基础教育出版中三维可视化技术的应用特征与价值判析

沙沙　毕海滨　王杰宇

摘 要：三维可视化技术是现代出版中常用的媒介技术之一，也是元宇宙、数字孪生等多种前沿数字技术的必要组成部分。面向基础教育的特殊需求，三维可视化技术在出版应用中需要突出内容感知的具身性，场景创设的耦合性，以及技术、出版和教育之间的三重融合，以达到更好的教学效果。三维可视化技术在基础教育出版应用的价值理解可以分为三个层次：首先，技术应用的价值归宿在于育人价值；其次，技术应用的教育价值和出版价值需要协调统一；最后，技术进步引发了基础教育育人目标的嬗变，基础教育出版需要基于变化过程判断技术价值和把握发展方向。

关键词：三维可视化技术；教育出版；教育数字化；出版融合；数字教材

DOI： 10.3969/j.issn.2097-1869.2023.04.013 文献标识码：A

本文著录格式：沙沙， 毕海滨， 王杰宇. 基础教育出版中三维可视化技术的应用特征与价值判析[J]. 数字出版研究， 2023， 2（4）： 99-105.

近年来，随着出版融合发展和教育数字化转型的持续推进，不少教育出版单位都尝试将各类前沿数字技术引入具有融合特点的基础教育出版的创新产品中，为中小学师生提供更好的数字化服务。三维可视化技术在教育出版领域的应用起步较早，早期主要是通过三维模型、三维动画等形态实现出版物内容的立体化表达。近年来，作为增材制造、虚拟现实（VR）、数字孪生、元宇宙等当前热点技术的基础，三维可视化技术在教育出版中的具体应用方式衍生出了不同的样态。在面向基础教育的出版融合发展创新中，三维可视化技术的应用十分广泛。但相对于各类出版实践和技术研发，业界在教育出版本质层面的理论性思考目前还比较欠缺。本文拟从基础教育出版的特征与核心价值出发，对三维可视化技术在基础教育出版中的融合方式进行探讨。

1 三维可视化技术在基础教育出版中的常见应用形式

1.1 “纸数融合”出版中的交互式三维动画

三维可视化技术初期被引入基础教育出版时主要用于开发三维教学动画。中小学的纸质教材、教辅、教师用书等产品通常会以光盘、二维码、增强现实（AR）等方式配套数字教学内容，形成“纸数融合”的出版产品。采用三维可视化技术开发的具有交互特点的三维动画在数字教学内容中具有独特的教学价值，与图片、二维动画、实拍视频等媒体形式相比，可交互的三维建模动画能够全方位呈现物体空间特征。

可交互三维建模动画的教学辅助功能较为直观，在许多教学场景下都能促进学生对知识的认识和理解。小到分子模型、大到天体运动，具有交互性的三维建模动画可以更为真实、全面地表达各类空间结构信息或运动状态，突破了传统媒体在呈现涉及三维空间教学内容时的局限性，也提升了这类“纸数融合”教育出版产品的实用价值。

1.2 VR教育出版中的虚拟现实内容

在经历了2016年的“VR元年”后，以三维可视化技术为核心的VR内容开始进入基础教育出版的视野。在教学内容的呈现方面，VR内容是可交互三维建模动画的升级版。VR能够为教学活动创设出可交互的虚拟学习场景，并提供更好的沉浸式学习体验。由此，人民教育出版社、华文出版社、青岛出版集团等机构开始尝试将VR技术应用于教育出版领域，并推出了一批VR教育出版产品[1-2]。在教学实践中，VR教育出版产品能够在中华优秀传统文化传承、科学普及、体验式学习等场景中取得较好的应用成效。

此外，近年来教育领域进行了一些关于VR学习场域对深度学习促进作用的研究。在职业教育出版领域，VR技术被用于构造教学实训的虚拟环境，在学生掌握操作型知识的学习过程中具有极佳的实践效果。但在基础教育阶段，由于课程内容以陈述型知识为主，VR内容产生了因过于具象而抑制深度思维和知识抽象的情况。采用VR技术构造出的交互式学习场域，则成为基础教育阶段VR出版产品推动深度学习行为的重要方向[3]。相关研究成果正在进一步发挥VR技术在中小学教育中的应用潜力。

