VR与3D教育的育人价值分析

李红印 梁森山 教育部教育装备研究与发展中心

2009年3D电影《阿凡达》的巨大成功，让人不禁遐想能否“像看3D电影一样地学习”？

2013年美国新媒体联盟（New Media Consortium）《地平线报告（基础教育版）》[1]首次将3D打印技术列为教育领域未来4至5年内待普及的创新型技术，引发了校园开展3D打印教学的风潮。

经过教育界多年的努力，VR与3D教育的概念、内涵和外延得到了细致地梳理[2][3]，理论建设和教学实践都取得了很好的进展[4]，但是对VR与3D教育的质疑，一直存在。为了3D教育的持续发展，我们不得不认真思考“3D教育的价值何在”，笔者从诸多元素中筛选“知识可视化”“模型思维”和“深度学习”作为3D教育的核心价值。之所以这样梳理，原因是：第一，VR与3D教育特性的研究成果，都可归为“知识可视”和“模型思维”；第二，“知识可视”和“模型思维”是通往深度学习的阶梯，而且是一条人人可以触摸的阶梯。

图1 知识可视化

图2 视觉知识和文字知识（语言文字为载体）

● 3D与知识可视化

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》必修模块1要求：“在教学过程中，教师可提供日常生活中的应用案例，引导学生分组谈论数据采集、分析和可视化表达的方法。”可视，即可视化[5]，原意为“可以看得见的、清楚地呈现”，作为一个学术名词，“可视化”（Visualization）是指利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像，以直观的形式在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。[6]

计算机图形学的快速发展使得3D可视技术得以形成，这些3D可视技术使我们能够再现3D世界中的物体，能够用3D形体来表示复杂的信息，这种技术就是3D可视化技术（3D Visualization）。[7]

20 0 4年Ep pler,M.J.和Burkard,R.A.在科学计算可视化、数据可视化、信息可视化基础上提出“知识可视化”的概念，即用来研究视觉表征在提高两个或两个以上人之间的知识传播和创新中的作用，是用来建构和传达复杂知识的图解手段。除了传达事实信息之外，知识可视化的目标在于传输见解、经验、态度、价值观、期望、观点、意见和预测等[8][9]，并以这种方式帮助他人正确地重构、记忆和应用这些知识，如图1所示。

知识可视化的主要理论基础是双重编码理论——同时以视觉形式和语言形式呈现信息，以增强记忆和识别（如图2）。

随着科技的发展和人们对知识可视化要求的不断提高，知识可视化表现出以下发展趋势：一是2D到3D的转变。当前的知识可视化技术大多是依靠计算机的2D屏幕实现的，将很快与3D和VR技术相结合。二是静态向动态、交互的转变。知识可视化不能仅仅是为了知识传输的静态对象，而是需要建立一种迭代的、协作的过程，使得可视化过程动态发生。

知识和概念的可视化正是希望提供3D、高清、高品质视觉化媒体形式，极致呈现真实的科学现象，从而促进相关学科概念的直观化认知和理解。[10][11][12][13]

● 三维建模与模型思维

我们生活在复杂多变的世界里，我们身边的事物、环境，甚至我们自身，都在变，一切都在变化之中，而影响变化的因素又很多，该从何处下手呢？模型可以起到简化分析变化因素的作用，让我们能够快速抓住主要矛盾，进而找到破解之门。

在科学研究领域，运用模型也是必须的手段和思维方式，甚至有人说“没有模型，就没有近代科学”。[14]经典的惯性定律、能量守恒、光线沿直线传播，较为现代的原子理论、量子论、电磁场理论，以及知识、概念、定律，甚至语言等，都是模型。模型是贯通“虚拟”（概念）与“现实”（实体）的桥梁，如图3所示。

图3 模型思维

图4 “模型、建模、仿真、模拟”教学研究过去20年走势图

模型和建模在中小学科学教育中越来越受到重视，《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》选择性必修模块5就新增了“三维设计与创意”，提出“三维设计方法的学习，既有利于培养学生的空间想象能力，也有利于开展学生科学、技术、工程、人文艺术、数学等学科综合性的思维能力”。模型的临境性、形象性、直观性、简约性、相似性、主体诠释性等可视化特征，使其能将抽象或难懂的科学知识、概念或原理加以形象化、简约化和直观化,使它们由抽象态还原为学习者可以直接感知的形象态,便于学习者在大脑内形成思维图像,进一步建构起心智模型。

