zSpace(VR/AR)一体机在小学课后服务中的实践探究

姚月琴

近些年来随着信息技术的飞速发展，教学媒体在教学中的作用日益明显和重要，现代教育技术在教学中的广泛应用，无疑是给学校教育插上了一双有力的翅膀，成为教师进行教学模式变革的重要手段，使教育教学方式越来越多样化。AR/VR技术涉及多个领域，炙手可热，随着VR/AR技术的成熟，与行业的融合越来越深入，在教育教学中，也备受追捧。首先让我们先了解一下VR和AR的概念。VR(Virtuao Reality虚拟现实)最大的特点是利用电脑模拟，产生一个虚拟的三维世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境，在这个虚拟空间内，使用者交互的是虚拟世界的东西，与真实世界完全隔绝。AR(Augmented Reality增强现实)是通过计算机图形学和视觉技术将虚拟的信息应用到真实世界，使得真实的环境和虚拟的物体实时的叠加到同一个画面或空间，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。VR/AR技术在教育中的应用可以将感知世界和学习知识紧密融合起来，搭建起一座学习者和学习内容之间的桥梁。zSpace一体机是一款集VR/AR技术于一体的桌面式虚拟现实与增强现实设备，能让使用者产生高度沉浸感，进行更加有效地学习。

一、zSpace一体机基本介绍

zSpace是一家专注于教育、医疗、企业培训设计等领域的技术供应商，该公司位于美国硅谷。zSpace通过逼真的虚拟现实技术，并融合增强现实技术，让用户产生超出传统技术环境的感受。可以帮助学生沉浸在虚拟3D世界中做学习探究及实验。zSpace一体机是一款集硬件软件于一体的产品。

二、硬件

(一)头部跟踪立体显示技术的显示器

每个zSpace系统都在显示屏中内置跟踪摄像头，跟踪摄像头有跟踪功能。这些传感器可跟踪使用者的zSpace触笔和眼镜。当使用者倾斜头部以环顾对象时，zSpace一体机上的红外线自动感知，会动态更新以完整高清地显示正确的视图。

(二)zSpace 3D追踪眼镜和2D非追踪眼镜

每个一体机上都配有一副zSpace3D追踪眼镜眼镜和2D转换眼镜。为了能够使用zSpace的立体显示，需要佩戴3D眼镜，3D追踪眼镜上有5个反光点，能让使用者看到立体效果并且能够与场景中的对象进行交互处理，为使用者提供完整的体验，使用设备的同学可带上3D眼镜进行操控，而2D非追踪眼镜无法观察到3D效果，只能进行参与，其他同学戴上了它，就可以在不干扰操作同学的情况下，分享操作同学的使用经验。

(三)虚拟交互触笔

zSpace触笔像钢笔一样握持。使用触笔在3D应用程序中进行全方位的动态互动，使用者可以在拾取和检查物体时自然地旋转手腕。可对模型进行放大、缩小、移动、旋转等操作，触笔上的按钮根据打开的应用程序执行不同的操作。

(四)键盘和鼠标

机台附有1个有线鼠标和1个有线键盘。可以使用鼠标和键盘操作传统的Windows应用程序。以及一些支持传统鼠标和键盘的3D应用程序。

三、zSpace一体机的应用软件

zSpace系统软件有多个应用程序，现就本人学校里zSpace一体机中的有使用权限的软件做简单介绍。

(一)3D工作室(也叫Studio)

适合中小学课堂使用的虚拟现实教学工具，包含2000多个模型，300多个课件。3D模型里涵盖多个学科，包括植物、动物、建筑、艺术、历史、生物、人体解剖等，且提供多种交互工具，如导入模型、对模型进行旋转、放大、缩小、拆分结构、测量、尺寸对比、标签等，这些工具能提升学生的动手能力。这里的模型和课件都是在线资源，根据老师的上课需要可以对里面的课件在线使用，也可以把课件下载下来，根据授课需要进行修改再使用。

(二)Leopoly制作软件

适合中小学课堂使用的虚拟现实教学工具，针对美术课程及相关的课外兴趣拓展课。学生通过动手操作，可以直接进行3D模型的创造设计及上色，选取不同的材料进行3D打印，可以培养学生的空间感和创造力，即使是小学生也能轻松上手。制作完成的模型为通用格式，可以连接3D打印机，实时打印。教师也可以根据需要，在Leopoly中制作模型并导入Studio中充实原有的模型库。

