基于虚拟现实技术产品zSpace的教学活动设计

☆ 王珠珠 马玉慧

（渤海大学教育与体育学院，辽宁锦州 121000）

基于虚拟现实技术产品zSpace的教学活动设计

☆ 王珠珠 马玉慧

（渤海大学教育与体育学院，辽宁锦州 121000）

随着社会的发展和人们对教育关注度的普遍提高，虚拟现实技术被越来越多的应用到教育领域中。本文以虚拟现实技术的新兴产品zSpace为研究对象，对虚拟现实技术在教学中的应用、zSpace的硬件设备、软件工具和STEAM课程进行了介绍，并对zSpace在教育中的应用情况进行了阐述，梳理出了虚拟现实技术在教育中开展交互学习的优势和存在的问题,探讨了新兴技术在教育中的支持作用，以期能通过此探究对虚拟现实技术在教育领域的深入应用提供借鉴。

虚拟现实；zSpace；教学活动；交互学习

一、研究背景

虚拟现实、人工智能和机器人是习近平主席在G20杭州峰会上重点提及的未来三大核心技术。伴随着虚拟现实技术的发展，利用虚拟现实技术实现学习空间的转变，探索深度学习方法，实现教育模式的新变革，已经成为目前教育界的研究热点。早在2014年，国务院发布的《关于加快发展现代职业教育的决定》中就明确提出要利用信息化手段扩大优质教育资源覆盖面的有效机制，支持与专业课程配套的虚拟现实仿真实训系统的开发与应用[1]。2017年1月国务院印发的《国家教育事业发展“十三五”规划的通知》中也提到要积极发展“‘互联网+’教育”，全力推动信息技术与教育教学深度融合，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。同时也再次强调，要推动学校网络仿真实训环境建设[2]。随着虚拟现实更多的介入到教育领域，对虚拟现实VR教育的探索也引起了更多业内人士的关注，而教育部也开始探索如何将VR技术引入课堂教学，教育部最新印发的《2017年教育信息化工作要点》中提出启动基于VR的实验实训平台建设，完成“‘互联网+’智慧教育”示范基地建设[3]。教育是民生之基础，一直以来都是人们关心的话题，教学是实现人才培养目标的重要途径，亲身体验往往比教师的言传更能加深学生对知识的理解和掌握，从一系列已出台的政策可以预测，未来教育中，“虚拟现实技术+教育”的新型教育模式的发展态势不容小觑。

二、虚拟现实的教学活动介绍

教学活动设计是系统解决教学活动中所遇到问题的过程。教学活动设计主要包括以下步骤：一是发现教学过程中遇到的问题；二是选择建立解决问题的方案；三是对所建立的方案进行试行；四是对教学活动过程和结果进行评价；最后是查漏补缺并修改活动设计方案[4]。传统的教学活动是基于客观主义的，学生对知识的学习是基于教师不断的讲授式教学和学生根据教师的讲授不断积累的过程，也就出现了学习的填鸭式，题海式问题，而忽略了学习策略、方式的选择，只是一味的强调结果，致使不少学生对学习失去兴趣。同样，这种重复式的教学也容易让教师失去对知识的创新能力，使其对自身职业产生疲倦感。

（一）虚拟现实教学活动的理论依据

虚拟现实应用于教育是以认知理论、建构主义及模拟法则为理论依据，对教学活动进行设计[5]。结合技术在教育中的应用历程，新技术应用于教育对教学方式、手段的变革以及促进人们对教育的思考等都有一定的积极意义。让学生接受一个新的学习工具，首先应是从认知心理出发，考虑学生的已有经验和对情境的理解。建构主义理论认为，知识的构建来自于学习者的体验，虚拟现实技术应用于教育教学相对于传统书本上的知识增加了学习者的参与和体验，通过虚拟教学平台的搭建和多种资源的呈现，更有利于学习者知识的建构。模拟法则在工程领域运用较多，包括物理模拟和数学模拟两大类，将虚拟现实技术应用于教育中，主要用的是物理模拟，如虚拟实验室，虚拟模型等。虚拟现实提供了直观、交互的平台，可以帮助学习者更好地理解知识。

（二）虚拟现实教学活动的特点

虚拟现实以其仿真、交互等特性，给学习者提供了情景化的学习活动，通过自主探索、交互等方式体现了学习过程中学习者的主体性，学习任务变得更加的多元化，因此评价方式也不断趋于多样化。这种可视化虚拟现实技术让学习者通过体验式的学习方式加深了对知识的理解和运用，对创造性思维的培养也起到了积极的作用。