1.3 课程方案出版服务中的支撑性技术

随着数字技术与出版、教育的融合程度不断深入，一些出版单位将三维可视化技术作为基础教育数字化课程方案出版服务中的支撑性技术进行了尝试。在2017年后，三维设计、数字加工等课程内容被列入了义务教育阶段综合实践活动的推荐主题[4]。这类主题的教学实践需要在三维设计、3D打印、激光雕刻等数字系统的支持下才能够实施。面对基础教育领域课程发展的新需求，出版业也将传统的课程资源出版升级为面向教学全环节的课程方案出版服务。例如，湖北教育出版社的《3D打印》系列教材、人民教育出版社的《STEAM数字化课程丛书》、清华大学出版社的《激光切割与LaserMaker建模》等面向中小学综合实践活动课程的课程出版产品都需要基于数字系统才能进行教学实施。

在这些课程出版产品案例中，无论主题是三维设计还是3D打印、激光雕刻，数字化课程解决方案的核心都是三维可视化技术。教学中，学生以对三维可视化技术的学习和使用为活动线索，将数学、科学、人文艺术和工程贯穿起来。学生自主完成各类三维图形的建模后，还可以通过3D打印或者激光雕刻的方式完成建模结果实物化。这种方式极大地降低了设计和工程的教学门槛，对培养学生的创新实践素养具有不可替代的作用[5]。

1.4 前沿数字教育出版模式中的关键技术

三维可视化技术在出版领域应用的前沿模式主要包括数字孪生和元宇宙。数字孪生的概念诞生于2010年，指在信息化平台内建立、模拟一个物理实体、流程或者系统[6]。数字孪生技术本身是高性能计算、传感采集、人工智能数据分析等系列技术的集成，三维数字仿真和VR呈现则是数字孪生过程中构造和表达物体孪生形态的关键技术。数字孪生技术早期主要用于航天等工业领域，近几年也开始进入出版行业的发展视野。在内容构造方面，数字孪生技术比以往的三维建模和VR更强调对仿真对象的过程性进行还原。除直观的形状外，数字孪生技术还能够在虚拟环境中模拟出物理实体的行为、性能与活动等[7]。从理论上来说，教育出版吸收数字孪生技术，可以构造出能表现复杂过程的内容场景。客观上，教育领域对这方面的需求早已出现。例如，2019年《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》要求采用AR和VR技术呈现受时空限制或具有危险性、危害性、破坏性的实验。这份文件中虽然仅提及AR和VR技术，但一般的三维仿真很难按科学标准还原一个真实的实验，只有使用数字孪生技术才能够精准地重现一个科学实验的过程。这是未来基础教育出版面向真实教育需求的内容创新方向之一。

与数字孪生相比，元宇宙的概念更为超前。尽管当前元宇宙还仅是一种理想化的技术概念，但出版领域已有学者对元宇宙与基础教育、出版之间的关联进行了探讨[8-9]。作为元宇宙的必需核心技术之一，三维可视化技术在元宇宙理念下的出版内容创新和传播模式变革非常值得关注。

2 基础教育出版中三维可视化技术的应用特征

一般而言，三维可视化技术在出版领域的应用大多是为了内容的立体化仿真呈现。在面向基础教育的出版产品设计中，出版物的内容表达和呈现，与中小学生如何接受、处理和掌握信息密切相关。因此，基础教育出版中的三维可视化技术应用会表现出一些与教学相关的特征。通过特征分析，准确把握技术、教育、出版三者之间的内在逻辑关系，是基础教育出版未来在技术融合方面进一步发展的重要基础。

2.1 基于具身认知的交互性特征

具身性是当代心理学和认知科学中提出的一个重要概念，其强调身体在人们的认知过程中起着重要的作用。有身体参与的认知过程则称为具身认知。在具身认知中，意识、大脑、身体和环境呈现一体化趋势，从而模糊了“身心二元论”中的主体和客体对立[10]。在具身认知的理念下，“在行动中求知”的具身学习开始受到重视，并因此影响了教育出版的媒介技术选择。在传播研究领域，也已有较为充足的科学证据表明，受众以身体参与的方式接受外部信息会影响传播的过程与结果[11]。