笔者在中国知网以“主题=模型”“主题=建模”“主题=仿真”“主题=模拟”为关键词，检索范围设定为教育理论与教育管理、学前教育、初等教育、中等教育，进行跨库检索，共检索到文献总数为70456篇（检索日期2017年9月2日）。通过关键词筛去与检索主题无关的“大学生、翻转课堂、影响因素和微课教学”，余下文献总数为68174篇。“模型、建模、仿真与模拟”教学研究过去20年的发展走势如图4所示，在经历了2008年的小谷底之后，进入稳步增长阶段，估计2018年会持续走高。

对关键词的分析也显示出这种“均衡性”和“学科关联性”，“模型”“教学设计”“数学建模”“教学”“小学数学”“教学模型”“应用”“多媒体”“信息技术”“教学策略”“物理模型”“课堂教学”“教学模式”“策略”“建模”“数学教学”“高中数学”“初中数学”“实验教学”等近乎均匀地“混合”在一起。

进一步对排名前十的关键词进行梳理，笔者发现一个有意思的地方，通过简单的排列组合，可以梳理出下面这段话：基于3D可视化（“多媒体”和“信息技术”）的“模型”与“建模”思想和工具，正推动着中小学学科（数学、物理、化学）“教学策略”和“教学设计”从知识讲解到“应用”（深度学习）驱动。

● 3D与深度学习

深度学习是智能教育、未来学习发展和教学改进的重要方向。[15][16][17][18]无论是心理学领域强调个体参与、个体建构的深度学习，还是教育学领域强调教师引领、个体参与、社会建构的深度学习，都强调“向意义更深处漫溯”——主动探寻知识意义、生活意义、生命意义、社会意义，指向人的核心素养和全面发展。而系统构建面向真实情境的教学、推进跨学科学习、打破固定课时、开展多元的学习实践活动、应用现代信息技术提升学习和评价的个性化水平、拓展教学的时空边界等深度教学策略，才能让深度学习真实发生。

3D技术展现出来的直观性、丰富性、可视化和模型思维，正是通向深度学习的阶梯，这也是把“知识可视”和“模型思维”定为3D教育核心价值的根本原因，如下页图5所示。

深度学习与浅层学习对比

深度学习指向学生的内在学习，关键在于教师的教学。VR与3D教育、STEAM教育或创客教育均以项目式学习为主要学习方式，学习者通过项目式学习来完成学业，获得知识与技能，其间同时获得创新能力的培养。以项目式学习为基础的学习环境，培养了学习者的项目学习能力。这些教育形态不仅深化了学生的项目学习能力，而且更加关注学生创新能力的培养。

教育领域对深度学习的追踪、研究和践行早已开始。2007年，华中师范大学郭元祥教授带领团队开始“深度教学”课堂教学改革实验。阶段性的成果已经显示，深度教学不是指无限增加知识难度和知识量，不是对知识的简单占有和机械训练，而是强调为理解而教，为思想而教，为意义而教，为发展而教，引导学生深层、深刻、深度学习，从符号学习走向学科思想和意义系统的理解和掌握，体现学习的意义感标准、自我感标准、效能感标准三个内在标准。

扬州大学新闻与传媒学院张浩与吴秀娟老师，在《深度学习的内涵及认知理论基础探析》[19]一文中，也详细比较了“浅层学习”和“深度学习”的特征，如左表。

图5 深度学习阶梯

● 结语

“知识可视化”和“模型思维”作为VR与3D教育核心的价值体现，做简单延伸，可以用一句话来概括：“可视化呈现知识、概念与模型并导向学生的深度学习，是3D教育的核心价值。”

关于VR与3D教育的理论建设才刚刚迈出万里长征的第一步，“一方面存疑并不断反思，一方面构建甚至重构”将是今后一段时期VR与3D教育学术探讨的常态，本文正是这种反思与重构并存的尝试与探索，抛砖引玉，希望能够得到更多同行批评指正，共同推进VR与3D教育事业。