基于VR/AR技术的创客教学模式研究

2020-09-02金彩云刘鑫李耀锋

软件导刊 2020年8期

金彩云刘鑫李耀锋

摘要：为解决创客教育实践中出现的跨学科知识点无法整合、创意难以激发、教师地位缺失等问题，将VR/AR技术应用于创客教育，搭建高参与度、高创意度与高素质协作的创客教学模式。以《Arduino创意机器人》中《闪烁LED》为例开展课堂应用，取得较好教学效果。探究创客教育教学模式，借助VR和AR技术挖掘更完善的教学模式与教学活动方式，为创客教育发展提供参考。

关键词：创客教育;VR;AR;教学模式

DOI：10. 11907/rjdk. 201702 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：G434文献标识码：A 文章编号：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

随着智能化时代到来，世界各国把创新能力视为国家竞争力的核心要素和教育教学培养人才目标。党的十七大报告提出把自主创新作为国家发展的基本战略。2018年2月11日，教育部印发《2018年教育信息化和网络安全工作要点》，指出“推进信息技术在教学中的深入普遍应用，开展利用现代信息技术构建新型教学组织模式研究”，要求探索信息技术在众创空间、跨学科学习（STEAM教育）、创客教育等教育教学新模式中的应用，逐步形成创新课程体系[1]。

创客教育是一种基于学生兴趣，引导学生在项目式学习活动中激发创意，锻炼动手能力，培养团队合作精神和创新能力的一种教育。我国创客教育与国外相比，起步时间晚，教育理念发展不完善，地区发展水平不平衡，在推广过程中困难重重。本文将虚拟现实（Virtual Reality）技术、增强现实（Augmented Reality）技术与创客教育交叉应用，利用VR和AR技术的沉浸性、交互性与想象性特点，创建高参与度、高创意度与高素质协作创客教学模式。

1 创客教育与VR/AR技术融合可行性分析

虚拟现实技术是一种综合计算机多媒体技术、计算机图形技术、传感器技术、人機交互技术、网络技术以及数字仿真技术等多种信息技术发展起来的计算机领域新技术[2]。增强现实技术则是利用计算机将虚拟信息应用到真实信息中，二者有机叠加产生新的三维信息，增强人们对真实世界的感知与认知[3]。基于VR/AR技术的产品在医学培训、军事实训、建筑设计、图书馆等非正式学习领域取得了很好的教学效果。zSpace是美国硅谷的一家公司在STEM教育理念下研制的虚拟现实系统一体机，通过虚拟现实环境改变人们探索、研究与设计事物方式，加深数字化学习体验深度，提供激发学生好奇心、增强理解能力的终极学习体验[4]。VR/AR技术在人才培养过程中强调真实场景学习体验，VR技术为学生创设更加直观真实的学习任务与情境，由表及里、由内到外交互体验，让学生在虚拟环境中观察、探索与实验，从而加深对知识的理解，激发学习兴趣[3]。

创客教育是培养大众、学习者特别是青少年学生创新精神的教育形式[5]。创客教育是创新教育的一种形式，它适应科技创新国家发展战略，是培养创新型人才的重要途径。

从教育目的角度分析，创客教育与VR/AR技术融合具有可行性。创客教育利用技术与环境，以主动、探究、合作的方式在主动探究过程中培养创新精神与实践能力，VR/AR技术利用多图层、无缝叠加分析技术提供沉浸式、趣味式、交互式学习环境，锻炼学生整合多元知识，培养综合思维和创新能力。VR/AR技术根据区域特征个性化设计VR场景与互动游戏，在问题引导下让学生体验、观察与实践，有利于培养创新精神与实践能力，这与创客教育目的不谋而合。

创客教育理论基础——建构主义，主张以学生为中心，教师作为辅助者帮助学生进行主动的意义建构。VR/AR技术支持沉浸式教育，以情境认知教学为基础，利用技术与资源使学生真正参与到学习活动中。由此可见两者是相互促进关系，这也是创客教育与VR/AR技术融合的理论基础。

由此可见，创客教育与VR/AR技术融合具有可行性。创客教育理念可指引VR/AR技术应用于教育领域，使用VR/AR技术可促进创客教育实践与发展。因此，在培养创新人才目标导向下，一条有效的途径就是促进创客教育与VR/AR技术有效融合，以创客教育理念推动VR/AR技术支持下的沉浸式互动教育。

4.2 教学活动设计

（1）知识学习阶段。通过VR/AR桌面教学系统呈现打开LED灯、关闭LED灯以及LED灯闪烁的虚拟情景，引起学生兴趣，将LED与Arduino控制器数字口的连接引入课堂。学生通过沉浸式虚拟环境了解制作闪烁LED原理，使原本枯燥难懂的知识点在VR技术呈现下变得有趣。让学生自主操作电路，在虚拟环境中消除危险性，如图3所示。

