3D可视化教学资源在教学中的应用研究

董红娟 谢志昆

摘   要：信息化教学的普及离不开数字化教学资源的支持，而3D可视化教学资源将课堂情境与生活情境相融合，不受时空限制，方便传输和使用，很大程度上满足了课堂的教学需求。文章结合《教育信息化2.0行动计划》的纲领性文件明确阐述：基于互联网的大资源观，在实际教学资源开发中需要融入具体的学科课程，迎合当前建设优质的“金课”和虚拟实验室等理念，更好地促进知识资源的数字化以及平面资源立体化，从而改变学生传统的学习方式。

关键词：3D可视化;教学资源;资源开发;应用研究

中图分类号：G40-057 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）13-0060-04

一、3D可视化教学资源的内涵及其特征

1.3D可视化教学资源的内涵

3D可视化技术是一种新的管理、分析和交互数据的方式，能实现高品质、逼真和实时渲染3D图像。3D可视化教学资源是指利用三维场景、动画、立体化图片和可视化等技术来制作教学资源库，目的是使抽象的二维平面教学内容实现直观化和立体化。3D可视化教学资源力图创设一个高度可视化和强沉浸感的视觉教学环境，更好地带给学习者直观化的教学体验。

随着3D教育的重视，越来越多的3D教学资源引入了传统课堂，教师利用3D可视化技术呈现教学资源可以使学习内容更具情境化，方便学生掌握和理解。[1]3D教学资源应用于教育教学中具有创新教学理念、提升教学质量和提高教学效率的价值，但鉴于该资源成本高、投资大以及技术要求高和实践困难，现有的3D数字化教学资源的建设正处于实验探索阶段。因此，在未来课堂教学中，建设符合学生学习需求的3D数字化教学资源，以及促进3D资源与教育的无缝融合是当前教育亟待解决的问题。

2.3D可视化教学资源的特征

3D可视化技术可以给学习者的学习内容营造空间感和立体感的视觉体验，通过3D可视化教学资源还原一个三维世界，让学习者获得如同在现实世界一般身临其境的感受，可以促进学习者认知活动的完成。与传统的教学资源相比，3D可视化教学资源具有自身新的特征，如表1所示。

二、3D可视化教学资源的应用价值

3D可视化教学资源突破时空限制为教与学创设了新的教学环境，革新了传统教学活动方式，利用新技术推进了教学模式的创新。本文基于戴尔“经验之塔”理论、梅耶多媒体认知理论和活动理论视角对3D可视化教学资源的应用价值进行分析。

1.“经验之塔”理论与3D可视化教学资源的融合

戴尔的“经验之塔”理论于1946年提出，随着网络媒体的推广和发展，“经验之塔”也被赋予了新的时代色彩，发挥了最根本的理论指导作用。“经验之塔”按照抽象到具体的学习经验从塔底到塔顶排列，构成了金字塔模型。

“经验之塔”理论在学习过程中，符合学习者的认知规律：从简单到复杂，从具体到抽象。一般来说，直观经验不容易突破客观事物的本质特征，学生学习和运用起来难度较低，学生容易更好地集中注意力，有助于学生有意义学习的发生。由此得到启示，在教学过程中，越是直接具体的经验，越易于学生学习。3D可视化教学资源从具体画面入手，最大程度地构建了直接经验的学习环境。戴尔指出“教学过程中所采用的媒体的丰富化程度很大程度上决定了学习者所建构知识概念的牢固程度”。[2] 3D可视化教学资源的出现，丰富了数字媒体资源，可以给学生带来直观印象，便于理解和记忆。作为教学辅助资源，独特的视觉冲击性和交互性一般伴随着视觉符号和言语符号，一般处于“经验之塔”的塔基，将抽象知识可视化为最具体、最直观的经验，最大程度地支撑其它层次的获取，实现学习内容从具体到抽象的转变，更易于学习者理解。

2.梅耶多媒体学习理论与3D教学资源设计

梅耶基于言语和图像两种多媒体共同呈现材料的方式，构建出“多媒体学习认知模型”，该模型阐释了学习者在学习知识过程中自身的认知过程。梅耶认为，学习者利用多媒体学习是通过视听觉两个通道同时进行，并在通道信息加工过程中要遵循多媒体学习的双通道机制、容量机制和主动加工机制，从而让学习者形成长时记忆。[3]3D可视化教学资源的提出，考虑到学习者学习的认知规律及其有效性，依据梅耶的七条多媒体设计原则进行教学资源设计，其中多媒体认知、空间接近、时间接近和一致性原则的运用，很好地提高了部分学生的注意广度，使学习能够较好地达到教学目标要求;通道原则和冗余原则的运用，减少了学生的认知负荷，使学习迁移能力更容易实现;个体差异原则的运用，根据学习者知识水平的高低，跨越式地构建空间知识体系，丰富了个体与共同体学习环境的构建，能够实现学习者生命的成长与心智模式的完善。

