3D技術(shù)與小學(xué)科學(xué)教學(xué)融合的教學(xué)研究

3D是英文“3 Dimensions”的縮寫，中文是指立體、三維的意思。3D技術(shù)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)工具，綜合動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)、實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、立體顯示和傳感器技術(shù)，模擬視覺、聽覺、觸覺等感官，讓使用者在虛擬世界中如同身臨其境，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物；同時(shí)，它還以三維模型的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過擠出成型、粉末顆粒成型、光聚合成型等逐層增材的方式來打印出三維的實(shí)物。3D技術(shù)包括3D建模、3D顯示、3D交互、3D打印等主要技術(shù)。人們常說的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）、3D打印、3D動(dòng)漫、3D電影等數(shù)字化產(chǎn)品或技術(shù)，都是3D技術(shù)的有機(jī)組成部分。

3D技術(shù)對人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生了重要影響，其標(biāo)志性的事件有：1995年，麻省理工學(xué)院研發(fā)了粉末層和噴頭3D打印（3DP）技術(shù)，ZCorp公司從麻省理工學(xué)院獲得了獨(dú)家使用“三維打印（3DP）技術(shù)”的授權(quán)，并在三維打印技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了3D打印機(jī)；2009年，3D電影《阿凡達(dá)》以全球28億美元的成績創(chuàng)造了電影史上新的票房紀(jì)錄，開創(chuàng)了3D技術(shù)支持下的電影娛樂產(chǎn)業(yè)的新紀(jì)元； 2012年4月初，谷歌公開了自己的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)——眼鏡計(jì)劃（Glasses Project），推動(dòng)了基于3D技術(shù)的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）/AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)數(shù)字產(chǎn)品化的新時(shí)尚。

3D技術(shù)向教育領(lǐng)域的滲透拓展，是其在娛樂產(chǎn)業(yè)取得巨大成功后又一次對傳統(tǒng)行業(yè)的突破。將3D教學(xué)資源和顯示技術(shù)用于教育，國外的主要研究始于2009年，美國、英國、印度及中國香港特區(qū)等開展了一系列3D教育項(xiàng)目，在學(xué)校中大力推廣使用。代表性的項(xiàng)目有美國伊利諾伊州推出的3D模擬課程，項(xiàng)目的研究表明：學(xué)生用更少的時(shí)間學(xué)習(xí)了更多的內(nèi)容；有學(xué)習(xí)困難和注意力集中困難的學(xué)生能較好地完成對所學(xué)材料的掌握；絕大多數(shù)學(xué)生的成績都得到了提高。該項(xiàng)目得益于美國政府的資助，現(xiàn)在伊利諾伊州成千上萬的學(xué)生已經(jīng)開始學(xué)習(xí)數(shù)十門使用3D影像資源的課程。2015年，我國廣泛興起了創(chuàng)客教育，許多學(xué)校開始在創(chuàng)客實(shí)踐室或創(chuàng)客空間配置3D打印機(jī)，3D打印機(jī)和相關(guān)課程快速進(jìn)入了學(xué)校。

一、3D技術(shù)向教育領(lǐng)域滲透拓展的特點(diǎn)

當(dāng)前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、虛擬教學(xué)、虛擬數(shù)字博物館、3D打印空間、3D動(dòng)漫設(shè)計(jì)課程等已經(jīng)進(jìn)入校園，給學(xué)校教育增添了無限活力。3D技術(shù)向教育領(lǐng)域的滲透拓展，有這樣幾個(gè)特點(diǎn)：

1.提供豐富的3D教學(xué)資源，對現(xiàn)行教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有益補(bǔ)充

許多資源開發(fā)企業(yè)，根據(jù)國家的課程標(biāo)準(zhǔn)，按有關(guān)科目的章節(jié)，按知識點(diǎn)策劃制作3D教學(xué)資源，實(shí)用性強(qiáng)；根據(jù)素質(zhì)教育需求，開發(fā)了校園安全教育、傳統(tǒng)文化教育、法治教育、科技教育等專題資源，供學(xué)校選擇使用。

