3D模式下的學生科學觀察的評估

3D虛擬技術(shù)是利用計算機生成一種模擬環(huán)境，并通過多種專用設(shè)備使用戶“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境進行自然交互的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。其技術(shù)可大致分為AR和VR兩類。AR技術(shù)是在體驗者能夠看到現(xiàn)實景象的基礎(chǔ)上融入了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，體驗者所感受到的情景是現(xiàn)實情景在虛擬部分的增強，而不是完全的虛擬，其特征是虛實結(jié)合；VR（狹義）是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中，其特征是完全的虛擬。

著名英國3D教育專家Anne Bamford 2011年從德國、法國、意大利、荷蘭、土耳其、英國以及瑞典的十幾所學校里，選取740名10-13歲的學生專門針對3D教育技術(shù)進行測試，旨在研究3D教育和傳統(tǒng)2D教育的影響，以論證推廣3D教育技術(shù)的可行性。結(jié)果表明：使用3D眼鏡上課的學生中，86%以上成績有顯著提升，而依賴2D資源沒有使用3D眼鏡的同學中，只有52%成績有進步。在3D教室中，每個學生的成績平均提高了17%，而2D教室中的學生成績只提高了8%；平均92%的學生表示3D課程非常引人入勝，而非3D教室中認真聽講的學生中只有46%有此感觸。100%的教師感覺學生在上3D課時注意力比其他課程更集中，84%的學生認為3D教學改善了他們的學習。

我們團隊在研究中，將評估3D技術(shù)聚焦于3D技術(shù)對兒童觀察能力的影響。由于研究涉及的3D資源開發(fā)成本高、數(shù)據(jù)采集工作量大，所以我們只選擇了在《我們來造環(huán)形山》一課教學中6個班級近300名學生進行教學對比和實踐。之所以選擇這一課，原因有二：①“環(huán)形山”無法在地球上實際觀察，陌生環(huán)境觀察更少受已有經(jīng)驗的影響；②“環(huán)形山”有足夠多的信息點，有利于評估學生的觀察能力。我們將學生的觀察能力評估聚焦在三個方面：①觀察信息量的多少；②關(guān)鍵特征的觀察；③模擬實驗中對關(guān)鍵信息的重現(xiàn)程度。

具體教學操作是：在自然的上課情景中對學生的觀察能力進行評估，將6個教學平行班隨機分成三組，每兩個班級在上課中只有觀察資源不同，其他教學環(huán)節(jié)基本一致。教學資源中，“環(huán)形山”分別采用傳統(tǒng)的圖片、2D視頻與3D實景觀察對比，學生用大致相同的時間觀察完后，將觀察結(jié)果記錄下來。學生在“環(huán)形山”模擬實驗結(jié)束后，再次對模擬中造出的“環(huán)形山”的特征進行陳述。以下是數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果和簡要分析。

一、觀察信息量的多少的比較

從上面的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表中，我們可以觀察出以下特征：

1.3D模式觀察，學生觀察后收集到的信息點整體上多于傳統(tǒng)觀察模式，能更全面地對事物進行觀察，而圖片和視頻提供的信息則相對受限。

2.從信息點數(shù)值分布的特征可以看到，三種觀察方式在低數(shù)值段的學生占比差異不大，而高數(shù)值段的學生占比中，VR模式大幅領(lǐng)先其他兩種方式。我們認為，學生更主動地觀察可能是導致差異變大的主要原因。

3.圖片模式和視頻模式的觀察相比，圖片模式要稍稍優(yōu)于視頻模式。原因有二：一是圖片與視頻相比，可以放大更多細節(jié)；二是圖片觀察中，學生觀察時間較長且更專注。

二、關(guān)鍵特征的觀察比較

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，3D VR模式比2D模式的觀察在各個關(guān)鍵特征上都優(yōu)異。我們分析，主要原因是3D模式下學生可以采用自如的全景式觀察視角。“中央峰”是部分環(huán)形山底部的突起，水平視角最易發(fā)現(xiàn)；“輻射紋”則是由近及遠，俯視角度最易觀察；“相互擠壓”最適合用局部放大觀察。三個關(guān)鍵特征分別有最匹配的觀察視角，這在VR模式下都可以由學生自主實施，而傳統(tǒng)的2D模式則無法實現(xiàn)。

三、模擬實驗中對關(guān)鍵信息的重現(xiàn)程度

學生的觀察環(huán)節(jié)獲得的信息多少，會在實驗驗證的環(huán)節(jié)直接體現(xiàn)出來。學生會根據(jù)已知的信息有意識地模擬實驗，使實驗產(chǎn)生的現(xiàn)象能匹配觀察到的信息，從而證明自己的猜測。相反，如果學生在觀察階段的信息不全面、不清晰，沒有更多的信息，他們在實驗過程中尋找不到更多的關(guān)注點和需要匹配的驗證信息，會導致實驗不規(guī)范或不成功。

由于模擬實驗是分小組進行的，所以統(tǒng)計數(shù)據(jù)以實驗小組為單位。每個班分12個小組，每種模式觀察的小組總數(shù)是24個。統(tǒng)計時，為避免偶然因素的影響，我們將每個小組的實驗能再現(xiàn)2個以上關(guān)鍵特征的視為有效果實驗。

通過比較研究，我們不難發(fā)現(xiàn)，在3D視頻技術(shù)的支持下，學生對事物的觀察在某些方面超越了使用傳統(tǒng)觀察方式，尤其是在天文、地理等無法直接觀察的領(lǐng)域。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，教師和學生一起經(jīng)歷虛擬環(huán)境，觀察一些關(guān)鍵性問題，還能讓學生自己“進入其中”進行詳細觀察，大大提高了他們的理解能力。我們讓學生基于觀察和模擬實驗，研討環(huán)形山的成因時，發(fā)現(xiàn)學生在論述時能更好地在觀察事實、模擬事實和成因假說之間反復論證，以理服人。

上圖是一張學生集體論證圖，記錄了學生根據(jù)模擬實驗能觀察到的事實來論證與兩種不同假說的聯(lián)系。可以看到，模擬實驗的絕大多數(shù)事實都支持“隕石撞擊”假說，但也有一些事實可以同時支持兩種不同的假說。在3D技術(shù)支持下，觀察到的事實越多，模擬實驗越有成效，學生的理解和論證會更深刻。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前尚有諸多因素限制它在教育領(lǐng)域的廣泛應用。從我們的初步研究可以看出，它能為教學人員和學生構(gòu)建一種全新、多變的教學環(huán)境，為學習者提供了一種可以進行交互、直觀、自主探索的學習對象和環(huán)境，學生在觀察能力上有較大的提升。

廣東省深圳市福田區(qū)教科院

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