(三)国宝博览VR课堂系统

软件通过虚拟现实技术对24件国家级文物影像进行全方位的展示，使用者通过触笔可对文物影像进行拉近、放大、旋转等操作，多角度观察文物细节，再配合软件的音视频讲解和文字介绍，进行探究性学习，让学生感受中华文化的博大精深。

(四)zView软件

zView软件是zSpace一体机自带的软件，提供增强现实模式(AR)和虚拟现实模式(VR)，通过zView软件能进行VR/AR模式的切换，能对屏幕上播放内容进行录制，还可通过投映，让观察者感受到AR的模式。当处于AR模式时，观察者可能和3D资源“互动”，如可以把3D工作室里的手表带在自己的手腕，可以让蝴蝶停在手上，还可以把里面的消化器官“按装”在自己身上，使学习互动更加生动有趣。这个软件一般只在教师机上安装，做演示使用。

四、zSpace一体机在教学中实际应用及价值

zSpace一体机能提供更好的学习体验，将虚拟可视可交互的场景融入真实课堂，增强认知与体验，激发学习兴趣，提高课堂效率。zSpace一体机的资源中心里自带课件都是比较基本的内容呈现。目前多数教师能直接使用自带课件进行授课，如用于社团课。因为社团课的时间长，涉及内容广泛，所以在比较轻松的氛围中更能激发学生的学习兴趣。现结合实际使用过程中说一说zSpace一体机在课堂中教学中的价值。

(一)自然条件下无法实现的

人类对宇宙的探索是无止境的，宇宙中有太多的奥秘，在现实生活或课堂上我们无法亲身体验。如在《探究太阳系》这节课中，可以让学生打开zSpace一体中的3D工作室里的资源，当学生打开资源后犹如置身于太阳系之中，能够全面深入地去了解八大行星，非常清晰直观地观察到太阳系中各行星的位置，通过老师的讲解学习了每个行星的结构特征；里面对地球的介绍最为详细，如地球的内部结构、四季变化形成、白天黑夜的交替，以及各个星球之间的大小对比等。学生通过在太阳系中“遨游”，能激发他们对宇宙探究的欲望。

(二)现实存在，但无法详细观察的

每个生命都有周期，实际生活中对生命周期进行观察需要大量的时间，而且还可能受外界的限制无法进行。如zSpace一体中的资源中心提供的《蝴蝶的生命周期》，呈现出在一个美丽的丛林一角，有只黄色的斑蝶停在那里，如果用zSpace触笔抓取蝴蝶，并进行旋转，带上3D眼镜可进行近距离观察，蝴蝶的触角还会动，犹如拿着一只真蝴蝶一样，当放开以后，蝴蝶还会振动翅膀飞行。山谷中有一片绿色的树叶，当抓取它并旋转后会发现叶子的背面有蝴蝶的卵，在一块石头上有只幼虫在蠕动，这就是蝴蝶的幼虫，蛹挂在树枝上，也可以选取进行观察，最后破茧成蝶，由卵到成蝴蝶两周的时间，不到2分钟就能观察完，而且资源中提供的画面非常唯美，学生在这样形象生动的环境经历了蝴蝶的生命周期，更容易理解和掌握学习内容。又如细胞是真实存在于每一个个体中的，但我们不能通过肉眼看到。细胞的有丝分裂的过程我们也无法用肉眼看到，zSpace一体中的资源中心的《细胞有丝分裂》课件，就动态展示了细胞有丝分裂的四个时期。

(三)已经成为历史，回不去的场景

人类创造了文明，也创造了历史，在人类历史中有许多著名的建筑，受条件的限制我们可能到达不了。如zSpace一体中的资源中心的《古罗马遗址探险》，学生们不受时间和空间的限制，带上3D眼镜，打开资源便可去那里的斗兽场、万神庙游览一番，可利用照相机功能对建筑物里的细节进行参观，足不出户就能行万里路。又如我国有许多珍贵的文物，有的不能近距离观察，而国宝博览VR课堂系统详细地介绍与展示了24件文物，学生们可用zSpace的触笔对文物影像进行360度的旋转，就好像把文物拿到手里把玩，能观察到文物的很多细节，感受中华文明的魅力。又如在zSpace里可了解猛犸象、恐龙等已灭绝的动物。

