基于zSpace的VR/AR技术在中小学课堂教学中的应用探究

刘鑫

（苏州大学 教育学院，江苏 苏州 215123）

VR（Virtual Reality，虚拟现实技术）是由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或者增强一种或者多种感官反馈，从而产生一种精神沉浸于或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉[1]。 AR（Augmented Reality，增强现实技术）则是虚拟现实技术的延伸，增强现实技术允许用户看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟对象[2]，通过虚实信息叠加，对实时的视频图像进行信息处理和传输，形成三维交互式的立体画面，给用户以全新的体验与感受[3]。VR/AR技术在国外基础教育阶段正得到积极推广和应用。在美国，VR技术在中学阶段的应用主要有帮助教师系统地管理课堂、构建虚拟物理和化学实验室等[4]；大量可视化的数据显示AR技术的使用者有51%是K-12阶段的学生[5]。我国政府的大力支持推动了VR/AR技术的进一步发展。《国家教育事业发展“十三五”规划》提到“要全力推动信息技术与教育教学深度融合……支持各级各类学校建设智慧校园，综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式”[6]。

VR/AR技术在教育中的应用可以将感知世界和构建知识紧密融合在一起，在学习者和学习内容之间搭建起一座桥梁。李小平等提出VR/AR技术目前在国内教学中出现的主要引用形式有四种[7]：浅度引用是指在课堂上只注重VR/AR技术的应用或者体验，忽视了教学内容与技术的结合；中度引用则是在浅度引用的基础上加强了与教学内容的结合度，但还是存在过渡不流畅的问题；高度引用和深度引用则是我们要达到的理想应用阶段。随着基于VR/AR技术的产品相继推出，其中也有很多应用到了实际的课堂教学中，并取得了不错的教学效果。zSpace就是一款基于VR/AR技术的桌面式虚拟现实与增强现实设备，能让使用者在高度的沉浸感和交互感下，更加有效地进行学习。

一、zSpace在课堂教学中的应用模式

zSpace的应用程序让学生参与到更加情境化的学习体验中，并与课程保持一致。为了进一步促进VR/AR技术在中小学课堂中的应用，促进基于zSpace的课堂取得更好的教学效果，我们有必要对zSpace在中小学课堂教学中的应用模式进行探究。

Tien-Chi Huang等[8]在一个基于增强现实的体验式学习环境中，为了更好地将现实世界和虚拟环境结合起来，促进学生对知识的理解和掌握，提出了基于AR技术的生态发现学习模式，见图1。该模式将参与实践学习的学生行为划分为感受、观看、思考和活动四个部分，对学生在AR技术支持下的实践学习进行了初步探究，并且在实践教学中取得了良好效果。但是该模式忽略了教师，教师作为课堂教学的参与者，是不可或缺的角色。在基于VR/AR技术的相应产品应用于课堂教学当中时，我们不能忽略教师对于整个课堂教学的辅助和引导作用。

图1 基于AR技术的生态发现学习模式

因此，本文对基于AR技术的生态发现学习模式进行了改进，将教师的课堂参与加入模式中，以zSpace作为技术支持来充当课堂中师生交互的桥梁，最后提出了学习效果的两层评价指标，构建了基于zSpace的VR/AR技术在中小学课堂教学中的应用模式，见图2。

图2

整个教学模式从课程开始到结束，分别对学生的学习活动、教师教学活动以及学习效果的评价指标进行了详细划分，每一个环节在课堂教学中都是不可或缺的。

1.学生学习活动

在基于zSpace的课堂学习中，学生学习活动具体划分为四个方面：①感受：学生的经验联结。通过教师的课前引导，学生从自身已经具备的相关经验出发，将本堂课要学习的知识与经验库中的已有经验相联系，以此为基础展开本堂课的学习。②观看：学生的观察反思。在整个课堂教学中，学生通过观看相应的教学辅助材料，如图片、视频和模型等，以及通过简单的任务来完成经验对比，并积极反思，发现问题。③活动：学生的积极体验。学生通过自主体验与小组合作，运用相应的VR/AR工具来完成问题的探索和知识的建构，主动积极地展开课堂学习活动。④思考：学生对抽象概念的掌握。学生积极地完成任务后，能够将所学知识从平面的二维知识转换为立体的三维知识，对于所学的知识不仅达到简单的识记和运用，还要完成新知识的体系建构。

2.教师教学活动

基于zSpace的课堂当中，教师不再是主讲者，而主要是作为一种外部动力，对课堂教学起着推动和引导的作用。对于学生来讲，教师更多是一种辅助者和引导者的角色。其教学活动具体划分为以下四个方面：

（1）设计教案：不同于传统的教案设计，基于zSpace的教案设计中要考虑到教学工具和教学内容的关联性与紧密度，更多的是对教学活动的设计，通过课前的教学设计使课堂教学能够流畅进行。

（2）展示内容：课堂中教师展示的不再是简单的板书或PPT演示，更多的是对zSpace的操作演示，将教学内容通过任务和活动的形式传递给学生。

（3）积极引导：教师不再充当课堂上的主讲者，而是扮演一个辅助者和引导者的角色。因为有了zSpace的存在，课堂将会把更多的时间交给学生，学生在相关的活动中需要教师的积极引导，教师通过引导学生体验和思考，进而促使学生更加有效地进行学习活动。

（4）总结提升：教师在课程中要及时发现和解决学生的问题。每个活动结束后进行阶段性的小结，及时给与学生激励，并在整个课堂最后对课堂教学内容进行总结，进一步升华教学主题和提升教学效果。

