基于zSpace的物理学科综合实践活动设计研究*

高 洁 刘含嫣

（1.北京市海淀区教育科学研究院，北京100080；2.北京博雅智学软件股份有限公司，北京100088）

一、问题的提出

随着人工智能的发展，世界各国纷纷制定战略规划，尤其在我国发布《教育信息化2.0 行动计划》后，各种与人工智能有关的教育技术应用被关注，特别是虚拟现实技术、增强现实技术、裸眼3D 技术在物理、生物、化学等学科有广泛的应用。物理学是自然科学领域的一门基础学科，研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律。高中物理课程[1]是一门基础课程，物理教学应引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力；提倡教学方式多样化，尤其利用现代信息技术，引导学生理解物理学本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力。综合实践活动[2]是从学生的真实生活和发展需要出发，从生活情境中发现问题，转化为活动主题，通过探究、服务、制作、体验等方式，培养学生综合素质的跨学科实践性课程，高中阶段的目标是创意物化，积极参与动手操作实践活动。因此，基于观察与实验的物理学，可结合开展综合实践活动来提升在新时代的基本理念背景下学生的学科核心素养，丰富学生学科知识的学习方式。

二、zSpace教学应用

zSpace 是一款全新的3D 显示屏，由加州Infinite Z 公司开发，可以跟踪用户头部的转动和手的动作，实时调整用户看到的3D 图像。给计算机游戏和增强现实带来创新。

与在电影院或通过3D 电视看到的3D 视频不同，用户可以用手绕着物体做运动，如从侧面看，或从底部看，zSpace 会根据用户的动作显示正确的观看角度。要想看到显示屏所产生的3D 图像，用户还需要佩戴一副特殊的眼镜。这副眼镜还有其他用途，除了为每只眼睛显示不同的图像（实现3D 效果），还可以用来反射红外线，以便让内置在显示屏内的摄像头能够跟踪用户头部运动（包括眼球运动）。

zSpace 的教育软件工具分为：（1）素材包：超过1000个模型（历史文物、建筑、考古学、人体解剖、太阳系、植物学、动物学、工艺、交通工具、雕塑）；扩充模型库；多种模型操作工具（量尺、拆解、切片、标签）；导入专属的3D模型。（2）学科、艺术软件：zSpace STEAM 课程软件家族成员越来越多，除了Studio(工作室)、牛顿公园、富兰克林实验室、虚拟科学，还有2016年加入的Leopoly（美术软件）、可视化人体、居里夫人元素、欧几里得模型。

三、基于zSpace的物理科技活动设计案例

本案例是一个基于zSpace 设备的小型物理综合实践比赛活动，使用设备自带的“牛顿实验室”和“富兰克林实验室”软件设计两个比赛项目，分别为《愤怒的小球》和《修复四轴飞行器》，两个比赛难度前者容易后者较难，都需要学生在掌握软件操作的基础上，利用已有的物理知识、探究精神和发散思维去完成。

《愤怒的小球》设计的目的是让学生在虚拟现实的环境中可以精准控制力的大小、方向以及观察物体的移动轨迹。通过游戏比拼的方式让学生领悟力会改变物体的运动，重力会使它的轨迹弯曲。《修复四轴飞行器》设计的目的是让学生在虚拟现实的环境中直观地观察电路中的电流以及每一个元器件，引导学生进行故障排查。学生在比赛的过程中经历观察、猜想、分析、拆解、组装等环节，并领悟故障排查的基本策略。比赛的整体设计意图是为了让学生在比赛的过程中感受到物理魅力的同时使用zSpace 体验虚拟现实在学习上的应用，做到寓教于乐。如图1为《愤怒的小球》操作界面，表1所示为《愤怒的小球》项目比赛规则，图2为《修复四轴飞行器》操作界面，表2所示为《修复四轴飞行器》项目比赛规则。