在各类媒介技术中，三维可视化技术在提供具身交互方面优势明显。从最早的可交互三维动画开始，用户就可以自主控制三维模型的角度进行全方位观察，学习认知过程伴随手动操作过程而完成。在AR和VR技术融入教育出版产品后，面向教学体验的涉身性操作变得更加普遍，功能也更强。学生在虚拟认知环境中体验传统教学无法呈现的教学内容或场景，或者基于AR技术与书本内容的三维呈现进行互动[12]，都是典型的具身学习。部分研究者认为，这种学习者在学习环境中有身体参与的交互活动，对学习认知的结果有着积极影响[13]。

从发展趋势看，三维可视化技术在基础教育出版产品的设计中越来越强调具身性的交互特征。一方面，这固然是技术本身特长所在，另一方面，具身交互也是三维可视化技术支持深度学习的一种重要尝试。基础教育立体化出版对中小学生深度学习支持力度偏弱的问题由来已久，学生仅仅通过看、听等感知方式，难以真正实现对知识的深刻理解与经验内化。而基于具身交互，学生的学习参与程度会显著增强，并最终促进深度学习的发生。

2.2 虚拟场景与现实环境耦合的特征

三维可视化技术在基础教育出版中的另一个应用特征表现为创设了一种能够与现实耦合的虚拟学习情境。美国传播学者马克·波斯特认为，媒介的虚拟现实是普遍存在的，各种传播媒介都在一定程度上虚拟了现实[14]。例如，一本武侠小说中虚构的江湖，一本科幻小说中虚拟的未来，一个网络游戏中构建的模拟世界等，这都属于传播学意义上的虚拟现实。显然，与一般媒介相比，三维可视化技术建构出的虚拟现实更贴合人的视觉感知。在基础教育阶段，每种知识的学习都存在与之相关的学习情境。一个好的学习情境通常来源于生活实践，生活性与真实性直接关系到学习情境的教学效果[15]。在教室环境下，三维虚拟场景可以构造出更适合知识内容的学习情境，从而提升学习效率。

中小学课堂中，虚拟场景与课堂环境之间呈现一种特殊的耦合关系。体验VR游戏时，游戏设计者往往会强调虚拟场景的超越性，并竭尽全力将受众带入虚拟世界。与此不同，中小学的教学过程虽然需要用到虚拟化的学习情境，但真实课堂同样也是一个不可或缺的学习情境场所。学生需要在不同学习环节分别处于虚拟和现实环境中，才能实现最佳的教学效果。例如，虚拟环境下的观察与感知、真实环境下的人际交流和习作练习，在课堂环节中会交互出现，形成耦合关系。这就要求基础教育出版中的三维可视化技术设计场景跳入、跳出的衔接，而不能一味考虑沉浸式体验。这是三维可视化技术在基础教育出版应用中较为突出的一个特点。

2.3 出版、教育、技术三重融合的特征

融合发展是看待各类数字技术在出版或教育领域应用的一个基本视角。三维可视化技术在基础教育出版中的应用经历了从二重融合到三重融合的演变过程。二重融合，即媒介融合意义上的数字技术与出版之间的融合。三维可视技术在基础教育出版中最初用于对纸质教材、教辅等出版物的内容扩展和优化。纸质图书中涉及空间感知的教学内容在三维动态展示中变得更有利于学生识记或理解。虽然在出版视域下，这种用数字技术扩展图书内容的方式是一种典型的融合创新，但若切换到基础教育的行业视角，教材、教辅的立体化出版仍是一种技术辅助课程教学的思路，无法达到数字技术与教育教学融合的层次。因此，当3D打印、VR等技术开始步入基础教育领域后，三重融合的观念开始出现。

所谓的三重融合，指在教育出版领域，既要实现技术与出版之间的融合，同时又要体现技术与教育之间的融合。国内数字技术与教育教学深度融合的理念在2011年就已提出并开始实施，具体表现为数字技术与教育的总体目标、核心素养、课程内容、评价方式等方面的全面融合，以及发生基于数字技术的教学活动范式变革。但基础教育出版要体现这种教育性深度融合并不容易，特别是对于传统的中小学教材教辅出版，由于关系到升学考试、教育公平、使用习惯等问题，这种变革性的深度融合难以一蹴而就。反而在综合实践活动课程、校本课程领域，由于课程自身受到的制约较少，并且3D打印、三维设计、虚拟仿真等课程本身与数字技术结合紧密，这就对技术、出版、教育之间的三重融合探索赋予了很大的空间。