2.提供3D教育硬件，完善教育裝備

比如，3D投影機(jī)、3D一體機(jī)、3D裸眼黑板、3DLED大屏、3D智能講桌等3D設(shè)備部分替代原有的2D設(shè)備，在保持學(xué)校傳統(tǒng)的班級教學(xué)模式前提下，發(fā)揮這些設(shè)備在信息顯示上的優(yōu)勢。

3.嘗試改變教學(xué)環(huán)境和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，進(jìn)行有意義的改革

以未來教室、3D影院、3D實(shí)驗(yàn)室、AR書城等形式進(jìn)入校園，為教師提供了一種全新的體驗(yàn)式、創(chuàng)新型、交互式、實(shí)踐型教學(xué)模式。

3D技術(shù)之所以能快速地向教育領(lǐng)域拓展，是因?yàn)樵诩夹g(shù)之軀中藏有認(rèn)知科學(xué)的一些基本原理，比如：人類的認(rèn)知由簡單向復(fù)雜、由形象到形象與抽象相互結(jié)合；知識的建構(gòu)中，學(xué)習(xí)越主動(dòng)、過程越可見、結(jié)果越具象，知識建構(gòu)就越有效；學(xué)習(xí)中的情境化、個(gè)體化、社會(huì)化可以相互作用，促進(jìn)更有效的學(xué)習(xí)。3D技術(shù)支持下的三維立體模型、影像或動(dòng)漫，可以構(gòu)建可視、可觸、可交互的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生通過3D學(xué)習(xí)環(huán)境，對事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、規(guī)模尺寸等有更加直觀的認(rèn)識，特別是3D影像可以使學(xué)生進(jìn)行不同視角和視域的轉(zhuǎn)換，從完整的構(gòu)造迅速轉(zhuǎn)到不同的局部、微觀層面。在這樣的學(xué)習(xí)情境中，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程符合認(rèn)知規(guī)律。3D影像使得原來的平面影像轉(zhuǎn)變?yōu)楦由鷦?dòng)形象的3D影像，對學(xué)生來說，它能長時(shí)間吸引學(xué)生的注意力，學(xué)生專注度的提升有助于他們學(xué)習(xí)效率的提高。有關(guān)資料顯示， 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同的學(xué)科取得的效率是不同的，在科學(xué)學(xué)科的效率是最高的。

二、3D技術(shù)在小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域的嘗試

在小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域，3D技術(shù)進(jìn)行了一些有益的嘗試，其中幾種有較大的發(fā)展前景。

1.3D交互教學(xué)

即利用虛擬仿真3D數(shù)字技術(shù)，創(chuàng)造一個(gè)多維度的虛擬教學(xué)場景，將抽象的事物具體化、復(fù)雜的事物簡單化，幫助學(xué)生快速學(xué)習(xí)知識。在課堂教學(xué)中，教師先對課程的內(nèi)容和目標(biāo)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，再根據(jù)教材選擇相對應(yīng)的3D教學(xué)資源，以3D立體視頻、3D交互課件的形式展現(xiàn)知識點(diǎn)，加速學(xué)生對課程內(nèi)容的理解。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)室

以虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）為核心技術(shù)，為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，如建造人體模型、電腦太空旅行、化合物分子結(jié)構(gòu)顯示等，在3D創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室呈現(xiàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以放心地進(jìn)行各種危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)（如燃燒、爆炸、化學(xué)反應(yīng)）和技能練習(xí)（如青蛙解剖等），不必?fù)?dān)心操作失誤，擁有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以比擬的優(yōu)勢。

3.3D打印課程

在這樣的課程中，學(xué)生將學(xué)習(xí)3D打印的發(fā)展歷史、原理、技術(shù)和建模方法。課程的開設(shè)以社團(tuán)為主，和科技教育緊密結(jié)合，也有的老師將科學(xué)課程的拓展內(nèi)容與3D打印結(jié)合，比如制作個(gè)性化小車。