图1 《愤怒的小球》操作界面

表1 《愤怒的小球》项目

图2 《修复四轴飞行器》操作界面

表2 《修复四轴飞行器》比赛项目

研究者在某学校高一年级开展了本次的小型物理综合实践活动，参与学生为12 名，均为第一次接触zSpace 设备，分数从2 分到40 分不等。活动结束后对比赛设计者（一位教师）、技术支持者（一位教师）、学校组织者（两位教师）及4 名分数不同段的学生进行了问卷调查，调研问卷问题设置如表3所示。调查显示学生对此教学工具都很感兴趣，并认为在数学、物理、化学、生物等学科都可以使用。有教师认为该设备虽在一定程度上会让教学变得比较有趣，但总体感觉更适合于小学教学，高中阶段更多地会向逻辑思维转移，小学和初中早期会需要感官刺激更多一些。

表3 调查问卷问题设置

四、物理活动案例分析

在对本次活动举办情况实际调研后，得出以下结论（如表4活动与优势分析和表5活动），供研究者参考。

1.特色与优势

混合现实优化知识点呈现方式。本活动设备采用VR 和AR 技术结合的MR 技术，将物理环境虚拟化，再现了教学中较难实现或成本高的知识点应用场景，学生可进行多次操作练习，不用担心器材教具损坏、设备爆炸、数量不足等客观存在的问题，同时增加了学习的趣味性。

活动设计理念突出寓教于乐。使用在教育界尚未普及的混合现实技术教学软件，学生都表现出了好奇和欣喜的表情，都能积极探索完成比赛任务，并且在比赛后仍然探讨相关知识点问题；教师专注点在于活动是否能让学生快乐、提高素养和思维训练，而非成绩，体现学校“育人”大于“教书”的理念。

促进学生探索发散思维。学生普遍表示对自己的成绩满意，对本次活动觉得有趣。不满意成绩的学生是因为操作不熟练，平时没接触过此种设备。成绩偏高的学生能够自己探索出经验规律，能够对比赛规则提出改进建议。学生能够对该设备的迁移应用发表自己的意见，大多数表示该设备可应用到物理、数学、生物和化学等学科。

帮助学生开展分层训练。本次活动设置了难度不等的两个项目，能力较强的学生在第一次接触该设备时能快速上手找到操作方法，结合已有经验知识和新方法尝试探索解决问题路径；就同一个项目来讲不同能力的学生会获得不同的灵感，得到灵感的学生会迅速找到技巧，掌握知识点在虚拟场景中的实际应用。

表4 活动特色与优势

2.建议

活动时长设置需合理。本次比赛时间较紧张，由于学生第一次接触，赛前没有时间让学生充分了解设备，赛中第二个难度大的项目很多学生没有时间完成，只有几个学生只是独自完成了一个四轴飞行器的修复。建议活动时间根据比赛难度和环节做好时间划分。

做好学生赛前准备工作。本次比赛学生陆续到来，原定的讲解环节晚来的学生没有听到，导致个别学生操作受阻，不能很好地体验完成知识点的探索学习。建议对学生进行前测和后测以做出合适充分的准备工作。

活动主题与内容需匹配。本次活动题目为科技活动，但比赛项目仅为物理知识，可以更换主题或增加活动主题内容。建议之后举行活动的主题更加符合内容，如果定义为科技活动可以再增加一些其他学科的知识点操作项目。

教师探索精神仍需提升。本次活动观察到，在备赛区域有供师生使用的VR 设备，内含小游戏供师生练习，但发现在第一个游戏的体验中，使用者不知如何操作或仅操作了两三次没反应后，旁边辅助教师第一反应是去查询说明书，而不是自己尝试着去用手柄进行不同操作实践。建议教师也应养成积极主动的探索试错精神。

表5 活动建议

五、总结

本文研究的案例是混合现实设备zSpace 在教育教学中应用的初步尝试与探索，通过比赛的形式让学生学习物理知识，提升物理素养，促进学生科学探究及发散思维的养成，为虚拟现实和增强现实在教育教学中的应用提供参考，也为日后开展此类型活动提供借鉴。