1.zSpace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，让用户体验到超出传统技术环境的感受。在美国本土已有上万的学生使用zSpace STEAM（science科学，technology技术，engineering工程，art艺术，mathematics数学）实验室课件进行学习。2015年zSpace面向中国教育、医疗、仿真、设计与培训等领域，在北京正式推出了全球首个一体式桌面应用虚拟现实解决方案——zSpace300。zSpace一体机是一个虚拟现实平台，主要采用触觉（通过触摸和力反馈与虚拟对象交互）、3D技术和VR技术[6]。它允许用户把看到的虚拟对象从设备中拿出来，360度旋转，甚至拆分。在这个虚拟环境中，蝴蝶可以飞翔，人的心脏有跳动的节拍，创造了栩栩如生的沉浸式和交互式的体验，为用户提供了一种全新的学习方式。zSpace是世界上第一个成熟的桌面沉浸式3D虚拟交互学习平台，完全脱离传统鼠标的创新交互模式，可以帮助学生沉浸在虚拟3D世界中做学习探究及实验。zSpace专注于科学技术工程数学教育、医疗教学及企业培训领域，通过逼真的虚拟现实技术应用，可以启发和加速学习者的理解。zSpace曾获选《技术和学习》杂志颁发的“最好新产品”称号。zSpace创新实验室方案获得了由国际智慧教育展览会组委会颁发的2016“校园好方案”[7]。

2.虚拟现实教学活动的特点

教学内容有外在形式和内在结构之分，虚拟现实与教育相结合教学内容以最有效、直观的形式呈现出来，不再只是简单的理论验证和记忆。传统的教学内容以课本为载体，以教为主，具有顺序性，虚拟现实技术提供了一种动态开放的教学资源，既注重知识的形成过程又注重知识的结构，学习资源呈现出非线性的网络化特点，这也有助于学习者对知识的迁移学习[8]。

教学手段上，利用虚拟现实的情景化教学环境能够把抽象概念、原理、实验等生动的表现出来，促进教学手段的科学化和高效化。让学习者通过自主探究，发现、协作的方式进行知识的学习，真正的理解学习内容，教师应注意引导学习者观察、思考、交流，从而达到素质教育的目的。

三、基于虚拟现实的教学活动设计的案例与分析

（一）教学内容分析

本节内容选自九年级下册第二十九章《投影与视图》第二节《三视图》，本节是本章的核心内容，主要讲物体的主视图、俯视图、左视图之间的位置关系。本节课的逻辑性、理论性很强，重点培养学生对三视图的理解，并能正确画出简单图形的三视图；难点是能够熟练地运用Studio Chinese和沙盘观察立体图形的三视图。三视图的含义主要是靠学生在运用zSpace进行学习的过程中逐渐理解，学生对运用zSpace认识三视图方法的掌握既是重点也是难点，主要体现在对简单立体图三视图的认识以及复杂立体图形三视图的理解方面,由于学生第一次接触三视图概念，而且zSpace中所提供的立体图形足够多，所以学生可以利用这些模型进行对比、归纳总结学习。学生已经学习了投影，因此对本课的学习，实际上是引导学生在实际生活中学会运用所学知识和数学思想并锻炼学生的空间想象能力。

（二）学情分析

学生通过七年级上册第四章《图形认识初步》和上一节投影的学习，对视图与投影已经有了一些感性认识，在此基础上借助虚拟现实平台通过对模型的观察和动手实践可使他们在原有的认知结构的基础上把对几何图形的感性认识上升到理性认识。在运用虚拟现实平台进行教学活动设计模式中，分小组学习是一个重要环节，学生可以通过小组交流学习实现更好的学习效果。

（三）教学目标

根据教学内容和学情分析，确定以下教学目标：

知识与技能：从观察模型和投影两个角度理解三视图的概念。

过程与方法：（1）通过zSpace找到Studio Chinese和沙盘并打开（实践观察等活动使学生知道物体的三视图与正投影的相互关系及三视图中位置关系、大小关系）。（2）通过对概念的认识以及对模型三视图的理解能画出简单几何体的三视图。