4.AR書城

基于實(shí)體圖書的增強(qiáng)閱讀平臺，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)，將圖文、音頻、視頻、三維模型動(dòng)畫等多媒體素材聚合到實(shí)體圖書上。當(dāng)學(xué)生打開書頁，書中的圖片內(nèi)容會(huì)以多媒體的形式跳到眼前，為學(xué)生提供一種更高效、直觀、有趣的閱讀體驗(yàn)。

三、3D技術(shù)與科學(xué)學(xué)科融合存在的問題

1.教學(xué)資源的匱乏

3D教學(xué)資源的開發(fā)成本極高，使3D教學(xué)的資源并不能滿足教學(xué)所需。

2.教師和學(xué)生掌握3D教學(xué)的系統(tǒng)工具不足

作為一種新技術(shù)，3D技術(shù)在系統(tǒng)、操作、技能技巧等多方面與2D技術(shù)不同，需要老師和學(xué)生熟練掌握，但老師和學(xué)生缺乏相關(guān)的培訓(xùn)，導(dǎo)致新工具運(yùn)用不暢。

3.3D技術(shù)本身還存在許多軟肋

首先，體驗(yàn)的舒適度不夠。由于3D資源在教學(xué)中需要學(xué)生保持較長時(shí)間的注意力，但VR頭盔、3D眼鏡等設(shè)備長期使用會(huì)導(dǎo)致學(xué)生目眩神暈，對學(xué)生視力也有一定影響。其次，硬件普及度較差，高端的設(shè)備價(jià)格昂貴，學(xué)校的采購積極性不足；低端的設(shè)備體驗(yàn)性差，學(xué)校不愿意采購。再次，3D交互技術(shù)不夠人性化，學(xué)生在學(xué)習(xí)中還需要借助額外的傳感設(shè)備與觀察對象進(jìn)行交互，無法直接進(jìn)行語音和體感的交流，互動(dòng)交流往往生硬機(jī)械。

四、我們的探索

我們的團(tuán)隊(duì)在開展3D技術(shù)與小學(xué)科學(xué)融合的教學(xué)研究中，希望遠(yuǎn)期可以做好以下幾點(diǎn)：

l集成一定規(guī)模的3D教學(xué)資源；

l促進(jìn)特定的教學(xué)內(nèi)容與特定的3D技術(shù)的融合；

l探索3D教學(xué)的有效途徑和新模式。

在一年多的探索中，我們對3D技術(shù)支持下的教學(xué)資源開發(fā)、教學(xué)案例研究、教學(xué)模式、3D打印拓展課程開發(fā)四個(gè)方面進(jìn)行了一些研究，有了一些收獲。

1.開展了3D技術(shù)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的適用項(xiàng)目分析

我們主要從小學(xué)科學(xué)涉及的三大領(lǐng)域開展研究。地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域，我們按照教材內(nèi)容，對學(xué)生在空間理解上有困難的內(nèi)容做了梳理，力圖用3D空間來幫助學(xué)生解決認(rèn)識上的困難；一些學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)觀察到的地球變化現(xiàn)象，如巖石風(fēng)化、水土流失等，可以用3D資源加以呈現(xiàn)；另一些難以觀察到的地球內(nèi)部的現(xiàn)象，如火山噴發(fā)、地震等，也可以用3D模型再現(xiàn)。生命科學(xué)領(lǐng)域，對生命體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察，如人體內(nèi)的各種器官、植物體內(nèi)的水吸收和蒸騰等，可以引導(dǎo)學(xué)生借助AR技術(shù)多角度、全方位地進(jìn)行觀察。物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域中的一些內(nèi)容也特別適合用3D技術(shù)來呈現(xiàn)，比如物質(zhì)長時(shí)間的變化、肉眼無法觀察到的化學(xué)變化、物質(zhì)的微粒結(jié)構(gòu)等。

在這樣的項(xiàng)目分析過程中，我們初步找到了一些規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同的內(nèi)容適宜用不同的3D技術(shù)支持。對長時(shí)間的變化，我們建議用3D動(dòng)漫技術(shù)來加強(qiáng)；對生物體和物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察，我們建議用AR技術(shù)來呈現(xiàn)；對規(guī)模、范圍、空間較大的事物，我們希望借助3D結(jié)構(gòu)件，提高學(xué)生交互操作的主動(dòng)性。