3.活动理论与3D可视化教学资源的整合

活动理论主要包括学习的主体、客体和共同体三个核心部分，以及工具、规则和劳动分工的三个中介成分，从而由核心部分和中介部分所组成的六要素共同构成一个“三角模式”。在活动系统中，教与学中“活动”是核心，人们的行为活动必须围绕核心并以工具为媒介，且需要依托社会环境完成。基于3D可视化教学资源的教学活动是一种在真实而富有意义的学习情境中进行人与外界环境相互作用的活动教学。参考活动理论中的要素构成以及各要素之间的联系，提出活动理论视角下3D可视化教学资源系统框架，如图1所示，该框架以学习者为活动主体，强调3D可视化教学资源的中介性，通过学习规则、学习群体及学习任务分工合理设计课程知识，以3D可视化教学资源和教学工具为中介，更好地在活动系统中串联学习者和学习活动中的交互性，促进交流。

三、基于3D可視化技术的教与学应用

1.构建3D可视化教学资源开发系统

3D可视化教学资源是为了给学习者创设更加符合教学需要的直观化教学场景，设计开发时要充分考虑现实资源的获取和特定教学需要。为了避免制作的3D可视化教学资源与教学实际相脱节，在制作之前进行必要的模型设定。[4]本文从教学实践和学生角度出发，制定出可以直观、形象地呈现教材内容的设计开发系统，如图2所示。

3D可视化教学资源开发系统中，教师和学习者根据自身学习需求向3D资源中心发出请求，从资源使用的角度进行多视角和多维度的教与学活动分层。3D资源中心是整个开发系统的核心，它能够利用互联网及各类3D软件建立起三维模型数据库，以供教学使用。在模型建构环节，既可直接下载三维可视化模型进行精细化处理后使用，又可以根据实际教学需求，采集三维数据，遵循三维可视化资源设计思想与原则进行自主开发，最终依据人机学标准，对交互场景中的图片、文字、声音进行合理设计布局，实现学习者和虚拟环境中良好交互的功能，能够身临其境，进而营造一种“自主学习”的环境。

2.革新传统资源制作方式

传统的数字教学资源都是以幻灯片、视频和二维动画的方式进行制作，大部分内容都以文字和图片形式加以呈现，给学生带来的感官冲击力不足，难以直观呈现教学内容。随着知识可视化和信息可视化时代的到来，单纯的线性文字和图片已经不能满足当前学生的学生需求。3D可视化教学资源采用特定的模型建构形式生动形象地展示教学素材中的二维教学资源，并且特定的教学模型可满足不同的学习需要，革新了传统的二维平面教学资源制作方式，更好地适应教学需求。同时，3D可视化教学资源可以在有限的时间和空间内搭建出特殊的仿真数字教学平台，增强师生教与学的参与度，创设一种交互式、体验式的教学环境，特别是有毒气体的教学实验、重点文物古迹的课堂呈现和医学解剖的虚拟动画实验。如中国科学技术大学的关于物理学科的3D可视化教学资源引进，其虚拟实验平台搭建更好地帮助了师生理解实验原理，提高了学习效率。[5]

3.创新信息时代教学设计新范式

信息时代的教学设计已经成为一个更具挑战性和多学科融合的过程，利用可视化的手段将复杂的教学设计直观化和视觉化，可以更加容易地规划教学活动环节和设计教学模式。3D可视化教学资源为教学提供了新工具，也为教学领域创新提供了技术支撑，更好地创新教学设计新范式。

霍尔蒂在视觉媒体研究方面曾提出，“教学设计者应该结合显性知识和隐性知识特征将教学内容外显化”。[6]换言之，教师应该在可视化技术的支撑下，运用可视化思维将自己的教学理念和教学思想融合到教学设计中，并恰当地传授给学生。将3D可视化教学资源应用于文物修复和博物馆学等专业，可以在以信息技术为支撑的条件下创设一种新的文物课堂教学体验，“智能化”、“直观化”、“人性化”的活动元素，可以促进教师与学生、学生与学生、师生与媒体之间的知识创造与传递，更加易于学生在不受时空限制的真实情境中进行观察、思考和实践活动，最终学生可在虚拟平台上及时对文物进行调整和修复，在可视化的教学设计中提高学生行为上的参与、情感上的投入和思维上的主体发展。

