zSpace在教學中的應用與前景展望

王珠珠

【摘 要】近年來，虛擬現實技術被越來越多地應用到教育領域中。本文以zSpace作為研究對象，對虛擬現實技術在教學中的應用、zSpace的硬件設備、軟件工具及其STEAM課程進行介紹分析，并對zSpace在教育中的應用情況進行討論，梳理出虛擬現實技術在教育中交互學習的優勢和存在的問題，探討新興技術在教育中的支持作用，希望對虛擬現實技術在教育領域的不斷完善提供借鑒和幫助。

【關鍵詞】虛擬現實；zSpace；教學活動；交互學習

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）09-0076-04

虛擬現實，是一種基于多媒體計算機技術、傳感技術、仿真技術的沉浸式交互環境，借助一些設備使人產生身臨其境的感受和體驗。zSpace作為近年來新興的虛擬現實教學設備，發展迅速。它主要致力于教育、醫療和培訓等領域，結合其自身虛擬現實的特點，可以更好地展現知識內容，并且有助于提高學生學習興趣和提升教學效果。zSpace一體機運用虛擬現實技術給體驗者創造了高度的沉浸感、交互感，相對于之前在書本上呈現知識，是對傳統的學習方式的巨大改革。zSpace以其交互切轉自然、場景運動自由、內容可視化、環境虛擬化、操控自如、體驗真實等特點，獲得了越來越多的教師和學生的青睞。

zSpace硬件、軟件介紹

1. zSpace的硬件產品（如圖1）

（1）顯示器：24英寸高清顯示器采用zSpace頭部跟蹤立體顯示技術，可以通過調整zSpace支架的角度來調整視角舒適度。

（2）zSpace眼鏡：zSpace使用需要佩戴3D眼鏡，這樣才可以看到立體效果，此眼鏡含反光點，跟蹤攝像頭用這些反光點來識別頭部位置。zSpace還配備有不帶反光點的2D眼鏡，觀察者可以佩戴這種眼鏡，而不會干擾跟蹤。

（3）zSpace觸筆：使用觸筆按鍵可以與場景中的對象交互。可以讓使用者在六個自由度輕松使用，使用者可以用觸筆進行六個自由度交互，而鼠標的使用和普通計算機的鼠標并沒有差別。

（4）鍵盤、鼠標：可以將鼠標和鍵盤與傳統的2D應用程序以及支持鼠標和鍵盤輸入的3D應用程序配合使用。

（5）zView：通過增強現實技術，zView能把主操作者的zSpace體驗分享給更多的觀眾，可以投影到任何2D投影機、顯示器或者電視上。產品包括：zView軟件、攝像機、攝像機的安裝支架。它具有很多特點，如分享體驗：zView提供一種方式可以與他人分享體驗過程。多種顯示模式：增強模式，以固定視角顯示場景，有凸出屏幕效果；標準模式，以人眼視角顯示場景，平面效果。錄制：錄制課程講解以及學習過程，方便回顧。

（6）zSpace硬件產品特點

頭部追蹤：高保真的立體效果，圖像可以隨著眼鏡在跟蹤區域內的位置變化而自動調節，使得圖像保持真實度，更有利于使用者觀察，也體現了產品的人性化。跟蹤系統幫助3D應用程序提供逼真的、身臨其境的體驗。當你的眼鏡移動時，該應用程序會調整視角，就像現實生活中的視野改變。

交互：跟蹤攝像頭能夠確保觸筆與跟蹤區域內的虛擬物體進行交互操作，zSpace軟件能利用使用者的姿態數據與虛擬世界進行交互。

2. zSpace的軟件工具

（1）素材包：超過1000個模型（歷史文物、建筑、考古學、人體解剖、太陽系、植物學、動物學、工藝、交通工具、雕塑）；擴充模型庫；多種模型操作工具（量尺、拆解、切片、標簽）；導入專屬的3D模型。

（2）學科、藝術軟件

zSpace STEAM課程軟件家族成員越來越多，除了Studio（工作室）、牛頓公園、富蘭克林實驗室、虛擬科學，還有2016年加入的Leopoly（美術軟件）、可視化人體、居里夫人元素、歐幾里得模型。

① zSpace Studio。包括zSpace基礎平臺；可擴展的模型圖庫如科學等；提供發現工具：支配、解剖、切割、標簽；可引入自己的3D模型。

② 人體解剖圖譜。這是一個屢獲殊榮的人體解剖學通用參考資料。該應用程序是用于探索人體系統的革命性3D可視化和學習工具。它包含4600多種解剖結構，包括男性和女性身體的所有主要器官和系統。同時，還有1200多道測試題目。該應用程序面向醫療保健專業人員、患者、學生以及對人體解剖學詳細可視化感興趣的所有其他人員。教師和學生可以用zView通過投影機或輔助顯示器呈現人體解剖圖集內容。