2.開展3D教學(xué)的案例研究

案例研究有較好的普適性，這是我們這一年研究的重點(diǎn)工作。因?yàn)闀r(shí)間周期、開發(fā)成本等原因，我們只在地球與宇宙科學(xué)和生命科學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域，開展了為數(shù)不多的案例研究。

地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域中，三球（太陽、地球、月球）運(yùn)動(dòng)關(guān)系一直是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，理解三球運(yùn)動(dòng)是認(rèn)識月相變化、四季變化以及日食和月食現(xiàn)象的基礎(chǔ)。原來教學(xué)這部分內(nèi)容時(shí)，由于受傳統(tǒng)教學(xué)器材的局限，學(xué)生很難從二維平面認(rèn)識提升到對三維立體空間的構(gòu)建。通過AR技術(shù)支持下的三球運(yùn)動(dòng)關(guān)系的系列教學(xué)，我們認(rèn)識到了AR技術(shù)的三個(gè)優(yōu)勢：

（1）顯示效果直觀、逼真和立體。通過AR技術(shù)在大屏幕上顯示，學(xué)生能直觀地看到三球運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，三個(gè)星體如在眼前，栩栩如生。

（2）動(dòng)態(tài)生成。在三球運(yùn)動(dòng)的過程中，可以根據(jù)月球、地球與太陽的位置關(guān)系，及時(shí)產(chǎn)生月相、晝夜和日月食的動(dòng)態(tài)光影效果。

（3）可轉(zhuǎn)換觀察模式。利用AR技術(shù)，不僅能夠以俯視的視角（上帝模式）觀察到三球運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，還能進(jìn)行觀察模式的轉(zhuǎn)換，把觀察模式轉(zhuǎn)換成以地球?yàn)橛^察者的主體模式，這樣就能夠更真實(shí)地模擬出地球上的觀察者看到的三球運(yùn)動(dòng)變化。

在這個(gè)領(lǐng)域的研究中，我們還評估3D技術(shù)對兒童觀察能力的影響。我們選擇了《我們來造環(huán)形山》一課進(jìn)行教學(xué)，對前后6個(gè)班級近300名學(xué)生的觀察能力進(jìn)行教學(xué)觀察、統(tǒng)計(jì)和對比分析。我們研究發(fā)現(xiàn)，在3D技術(shù)支持下，學(xué)生的觀察能力在三個(gè)主要方面都有較大提升：一是能觀察到更多的信息；二是能觀察識別關(guān)鍵特征；三是能模擬再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵信息。

在生命科學(xué)的研究中，我們聚焦了其中的一個(gè)難題——人體內(nèi)部器官的觀察。運(yùn)用3D技術(shù)時(shí)，我們運(yùn)用不同的3D技術(shù)來解決教學(xué)中的難題。

（1）利用3D動(dòng)漫影像，實(shí)現(xiàn)透視觀察。如消化器官的認(rèn)識，學(xué)生帶上3D眼鏡觀看整個(gè)3D影像，師生就被虛擬為即將進(jìn)入消化道的食物這一角色，一起進(jìn)入人體消化道的虛擬環(huán)境，透視觀察各種消化器官的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

（2）利用3D交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合。我們采用了桌面VR+AR教學(xué)系統(tǒng)，主要由桌面級VR交互一體機(jī)和VR、AR交互軟件組成。“VR+AR+教育軟件”將教學(xué)人體內(nèi)部器官從平面圖像轉(zhuǎn)變到虛擬現(xiàn)實(shí)，將學(xué)生的操作活動(dòng)投射到另一屏幕上，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能，旁觀者（其他學(xué)生）可以裸眼觀察真實(shí)環(huán)境與虛擬圖層疊加后模型的效果。學(xué)生不僅在虛擬環(huán)境中能夠準(zhǔn)確組合消化道，而且每個(gè)學(xué)生都能在脫離虛擬環(huán)境后準(zhǔn)確指出內(nèi)部器官（如食道、胃、小腸、大腸等）在自己身體中所處的部位，大大提升了實(shí)際教學(xué)效能。

