎng)景融入真實(shí)課堂，增強(qiáng)認(rèn)知與體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高課堂效率。zSpace一體機(jī)的資源中心里自帶課件都是比較基本的內(nèi)容呈現(xiàn)。目前多數(shù)教師能直接使用自帶課件進(jìn)行授課，如用于社團(tuán)課。因?yàn)樯鐖F(tuán)課的時(shí)間長(zhǎng)，涉及內(nèi)容廣泛，所以在比較輕松的氛圍中更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?，F(xiàn)結(jié)合實(shí)際使用過(guò)程中說(shuō)一說(shuō)zSpace一體機(jī)在課堂中教學(xué)中的價(jià)值。

(一)自然條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的

人類(lèi)對(duì)宇宙的探索是無(wú)止境的，宇宙中有太多的奧秘，在現(xiàn)實(shí)生活或課堂上我們無(wú)法親身體驗(yàn)。如在《探究太陽(yáng)系》這節(jié)課中，可以讓學(xué)生打開(kāi)zSpace一體中的3D工作室里的資源，當(dāng)學(xué)生打開(kāi)資源后猶如置身于太陽(yáng)系之中，能夠全面深入地去了解八大行星，非常清晰直觀地觀察到太陽(yáng)系中各行星的位置，通過(guò)老師的講解學(xué)習(xí)了每個(gè)行星的結(jié)構(gòu)特征；里面對(duì)地球的介紹最為詳細(xì)，如地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、四季變化形成、白天黑夜的交替，以及各個(gè)星球之間的大小對(duì)比等。學(xué)生通過(guò)在太陽(yáng)系中“遨游”，能激發(fā)他們對(duì)宇宙探究的欲望。

(二)現(xiàn)實(shí)存在，但無(wú)法詳細(xì)觀察的

每個(gè)生命都有周期，實(shí)際生活中對(duì)生命周期進(jìn)行觀察需要大量的時(shí)間，而且還可能受外界的限制無(wú)法進(jìn)行。如zSpace一體中的資源中心提供的《蝴蝶的生命周期》，呈現(xiàn)出在一個(gè)美麗的叢林一角，有只黃色的斑蝶停在那里，如果用zSpace觸筆抓取蝴蝶，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，帶上3D眼鏡可進(jìn)行近距離觀察，蝴蝶的觸角還會(huì)動(dòng)，猶如拿著一只真蝴蝶一樣，當(dāng)放開(kāi)以后，蝴蝶還會(huì)振動(dòng)翅膀飛行。山谷中有一片綠色的樹(shù)葉，當(dāng)抓取它并旋轉(zhuǎn)后會(huì)發(fā)現(xiàn)葉子的背面有蝴蝶的卵，在一塊石頭上有只幼蟲(chóng)在蠕動(dòng)，這就是蝴蝶的幼蟲(chóng)，蛹掛在樹(shù)枝上，也可以選取進(jìn)行觀察，最后破繭成蝶，由卵到成蝴蝶兩周的時(shí)間，不到2分鐘就能觀察完，而且資源中提供的畫(huà)面非常唯美，學(xué)生在這樣形象生動(dòng)的環(huán)境經(jīng)歷了蝴蝶的生命周期，更容易理解和掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。又如細(xì)胞是真實(shí)存在于每一個(gè)個(gè)體中的，但我們不能通過(guò)肉眼看到。細(xì)胞的有絲分裂的過(guò)程我們也無(wú)法用肉眼看到，zSpace一體中的資源中心的《細(xì)胞有絲分裂》課件，就動(dòng)態(tài)展示了細(xì)胞有絲分裂的四個(gè)時(shí)期。