例如，人民教育出版社在2020年前后实验性地推出了“基于3D打印的STEAM数字化课程”和“京杭大运河上的文化地标VR活动课程”等项目，在三重融合方面进行了尝试。这些项目在最初进行课程框架和教学目标设计时，就将技术要素融入其中，使数字技术成为课程目标、课程内容的必要组成部分，并且在课程资源的研发中将三维可视化技术作为教学活动和课程评价中必不可少的支撑工具。三重融合特征的数字化课程出版在一定程度上解决了三维可视化技术对于支持深度学习方面效应较弱的问题，也为促进中小学综合实践活动课程的开设、学生素养的发展提供了出版服务解决方案。

3 三维可视化技术在基础教育出版中的价值思考

站在教育出版融合发展的视角，在教育出版产品中引入以三维可视化技术为代表的现代数字科技，既有来自出版机构自身融合升级的内驱动力，又有来自社会大背景对数字化变革和教育市场数字化转型的外部要求。在如今数字技术飞速发展的时代，教育出版人需要对数字技术的价值有更深度的认识，以应对技术变革带来的挑战与机遇。回归到教育出版的本质，数字技术在基础教育出版发展过程中的核心价值，值得进一步分析和探讨。

3.1 技术价值向育人价值的回归

无论是教育出版还是任何一种其他教育传播技术，其根本价值一定会回归到育人价值上。教育出版从诞生至今，存在目的始终都是辅助教育领域完成育人目标。尤其在我国改革开放后提出的科教兴国和教育优先发展背景下，教育出版支撑教育事业发展的核心价值已经上升到了国家战略的层次。因此，甚至可以说一项数字技术在教育出版领域能否被恰当地应用，最终取决于这项技术产生的育人效果。

三维可视化技术在基础教育出版领域之所以产生了独异的应用特征，其根本在于技术应用最终需要指向教育成效。由于实际应用场景不同，许多在专业出版、少儿读物、大众图书甚至在职业教育和高等教育出版中行之有效的技术应用方式，置于基础教育的课程要求和学生特点面前时却不适用。各类基础教育教学真实场景中的具身交互性、虚拟场景与现实耦合，以及出版、教育、技术的三重融合，都是在中小学育人目标要求下做出的技术应用调整。因此，即便未来基础教育出版将要融入数字孪生、元宇宙等新一代三维可视化技术，技术自身的新颖性、先进性仍需让位于教育适用性。新技术本身的性能和功能特点无法处于决定性地位，这是教育出版的价值归宿所决定的。

3.2 出版价值与教育价值的统一

尽管教育出版的价值最终需要回归到育人价值上，但教育出版活动本身作为一种经济活动的价值显然也不能忽视。当前，教育和出版这两个领域都在强调现代化进程需要与数字技术深度融合，但具体到三维可视化技术的应用上，两个领域的价值诉求并不完全一致。对出版机构来说，更为直接的出版效益不可避免地会成为技术性出版选题最为关键的价值判断之一。

例如，教育部在《关于加强和改进中小学实验教学的意见》提出“采用计算机虚拟方式开展在真实环境下难以完成的实验”。数年过去，目前仍鲜有出版单位采用VR、数字孪生等技术，去研发这样一套虚拟实验，用以实现教育价值。站在教育出版发展的角度，“真实环境下难以完成的实验”在课程标准中大多不是教学重点，甚至不是必须开展的教学内容，而这类虚拟实验的高仿真研发所需要投入的研发成本却相当惊人。在教育领域需求刚性不足的前提下，出版机构研发和生产这样一套数字产品的风险极高。因此在出版价值判断上，出版机构原则上不能仅凭教育价值就决策投入研发。这是比较典型的出版效益价值与产品教育价值不统一的范例。

近年来，在教育和出版这两个领域的数字化转型过程中，价值诉求不统一情况开始愈发突出。例如2020—2023年，教育部连续四年在其发布的中小学教学用书目录文件中提出“鼓励教材出版单位免费提供数字内容资源”。对教育领域来说，免费的数字内容资源更有利于推动教育公平和减轻教材采购的财政负担。但对出版领域来说，研发没有经济效益的数字内容并不符合出版规律，也必然不会出现一个良好的发展态势。因此，教育和出版这两个领域的价值诉求需要协调和统一，应当形成类如纸质教科书出版模式的双赢、多赢局面，否则价值判断上的差异必然会对出版和教育的现代化发展形成阻力。