3.開展3D教學(xué)的新模式研究

為了更好地促進(jìn)3D技術(shù)在課堂上的使用，需要開發(fā)簡單易上手的教學(xué)內(nèi)容編輯工具，搭建一個(gè)橋梁，連接3D資源與課堂教學(xué)軟件，以便應(yīng)用3D/VR技術(shù)進(jìn)行常態(tài)化教學(xué)。我們研究團(tuán)隊(duì)基于沃課的功能特點(diǎn)，探究了3D技術(shù)支持下的教學(xué)新模式。這個(gè)教學(xué)模式將教學(xué)過程分為課前準(zhǔn)備、情境創(chuàng)設(shè)、動(dòng)態(tài)生成、總結(jié)提升和課后反思等幾個(gè)環(huán)節(jié)。在教學(xué)過程中，教師可以將配套的3D視頻、3D圖片、3D模型、3D教育游戲、3D學(xué)科工具等3D資源、交互習(xí)題、2D資源插入到自己的課件中，形成一個(gè)完整的教學(xué)課件。其中，互動(dòng)生成是這個(gè)教學(xué)模式運(yùn)用3D技術(shù)的中心環(huán)節(jié)，互動(dòng)的形式多種多樣，從虛擬實(shí)驗(yàn)、3D觀察、知識講授、隨堂測驗(yàn)、過程評價(jià)，到融合人際互動(dòng)與人機(jī)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人直接與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)。

4.開發(fā)了3D打印課程

3D打印拓展課程的開發(fā)，力求突破兩點(diǎn)：

（1）課程不能只是軟件學(xué)習(xí)課，而是有計(jì)劃地培養(yǎng)學(xué)生各種創(chuàng)新和創(chuàng)造的核心技能，將問題解決、設(shè)計(jì)、建模、造物和軟件學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合。

（2）課程不能只是范例模仿課，課程必須關(guān)注到學(xué)習(xí)態(tài)度方面的核心品質(zhì)，要努力將學(xué)生置身于情境中，讓他們保持持久的熱情，遇到問題能夠不急不躁，有足夠的耐心去尋求和完善解決方案，并外化形成良好的學(xué)習(xí)行為。

在我們開發(fā)的《小瑋的3D主題屋》課程中，有明晰的課程主線、模塊化課時(shí)框架、合理的內(nèi)容呈現(xiàn)方式，對3D打印的核心技能和科學(xué)研究的核心技能進(jìn)行有序、有機(jī)、有效設(shè)計(jì)。在同一主線、不同情境、不同問題中，學(xué)生逐漸學(xué)習(xí)了課程中的軟件操作基本技能（復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、組合、變形、測量、挖空、抽殼、繪制曲線等），還不斷地發(fā)展學(xué)生的各種科學(xué)研究能力，如觀察、比較、測量、數(shù)據(jù)處理與分析、模型建構(gòu)與修正、創(chuàng)新思維能力等。

3D技術(shù)具有不同于2D技術(shù)的優(yōu)勢，有高度可視化和強(qiáng)沉浸感的特性， 在與小學(xué)科學(xué)教學(xué)融合時(shí)，可以采用化實(shí)為虛、虛實(shí)結(jié)合、以虛促實(shí)、以實(shí)補(bǔ)虛等多種方式實(shí)現(xiàn)技術(shù)與內(nèi)容融合。3D技術(shù)與教育融合的核心是技術(shù)與人融合，現(xiàn)階段3D技術(shù)因多方面原因，只有少數(shù)學(xué)生和教師能參與進(jìn)來，普及還為時(shí)尚早。

我們的研究還在路上，在系統(tǒng)性規(guī)劃、技術(shù)性路徑、可行性策略、實(shí)操性方案等方面還有待進(jìn)一步設(shè)計(jì)、論證和實(shí)踐，現(xiàn)階段的研究還較粗淺，結(jié)論還有待檢驗(yàn)。

廣東省深圳市教育科學(xué)研究院（518000）