情感态度价值观：学生在实际生活中学会运用所学知识和数学思想并锻炼空间想象能力。

四、教学活动设计

（一）利用zzSSppaaccee从不同角度观察模型

一是联系生活,引导学生思考生活中有哪些几何体，让学生小组讨论后回答提出的问题。总结学生的答案并展示生活中常见的几何体。二是与学生一起回忆之前学习的zSpace的操作，运用Studio Chinese和沙盘找到立体图形并打开。三是思考从前、侧、上三个角度观察模型，思考不同的角度观察图形的异同。四是小组交流三个不同角度观察的相同点与不同点。五是思考只观察一个面的投影能完整地反映这个物体的形状和大小吗？如不能，还需哪些投影面呢？

（二）认识三视图

通过前面从三个不同角度对模型的观察，引入三视图的概念。让学生从不同角度观察模型，并画出三视图。回顾上节课投影的知识，从投影的角度理解三视图，根据物体在不同方向的投影画出三视图。

（三）总结画法

对所学知识进行归纳总结，引导学生总结出三视图的画法，有什么规律？小组成员进行讨论，认真观察模型然后讨论，对规律进行总结记录，最后教师通过对不同小组提问的机制，促进小组养成交流习惯。学生讨论后，教师展示三视图的正确画法，通过纠错、归纳总结的方式加深对知识的学习，并对学习过程中认真观察模型，积极参与讨论的学生提出表扬，通过这种评价方式端正学生的学习态度，提高学生小组讨论的积极性。

（四）动手画三视图

教师展示相对复杂的立体图形，运用总结出来的三视图的画法，引导学生画出立体图形的三视图，并布置练习作业，这样能起到举一反三、拔高知识难度和加深学生知识掌握的作用。

（五）内容小结

教师引导学生总结本节课所学内容，是对所学知识的巩固也是锻炼学生对知识的抽象概括能力。一是画一个立体图形的三视图时要考虑从某一个方向看物体获得的平面图形的形状和大小，不要受到该方向的物体结构的干扰。二是在画三视图时，三视图不要随意乱放，应做到俯视图在主视图的下方，左视图在主视图的右边，三个视图之间保持：长对正，高平齐，宽相等。

五、虚拟现实的教学活动分析

在我国的教育事业中，传统的教学方法延续已久，人们也逐渐意识到它的弊端与不足。虚拟现实技术让一些以往只能通过书本和文字了解到的内容直观的展示给学生，而不再是抽象的、概念上的认知，可带给学习者沉浸式的直观体验。虚拟现实技术以其仿真、交互、安全、沉浸等优势加入到课堂中，让学习变得更加直观、形象、生动，解决了传统学习中部分场景无法在现实课堂中呈现的问题，调动了学生的积极性，可使学生身临其境的进入微观世界，激发学习的兴趣和热情。虚拟现实技术缩小了教育与社会的差距，改变了学习者的思维方式，影响着学习者对外界时空、自我的认识，对学生学习能力和学习效率的提高都有着不可比拟的优势。

人类文明的口授言传其实就是对现实的一种虚拟，但是在教学实践中，亲身经历、亲身感受比空洞抽象的说教更具说服力，主动地去交互与被动地观看有着质的差别[9]。在zSpace中的STEAM教育理念，允许学生自己动手完成他们感兴趣的项目，在这个过程中掌握跨学科的知识，体现了个体差异化教学的重要性、注重拓展性思维训练、与人合作能力培养、动手能力的培养以及潜能开发等。zSpace能给学生带来终极的沉浸式学习体验，学生通过交互深入理解概念。而且，zSpace能够引导学生积极投入到复杂的课程中，同时降低实验室的意外风险。zSpace的教育和科研解决方案，有效的帮助了学生、教员及研究人员来理解、教授以及解决有挑战性的问题。美国很多学校都在使用zSpace开发创新性解决方案，提供激发兴趣的教育方法。随着zSpace的不断改进，根据国内的课程标准和教育环境，STEAM平台越来越本地化，更契合我国学生的特点，虚拟现实技术将为中国的教育方式翻开新的篇章。随着互联网、大数据、云计算等信息技术的发展，促进信息技术与教育教学的深度融合将成为一个重要问题，zSpace对学习空间的变革，探索深度学习的方法也将助力中国教育信息化走向“深度融合，引领创新”的新阶段。