(三)已經(jīng)成為歷史，回不去的場(chǎng)景

人類(lèi)創(chuàng)造了文明，也創(chuàng)造了歷史，在人類(lèi)歷史中有許多著名的建筑，受條件的限制我們可能到達(dá)不了。如zSpace一體中的資源中心的《古羅馬遺址探險(xiǎn)》，學(xué)生們不受時(shí)間和空間的限制，帶上3D眼鏡，打開(kāi)資源便可去那里的斗獸場(chǎng)、萬(wàn)神廟游覽一番，可利用照相機(jī)功能對(duì)建筑物里的細(xì)節(jié)進(jìn)行參觀，足不出戶就能行萬(wàn)里路。又如我國(guó)有許多珍貴的文物，有的不能近距離觀察，而國(guó)寶博覽VR課堂系統(tǒng)詳細(xì)地介紹與展示了24件文物，學(xué)生們可用zSpace的觸筆對(duì)文物影像進(jìn)行360度的旋轉(zhuǎn)，就好像把文物拿到手里把玩，能觀察到文物的很多細(xì)節(jié)，感受中華文明的魅力。又如在zSpace里可了解猛犸象、恐龍等已滅絕的動(dòng)物。

(四)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不可逆，不能反復(fù)等

在科學(xué)或生物實(shí)驗(yàn)課里有解剖青蛙，每個(gè)班要進(jìn)行解剖，實(shí)際操作起來(lái)有一定的難度，而且一節(jié)課還有可能完成不了，zSpace里的解剖青蛙(可剖分)資源，能將青蛙的肌肉、骨骼進(jìn)行剖分，還能剖分出青蛙的眼睛、消化系統(tǒng)、腎臟、肺、舌頭等，學(xué)生可反復(fù)操作，通過(guò)放大旋轉(zhuǎn)等能清楚地認(rèn)識(shí)青蛙的構(gòu)成。又如對(duì)心臟的認(rèn)識(shí)，在生物課上我們只能通過(guò)圖片對(duì)學(xué)生進(jìn)行講解，理解起來(lái)還是有一定的難度，zSpace里的3D心臟資源做得非常形象，既有心臟跳動(dòng)的頻率，還能聽(tīng)到心臟跳動(dòng)的聲音。而且可以看到人在正常情況和跑步時(shí)心臟跳動(dòng)頻率的對(duì)比，對(duì)心臟里的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也剖分得很詳細(xì)，如左心房、右心房，左心室、右心室，以及和心臟相連的血管，心臟和心室的瓣膜等都能非常清楚地呈現(xiàn)出來(lái)。

(五)教學(xué)器具過(guò)于昂貴不易建設(shè)的

在zSpace里有許多可剖分的資源，如機(jī)械里的電機(jī)模型、保時(shí)捷汽車(chē)模型等，學(xué)生用觸筆可將這些模型進(jìn)行拆分，認(rèn)識(shí)模型各部件的名稱，還可根據(jù)提示進(jìn)行重新組裝，這樣既能節(jié)省資源又能讓學(xué)生在有限的空間里進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)。

五、zSpace一體機(jī)在課后服務(wù)中的教學(xué)實(shí)踐

學(xué)校依托銀川市中關(guān)村科技雙創(chuàng)園的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，以“科技創(chuàng)新、協(xié)同發(fā)展”為學(xué)校信息化教育理念，全面提升學(xué)校新理念、新目標(biāo)、新模式、新標(biāo)準(zhǔn)和新追求。為更充分細(xì)致地分析“互聯(lián)網(wǎng)+”教育的課程效果，了解學(xué)生和教師對(duì)zSpace一體機(jī)使用的感受，通過(guò)多種形式在教學(xué)時(shí)間結(jié)束后對(duì)課后服務(wù)的部分學(xué)生和授課教師進(jìn)行訪談?，F(xiàn)對(duì)教師在課后服務(wù)中使用zSpace一體機(jī)的成效做如下總結(jié)：

第一，教師在課前要做好充分的準(zhǔn)備。學(xué)校課后服務(wù)主要用到3D工作室、VR國(guó)寶系統(tǒng)、Leopoly軟件，教師一定要熟悉了解這些軟件里的功能，熟悉其相關(guān)操作。

第二，內(nèi)容展示要有針對(duì)性。根據(jù)不同的授課類(lèi)型使用不同的軟件進(jìn)行操作，要針對(duì)學(xué)生的接受程度設(shè)計(jì)授課內(nèi)容，將zSpace一體機(jī)的資源分別按3D工作室、VR國(guó)寶系統(tǒng)、Leopoly軟件三個(gè)方面進(jìn)行了課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)，從而完成教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生在課堂上可通過(guò)3D眼鏡來(lái)操作或鑒賞，會(huì)有全面、立體的感受。由于操作時(shí)間長(zhǎng)，學(xué)生自主探究、操作，把課堂還給了學(xué)生，體現(xiàn)了學(xué)生的主體性。