3.3 教育出版中技术价值嬗变的趋势

前面关于新媒体技术在教育出版中的价值讨论，都以静态现状作为前提。但如果放眼时间维度，数字技术在教育出版中的价值嬗变可能正在发生。当下的主流认知是新技术为育人服务，但如果未来技术本身就是育人的核心目标之一，那么技术则未必始终处于相对次要的支撑地位。

近年来，以人工智能为代表的前沿数字技术快速发展引发了社会上关于未来教育培养目标的讨论。在未来的人工智能时代，人的技术素养在核心素养中所占的比重和地位可能是今天难以想象的。实际上，从2017年AlphaGo颠覆了围棋竞技的传统认知，到2023年ChatGPT的横空出世，越来越多的人已经意识到人工智能技术可能将对人类社会发展产生革命性影响。

在基础教育阶段，从我国20世纪中叶引入凯勒夫的教育学观点直到今天，为国家培养社会主义建设者和接班人的总体教育目标从未改变，并且在未来可预见的中长期社会发展中也不会改变。而在我国社会的发展过程中，尽管总体教育目标的内涵保持了长期稳定，但其外延所指始终在不断更新。近年来，技术素养在人才培养目标中的比重正在不断增加。2014年浙江省尝试了将技术课程（包含信息技术和通用技术）纳入高考可选科目，2022年教育部启动国家教育数字化战略行动，并将信息科技列入义务教育国家课程。种种迹象都在表明：技术价值在我国中小学教育目标中的地位正在发生嬗变，并且将重新定义人才培养的标准[16]。只有具备深厚技术素养的人，才能成为未来国家建设需要的人才。教育出版在这一变革过程中，也需要用发展的眼光和思路看待教育需求的变化趋势，适时地调整对新技术的价值判断与应用思路，以便更准确地把握未来教育出版转型升级的方向。

4 结语

三维可视化技术在基础教育出版中的应用有着广阔的前景。随着技术自身的发展，必然会产生一批批新形态教育出版产品。在前沿数字技术迅速迭代和发展的今天，技术价值对传统教育出版的革命性影响正在萌发。人们已经能够预见高性能人工智能、元宇宙等技术必将深刻改变人类的学习认知模式。本文对三维可视化技术的应用方式、特征和价值进行回顾，以期基于教育出版活动实践重新梳理出版、教育、技术三个领域之间的内在关系。数字技术与出版、与教育的深度融合，体现了技术发展背景下的课程资源供给和需求之间在持续地创新与调适。对基础教育出版中技术价值本质的把握，有助于出版业更好地应对新技术冲击，履行自身的时代使命。

作者简介

沙沙，男，人民教育出版社人教数字教育研究院高级研究员、副编审。研究方向：数字教材、数字教育出版。

毕海滨，男，北京京师讯飞教育科技有限公司总编辑、编审。研究方向：教育信息化、数字教育出版。

王杰宇，女，人民教育电子音像出版社数字媒体编辑部高级编辑。研究方向：数字教育出版。

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Application Characteristics and Value Analysis of 3D Visualization Technology for Elementary Education Publishing

SHA Sha1，2， BI Haibin3， WANG Jieyu2

1. Digital Education Institute of Peoples Education Press， 100081， Beijing， China; 2. Key Laboratory of Digital Education Technology and Standards of National Press and Publication Administration， 100081， Beijing， China; 3. Beijing Normal University Publishing Group， 100088， Beijing， China

Abstract： 3D visualization technology is one of the commonly used media technologies in modern publishing， and is also a key component of various cutting-edge digital technologies such as “metaverse” and “digital twin”. The application of 3D visualization technology in publishing needs to emphasize the embodiment of content perception， the coupling of scene creation， and the triple integration of technology， publishing， and education to achieve better teaching effects when facing special needs of elementary education. The value of 3D visualization technology application in elementary education publishing can be divided into three levels. Firstly， the ultimate value of technological application lies in talent education. Secondly， the educational and publishing value of technological application need to be unified. Finally， technological progress has triggered a shift in goals of elementary education， and elementary education publishing needs to judge the value of technology and grasp the development direction based on the shifting process.

Keywords： 3D visualization technology; Educational publishing; Digital education; Development of publishing integration; Digital textbook

* 基金项目：北京市教育科学“十四五”规划2022年度课题“面向教育现代化的中小学数字教材治理框架设计研究”（项目编号：BGDB222214）。