四、3D可视化教学资源应用的思考

“互联网+”时代需要更加多样的学习资源，3D可视化教学资源以其直观化和沉浸性为学习者带来更加立体逼真的视觉冲击。目前，将3D可视化技术与学科课程相结合进行资源开发的方式具有一定的开拓性和前瞻性。但在教学的实施过程中难以普及和应用，主要原因是3D可视化教学资源现存在以下亟待解决的问题。

1.3D可视化教学资源制作成本高、难度大

3D可视化教学资源的制作成本较为昂贵，精细化的三维教学模型制作需要利用3D摄像机到实地进行照片采集，而且对拍摄的过程和图片的精细度要求极高。之后需通过专业的3D绘制软件进行精细化的制作，这过程对计算机的配置较为严苛，最终投入教学使用也需要学生佩戴3D眼镜。一系列过程下来，3D教学资源制作所花费的成本和付出的精力远高于传统教学资源制作，过高的制作成本和颇高的难度极大程度上限制了3D可视化教学资源的普及速度和广度。

2.3D可视化教学资源制作师资缺乏

将3D可视化教学资源引入课堂教学中的目的在于弥补传统教学资源平面化的不足，更好地改变教学过程中的教学环境，而3D可视化教学资源的制作是技术环境搭建的第一步，也是资源使用的核心环节。然而，当前在教学领域缺乏会制作3D可视化教学资源的师资队伍，具体体现为总体数量不足、教师知识与技能不匹配、资源制作与职业素养缺乏等方面。[7]培养3D可视化资源设计与制作的专业教师团队是建设3D可视化教学资源的关键，也是助推未来教育“金课”的重要环节。因此，要想推进3D可视化教学资源在课堂教学中的应用，必须强化师资培养，打造精良的专职教师资源开发梯队，并为其提供一个协作与设计工具兼备的共同体环境，以支持3D可视化教学资源更好地应用于课堂教学。

3.教学中还未体验到3D教学资源的优势

3D可视化教学资源能最大程度地创建空间感和立体感极强的，且易于学习者主动参与体验学习过程的学习情境。[8]但当前3D资源主要出现在广告、影视、游戏领域中，教师和学生接触3D资源基本是在校外生活中，在学校教育中还尚未体验到3D可视化技术带来的视觉冲击和教学优势。当前教育界已经开展的相应教育项目虽然证明，3D可视化教学资源有益于优化课堂教学且激发学生兴趣、提高学习成绩，但关于长期使用3D可视化教学资源是否有持久的正向影响，且怎样将3D教学整合于学科课程中，更好地降低学习者的认知负荷，并在游戏化的教学中完成自己知识点的建构，仍需要进一步思考。

五、结语

未来教学中，学习者需求的不只是理解和识记知识，更多的是建构知识和锻造思维。3D可视化教学资源改变了传统教学资源平面化、表现力不足和缺少艺术性的现状，给“互联网+”时代下的教学资源需求指明了方向，在信息技术支撑下创设的立体、逼真和直观的三维学习环境将成为一种主流趋势，更多的是给学习者带来一种身临其境的学习环境，使学生在学习过程中能高度投入，更好地激发学生兴趣，催生学习创意，从而建构自身知识体系，进而提高课堂学习效率。

参考文献：

[1]闫春霞.面向课堂教学的3D教学资源设计研究[D].武汉：华中师范大学，2016.

[2]耿新锁.戴尔的“经验之塔”理论及其现实意义[J].教育史研究，2003（2）：68-71.

[3]（美）Richard E.Maye著;牛勇等译.多媒体学习[M].北京：商务印书馆，2006.1.

[4]董红娟，谢志昆，董瑶，陆晓红，左薇.基于3D可视化技术的教学资源设计开发研究——以文物与博物馆学课程为例[J].中国信息技术教育，2019（Z3）：169-173.

[5]李娟娟.物理虚拟仿真实验系统的设计研究[D]. 扬州：扬州大学，2012.

[6]Hortin J A.Instructional Design and Visualization[J].Performance & Instruction，1983，22（8）：20-21.

[7]王曉飞.让3D技术成为教育信息化的助推器[N].中国教育报，2010-01-12（04）.

[8]李蕾，王健，曹俊.3D影像资源在教育中的应用探析[J].中国电化教育，2011（2）：77-80.

（编辑：王天鹏）