3.学习效果的评价指标

在基于zSpace的VR/AR技术在中小学课堂教学中的应用模式当中，将学习效果的评价指标划分为两个层次，分别是较易进行评价的第一层目标，具体包括完成目标、知识建构和技能增长，详细内容见表1；以及较难进行评价的第二层目标，具体包括注意力、自信心和满意度，详细内容见表2。

表1 学习效果的第一层评价指标

表2 学习效果的第二层评价指标

（1）第一层目标

通过第一层目标的达成：完成教学目标，促进学生的知识建构以及相关技能的增长，初步的学习任务基本达成，但还需要对学习效果做更深层次的评价。

（2）第二层目标

随着各个环节的逐步开展、学生和教师的共同合作，以及通过学习效果的两层评价指标对学生的课堂学习效果进行评价，使得基于zSpace的课堂教学模式能够在课堂中得到较好应用。

二、《人体骨骼》案例分析

1.案例概况

案例分析了小学四年级《科学》下册第一单元《人体骨骼》公开课课程，师生来自安徽省铜陵市某小学。参加课程的学生一共有24人，分为7个学习小组。

在参加课程之前，学生已经对人体骨骼的平面图示有了初步了解，但是对于人体骨骼的分类、数量以及作用等还没有掌握。通过课堂上的学习，包括学生的自主探究、小组合作和教师的辅助讲解，结合学生对zSpace的熟练操作,将人体骨骼的知识从平面化推进到立体化，深化了学生对相关知识的掌握。

2.案例的具体分析

按照基于zSpace的VR/AR技术在中小学课堂教学中的应用模式，以学生学习活动的四个维度为基准，对案例中师生相应的行为表现进行了分析。

（1）在感受维度下，主要表现为学生注意力的集中。这一阶段作为课程的一个导入，教师通过言语和视频引起学生的注意，将学生带入教学情境；学生通过导入内容的学习，将其与已有经验进行联系，进而促进知识的建构。具体行为表现如表3所示。

表3 感受维度下师生行为表现

（2）在观看维度下，学生主要通过观看相应的教学辅助材料，并与自己的已有经验进行比较，通过简单的任务完成相关经验的联结，在此基础上积极反思，发现问题。具体行为表现如表4所示。

操作环节里，每位同学都佩戴一副3D眼镜，对zS-pace进行操作。其中一位同学操控触笔，小组其他成员在旁辅助，期间小组成员轮换进行操作，进而提高参与度。统计的一种方法是通过触笔拉近屏幕上骨骼与观测者的距离、360°翻转进行观察，另一种方法是使用触笔对屏幕上的骨骼进行拆分进而进行统计。课堂学习情况如图3所示。

表4 观看维度下师生行为表现

图3 骨骼数量的计算

（3）在活动维度下，学生通过自主体验和小组合作，使用zSpace来完成问题的探索与知识的建构。学生要做到的不仅仅是简单地对zSpace进行操作，还要将所学的知识运用到实践活动当中，通过活动来巩固知识。具体行为表现如表5所示。

表5 活动维度下师生行为表现

学生以小组合作的方式使用zSpace，讨论并完成骨骼形状匹配的活动。课堂学习情况如图4所示。

（4）在思考维度下，学生在对所学知识有了一个初步掌握后，通过积极的动手操作，能够将所学知识从平面的二维知识转换为立体的三维知识，完成对抽象知识的具象化。具体行为表现如表6所示。

图4 骨骼形状的匹配

表6 思考维度下师生行为表现

小组成员进行合作，将屏幕上散乱的人体骨骼拼成一副完整的人体骨架，通过这个活动完成对抽象概念的掌握。课堂学习情况如图5所示。

课堂最后，师生探讨了对本节课的感想与收获。通过课堂教学活动的分析可知，学生的行为表现完成了预期的教学目标、促进了知识的建构以及相关操作技能的增长。课堂上学生注意力集中度很高，表现出了极高的学习投入度和学习热情，活动和任务的完成加强了学生的自信心，最后课堂呈现出来的效果符合课前预期，可以看出基于zSpace的VR/AR技术在中小学课堂教学中的应用模式最终取得了良好的教学效果。

图5 人体骨架的整合

三、结束语

基于zSpace的VR/AR技术在中小学课堂教学中的应用模式还有待完善。比如VR/AR技术目前在国内教学中出现主要还处于中度引用阶段，我们要在教学内容和VR/AR技术高度吻合的情况下，进行VR/AR技术与课程无痕迹转换，进而达到对VR/AR技术的高度引用甚至深度引用；在实际课堂教学中的应用还比较少等。这都需要我们在以后的课堂教学实践中进一步发现问题，对基于zSpace的VR/AR技术在中小学课堂教学中的应用模式进行完善。

zSpace作为技术支持参与到课堂教学中，对于教师的教和学生的学都是一个突破。一个有针对性的教学模式对于课堂教学能起到良好的推动作用，进而取得良好的教学效果。通过对实际教学中师生教学活动的分析，可以看出基于zSpace的VR/AR技术在中小学课堂教学中的应用模式下，教师通过zSpace可以更加有效地调动学生的积极性，学生通过zSpace能够提高课堂参与度，对抽象知识更容易掌握。在具身认知理论、创客教育和STEAM教育等理念相继提出的背景下，今后的中小学课堂当中基于VR/AR技术的产品将会得到更多和更成熟的应用。