第三，學(xué)生比較喜歡這樣的課堂。通過(guò)zSpace一體機(jī)在課后服務(wù)中的實(shí)踐，學(xué)生在這樣的課堂上都有良好表現(xiàn)。學(xué)生能在課堂積極參與活動(dòng)，能主動(dòng)地選擇zSpace一體機(jī)里的相應(yīng)資源進(jìn)行操作或創(chuàng)作，從而助力學(xué)校智慧校園建設(shè)，促使師生信息化水平和創(chuàng)新素養(yǎng)全面提升，結(jié)合學(xué)校基本情況和發(fā)展愿景不斷完善人才培養(yǎng)機(jī)制和體系建設(shè)。

學(xué)生在課后服務(wù)中使用過(guò)zSpace一體機(jī)后，表現(xiàn)為：

第一，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣濃厚。作為學(xué)校新開(kāi)設(shè)的智能類(lèi)社團(tuán)課程，為家境較為困難的學(xué)生提供了零距離接觸科技的機(jī)會(huì)。以落實(shí)立德樹(shù)人為根本目標(biāo)，以“創(chuàng)新素養(yǎng)”為立足點(diǎn)，VR社團(tuán)為載體，認(rèn)真貫徹落實(shí)德智體美勞共同發(fā)展的工作任務(wù)。學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)zSpace一體機(jī)里的3D工作室、國(guó)寶VR系統(tǒng)軟件、Leopoly軟件中的各種功能，都可獨(dú)立熟練地使用，對(duì)這樣一款全新的設(shè)備非常感興趣。

第二，沉浸于自己的創(chuàng)作。在我們的課后服務(wù)中，除了教師講授一部分內(nèi)容外，剩下的時(shí)間留給小組進(jìn)行創(chuàng)作。學(xué)生利用3D工作室創(chuàng)作出了許多3D作品，利用Leopoly軟件也創(chuàng)作了一些像小豬、花瓶、小獅子等的作品，放手大膽地讓學(xué)生去操作，學(xué)生們?cè)谕ㄟ^(guò)力合作，發(fā)揮想象，制作出來(lái)的作品也很驚艷，從而達(dá)到潤(rùn)物無(wú)聲的育人目標(biāo)。

第三，學(xué)生滿意度高。學(xué)生通過(guò)認(rèn)識(shí)及使用zSpace一體機(jī)里面的軟件后，都表示課堂靈動(dòng)、有趣，能夠比較專(zhuān)注地投入學(xué)習(xí)中，在知識(shí)和技能方面取得了不錯(cuò)的收獲。學(xué)生都表示愿意繼續(xù)學(xué)習(xí)使用。

zSpace一體機(jī)課程在課堂服務(wù)中得到廣泛運(yùn)用，其以構(gòu)建智慧課堂為抓手，進(jìn)行課堂教學(xué)改革，提升了教育質(zhì)量。通過(guò)打造智慧課堂，實(shí)現(xiàn)教育理念與模式、教學(xué)內(nèi)容與方法的改革創(chuàng)新，促進(jìn)和實(shí)現(xiàn)教學(xué)流程再造、精準(zhǔn)教學(xué)，滿足了師生個(gè)性化教與學(xué)的需求，落實(shí)了“以學(xué)習(xí)者為中心”的教學(xué)理念，拉近了師生與人工智能的距離，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，提供了高效的“教”與“學(xué)”模式，提升了學(xué)校實(shí)力和辦學(xué)水平。

總之，zSpace一體機(jī)通過(guò)VR/AR技術(shù)手段，利用虛擬現(xiàn)實(shí)豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效率與質(zhì)量，強(qiáng)化深度學(xué)習(xí)與知識(shí)遷移，提高了個(gè)性化教學(xué)的實(shí)效性，有利于教育教學(xué)信息化的發(fā)展。