六、总结与展望

不同的时代，教育的传承方法、传承内容都会发生变化，信息时代教育是伴随着信息技术的发展及其在教育中的应用不断变化的，教育从内容、形式、方法和组织等方面都将发生根本性的变革。虚拟现实技术可以让教学更具吸引力，可以增强代入感，并且能吸引学生，未来它将在教学设计和内容研发等方面发挥重要作用。

虚拟现实技术应用于教育需要得到政府的大力支持和引导，这样才能提高教师和企业的积极性。也需要企业更好的制作与投入，只有实现了商业化运营，公司才会有更大的热情，加大投资力度。学校、教师也应不断改变传统教育方式，学习和掌握新产品新技术，让虚拟现实技术真正的为教育所用，服务于教育。专业教师、政府、公司三方面结合起来，虚拟现实教育才有可能更好地弥补传统教育的不足，服务于教育[10]。“‘互联网+’教育”为教育信息化和教育变革带来了机遇和挑战，需要加强跨界融合，整合教育界、政府、企业以及整个社会的力量，才能更好地发挥互联网的作用，更好地实现教育现代化。虚拟现实设备zSpace作为前瞻性的教学工具能通过立体显示和头部跟踪技术，带来直观的全景画面，这将会成为教育变革的助推力。

[1]陈琳,陈耀华,乔灿,陆薇.教育领域综合改革开局之年我国教育信息化新发展——2014年中国教育信息化十大新闻解读[J].中国电化教育,2015,(01)：138-145+4.

[2]教育部.关于印发《教育信息化“十三五”规划》的通知[Z].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A16/s3342/201606/t20160622_269367.html.

[3]2017年教育信息化工作要点·核心目标[J].现代教育技术,2017,27(03)：70.

[4]郭绍青.信息技术教育与学科课程整合[M].北京：中国人事出版社,2002.

[5]黄荣怀,马丁,张进宝.信息技术与教育[M].北京：北京师范大学出版社,2008.

[6]2016zSpace中国市场关键词盘点.zSpace官方平台,2017,(01).

[7]未来教育改革zSpace或将成为助推力.zSpace官方平台,2015,(10).

[8]李慧颖,马玉慧.基于项目体验的创客课程教学设计[J].中国教育技术装备,2017,(04)：85-87.

[9]汤跃明.虚拟现实技术在教育中的应用[M].北京：科学出版社,2007.

[10]张志祯.虚拟现实教育应用：追求身心一体的教育——从北京师范大学“智慧学习与VR教育应用学术周”说起[J].中国远程教育,2016,(06)：5-15,79.

[编辑：庄丰源]

江西浮梁多管齐下构建助学网络

“我虽然家境贫困，却能靠助学贷款顺利读完大学，在全球500强的公司就职，想到这一切真的很感激。”这段话来自华为技术有限公司员工计丽红近日写给江西省浮梁县教体局学生资助管理中心主任吴新平的信。计丽红2009年考上大学时，生源地助学贷款解了她的燃眉之急，帮她圆了大学梦。

计丽红考上大学时，父母均已年过六旬，而且一度身体不好，家中债台高筑，入学需要缴纳的5500元费用对计丽红一家来说是一笔巨款。在浮梁县学生资助中心帮助下，计丽红获得了6000元生源地助学贷款，此后读大学的4年里，生源地贷款让她顺利完成了学业。

在浮梁县，像计丽红一样得到政府资助得以完成学业的寒门学子还有很多。“让贫困家庭的孩子及时得到资助是教育工作者的责任。”浮梁县教体局局长程根才说。

浮梁县实施教育精准扶贫，对来自1500多个建档立卡贫困家庭的学生实行“五免”：校服、作业本、义务教育阶段“规定目录教辅”、普通高中“电教教材、音像教材”以及“学生、幼儿意外伤害身故保险”投保费用全部免费。同时，建档立卡户学生就读普通高中和中职学费全免，义务教育贫困家庭寄宿学生均可得到生活补助。近年来，浮梁县实施农村义务教育学校营养午餐改善计划，推行普通高中、中职国家助学金制度，以及高考入学政府资助金制度，多管齐下，构建了全方位多层次的助学网络。

为了把助学工作落到实处，浮梁县强化对资助流程的管理，建立了培训和互查制度。近10年来，全县共有3810人获得生源地助学贷款共计2403.7万元，两万名中小学生享受到了县本级营养午餐，63998名中小学生受到资助，5708名职业高中学生获得了资助资金。

（徐光明 雷杰能）

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1671-7503（2017）21-0034-04