(四)实验内容不可逆，不能反复等

在科学或生物实验课里有解剖青蛙，每个班要进行解剖，实际操作起来有一定的难度，而且一节课还有可能完成不了，zSpace里的解剖青蛙(可剖分)资源，能将青蛙的肌肉、骨骼进行剖分，还能剖分出青蛙的眼睛、消化系统、肾脏、肺、舌头等，学生可反复操作，通过放大旋转等能清楚地认识青蛙的构成。又如对心脏的认识，在生物课上我们只能通过图片对学生进行讲解，理解起来还是有一定的难度，zSpace里的3D心脏资源做得非常形象，既有心脏跳动的频率，还能听到心脏跳动的声音。而且可以看到人在正常情况和跑步时心脏跳动频率的对比，对心脏里的内部结构也剖分得很详细，如左心房、右心房，左心室、右心室，以及和心脏相连的血管，心脏和心室的瓣膜等都能非常清楚地呈现出来。

(五)教学器具过于昂贵不易建设的

在zSpace里有许多可剖分的资源，如机械里的电机模型、保时捷汽车模型等，学生用触笔可将这些模型进行拆分，认识模型各部件的名称，还可根据提示进行重新组装，这样既能节省资源又能让学生在有限的空间里进行有效的学习。

五、zSpace一体机在课后服务中的教学实践

学校依托银川市中关村科技双创园的区位优势，以“科技创新、协同发展”为学校信息化教育理念，全面提升学校新理念、新目标、新模式、新标准和新追求。为更充分细致地分析“互联网+”教育的课程效果，了解学生和教师对zSpace一体机使用的感受，通过多种形式在教学时间结束后对课后服务的部分学生和授课教师进行访谈。现对教师在课后服务中使用zSpace一体机的成效做如下总结：

第一，教师在课前要做好充分的准备。学校课后服务主要用到3D工作室、VR国宝系统、Leopoly软件，教师一定要熟悉了解这些软件里的功能，熟悉其相关操作。

第二，内容展示要有针对性。根据不同的授课类型使用不同的软件进行操作，要针对学生的接受程度设计授课内容，将zSpace一体机的资源分别按3D工作室、VR国宝系统、Leopoly软件三个方面进行了课程内容的设计，从而完成教学目标。学生在课堂上可通过3D眼镜来操作或鉴赏，会有全面、立体的感受。由于操作时间长，学生自主探究、操作，把课堂还给了学生，体现了学生的主体性。

第三，学生比较喜欢这样的课堂。通过zSpace一体机在课后服务中的实践，学生在这样的课堂上都有良好表现。学生能在课堂积极参与活动，能主动地选择zSpace一体机里的相应资源进行操作或创作，从而助力学校智慧校园建设，促使师生信息化水平和创新素养全面提升，结合学校基本情况和发展愿景不断完善人才培养机制和体系建设。

学生在课后服务中使用过zSpace一体机后，表现为：

第一，学生的学习兴趣浓厚。作为学校新开设的智能类社团课程，为家境较为困难的学生提供了零距离接触科技的机会。以落实立德树人为根本目标，以“创新素养”为立足点，VR社团为载体，认真贯彻落实德智体美劳共同发展的工作任务。学生在整个学习过程中，对zSpace一体机里的3D工作室、国宝VR系统软件、Leopoly软件中的各种功能，都可独立熟练地使用，对这样一款全新的设备非常感兴趣。

第二，沉浸于自己的创作。在我们的课后服务中，除了教师讲授一部分内容外，剩下的时间留给小组进行创作。学生利用3D工作室创作出了许多3D作品，利用Leopoly软件也创作了一些像小猪、花瓶、小狮子等的作品，放手大胆地让学生去操作，学生们在通过力合作，发挥想象，制作出来的作品也很惊艳，从而达到润物无声的育人目标。

第三，学生满意度高。学生通过认识及使用zSpace一体机里面的软件后，都表示课堂灵动、有趣，能够比较专注地投入学习中，在知识和技能方面取得了不错的收获。学生都表示愿意继续学习使用。

zSpace一体机课程在课堂服务中得到广泛运用，其以构建智慧课堂为抓手，进行课堂教学改革，提升了教育质量。通过打造智慧课堂，实现教育理念与模式、教学内容与方法的改革创新，促进和实现教学流程再造、精准教学，满足了师生个性化教与学的需求，落实了“以学习者为中心”的教学理念，拉近了师生与人工智能的距离，激发了学习兴趣，提供了高效的“教”与“学”模式，提升了学校实力和办学水平。

总之，zSpace一体机通过VR/AR技术手段，利用虚拟现实丰富了教学内容，提高了教学效率与质量，强化深度学习与知识迁移，提高了个性化教学的实效性，有利于教育教学信息化的发展。