（2）情境思考阶段。在此阶段，教师让学生在VR/AR桌面教学系统上一键操作LED灯闪烁，并结合LED与Arduino控制器数字口连接原理进行知识内化。教师通过VR技术展示控制LED灯模仿型项目流程并发放模仿型项目资料，见表1，学生进行小组协作学习，在VR技术支持的模拟电路环境中体验LED与Arduino控制器数字口连接，深入思考Arduino三合一控制板、黄色红色蓝色LED、USB线、面包线关系。

（3）操作练习阶段。在学生掌握原理与编程技能后，教师需要给学生留出时间进行体验操作，对学生操作过程进行指导。学生在虚拟环境中通过反复模仿尝试，加深对LED与Arduino控制器数字口连接的理解，掌握程序编写要点，体验一般程序编写过程。

（4）研究方案阶段。此阶段学生已经理解模拟项目相关知识点，教师要引导学生思考，激发学生创意，如通过询问“LED与Arduino控制器还可以控制什么”引导学生进行研究。学生研究解决方案并利用仿真环境以不同方式解决问题。通过模拟交互环境的学习，即节省现实操作成本，也避免在真实环境修改电路的危险性。

（5）创造学习阶段。创造阶段离不开教师指点，但更重要的是学生自身创新素养。在此阶段，教师是“导演”，学生是“主角”，教师因势利导，适当启发学生产生新的想法并协助他们实现想法。情景性教学帮助学生改进产品设计、装配、维护维修、布局规划等，有利于培养创新意识与创造能力。

（6）分享交流阶段。此为最后阶段，课堂进行小组互评、师生互评、组内评价、展示研究成果，分享在研究过程中遇到的问题和解决办法。学生梳理要点，从评价反馈中了解其目标达成程度。评价具有方向性和激励性，加强师生交互，有助于培养学生创新的信心。

5 结语

国外创客教育已经发展的很好，但在国内依旧是新型教育，尚缺成熟的研究与实践。创客教育强调在创造中学习，但在实践中容易出现跨学科知识点无法整合、创意难以激发、教师地位缺失等问题。VR/AR技术利用沉浸性、交互性、构想性特点服务于创客教育，有利于帮助学生在沉浸性课堂上整合多元知识，发现问题，激发创意，培养创新思维。本文结合VR/AR技术特点，搭建一高参与度、高创意度和高素质协作创客教学模式，促进创客教育实践健康发展。

基于VR/AR技术的创客教学模式，既融合了知识学习与项目创新界限，又获得了开放、多元的教学方式。基于虚拟现实技术的创客教学模式，重视知识掌握与操作技能训练，关注学生思考、实践、创新、评价和分享。资源的开源性与技术门槛的降低，使越来越多的教育工作者开始了创客教育教学探索之旅[14]。从VR和AR的技术角度挖掘更完善的教学模式与教学活动方式，能为学校创客教育发展提供源动力。

参考文献：

[1] 教育部. 2018年教育信息化和网络安全工作要点[EB/OL]. https：//baike.baidu.com/item/2018年教育信息化和网络安全工作要点/22433103？fr=aladdin.

[2] 敏，韩丰. 虚拟现实技术綜述[J]. 软件导刊，2010，9（6）：142-144.

[3] 季至宇. VR与AR技术教育应用研究[J]. 软件导刊，2017，16（10）：220-222.

[4] 张欣. 基于zSpace的虚拟现实技术在地理教学中的应用[J]. 教学研究，2019，42（3）：92-95.

[5] 董黎明，焦宝聪. 基于课程融合的创客教学设计与应用模型研究[J]. 中国电化教育，2018，17（3）：89-96.

[6] 朱丽，赵汉华. 从接受到体验：一种学习方式的转变[J]. 教学研究，2003，26（2）：98-99.

[7] 何娜，温瑞虹. 虚拟现实技术在高校地理教学中的应用研究 [J] . 教育教学论坛， 2015，48（9）：165-166.

[8] 张冰，朱林珍，张爱国. 虚拟现实技术在地理教学中的应用[J]. 中学地理教学参考，2017，16（3）：40-42.

[9] 陈华明，吴建平，方芳，等. 虚拟现实技术在历史教学中的应用[J]. 软件导刊，2019，18（2）：190-193.

[10] 季至宇. VR与AR技术教育应用研究[J]. 软件导刊，2017，16（10）：220-222.

[11] 樊雅琴，王炳皓，王伟，等. 深度学习国内研究综述[J]. 中国远程教育，2015，14（6）：27-33.