解剖實驗室使用zSpace具有如下好處。a.解剖標本不受限制：在學習人體解剖學時人體標本的作用十分重要，但人體標本的供應很受限制，較難獲得，而且也不容易存儲和處理。人體解剖圖譜中多樣化的虛擬標本模型可以無限次數地使用。b.能夠檢驗具有生命體征的系統：傳統解剖人體標本時，學生無法觀察到活的生物體的系統運作方式。人體解剖圖譜中學生既可以對單個器官進行觀察，也可以探究整個系統的功能。學生使用時能夠旋轉模型標本，獲得關于特定人體系統的知識性信息，并且觀察多個人體組織之間的相互作用。c.不怕犯錯：在傳統的解剖課上，學生使用外科手術刀時一旦犯錯，標本上的破壞就無法彌補。d.更好的教學效果：最新的研究發現，使用模擬實驗室后，學生的學習效果有明顯的提升，當傳統教學方法與數字技術結合時，效果更是有明顯的提升。中山醫科大學孫逸仙紀念醫院已經將zSpace一體機運用到醫學教學中，學生們可以運用zSpace一體機的電子筆，將軟件內的人體肌肉、骨骼模型進行轉動、放大、拆解，清楚地觀察每一部分。

③ 富蘭克林實驗室。富蘭克林實驗室讓學生在虛擬的環境中研究電路，教師可以設置、保存電學實驗，讓學生反復研究。許多電學實驗里都會存在各種各樣的危險，而學校在教授知識的同時，也總是想要保護自己的學生們。zSpace虛擬世界中的電學實驗，為同學們提供了一個安全又充滿想象的平臺，學生可以在上面做各種電學實驗，得到逼真的效果，又不用擔心會造成傷害。豐富的素材和課件，更直觀的電路圖，虛擬環境下的操作，給同學們更安全更有效的學習環境。

④ 虛擬科學3D。從生物概念到機械系統（如圖2），虛擬科學3D是精細、交互體驗的全面方案。通過結合zSpace的現實世界虛擬現實平臺與虛擬科學3D的解剖學、科學和生理學軟件，可以給使用者提供逼真的虛擬現實學習環境，并能夠根據課程和學生需要提供個性化體驗。

⑤ 3D藝術設計。Leopoly的操作非常簡單，給低年級的學生提供3D藝術模型、展示藝術設計的平臺，幫助他們創建、定制和準備模型。提供了一個舒適的早期培訓場所，向學生介紹3D創作世界，并為3D打印準備數字對象，使得任何人都可以成為3D設計師。學生可以瀏覽3D模型以獲得靈感，然后自定義或設計原創對象。

除了以上軟件，zSpace STEAM課程軟件中的牛頓公園讓學生進行虛擬的力學試驗，可視化力的作用；歐幾里得圖形提供了學習數學的教具。供教師指導數學學習；居里元素互動元素周期表包含每個元素玻爾和原子模型，原子生成器允許學生添加質子、中子和電子來創建原子。這些軟件涵蓋的課程從小學到高中，學科從生物、物理、化學、地理、歷史、數學到藝術設計等，多門學科均有配套教案，減輕了教師備課壓力，提高了學生的學習興趣。

zSpace在教育中的應用

相對于VR眼鏡的完全虛擬性，zSpace一體機為學生提供了一種虛擬和現實結合的場景，不僅給學生一種身臨其境的學習體驗，還能輕松地切換到現實世界中。zSpace觸筆能將軟件中的圖像從顯示屏中拖拽出來進行六個自由度隨意轉動，部分應用程序還匹配有多種感知反應，例如學生操作心臟模型時，可以看到心臟有規律的跳動，并且能聽到心臟跳動的聲音。

美國有關方面的調查數據表明，在美國使用zSpace產品進行教學的學區有100多個。Katie Farley是Los Altos學區卡溫頓小學的STEAM老師，她認為學生們喜歡用zSpace進行學習，是因為他們覺得這樣的學習很有趣。教師和學校管理層之所以選擇zSpace，是因為它可以改變傳統的教學方式，創造一個逼真的虛擬現實的學習環境，學生們可以用zSpace來探索傳統課堂上無法自主獲得的奧秘。比如學生可以觀察拆解逼真的火山模型也可以制作物理電路板，而且完全不用擔心電路會燒毀。這種學習方式相對之前有了很大的改變，學生的學習興趣和效率提高了，學校的教學質量自然有了很大的提高。

不久前，北京的一所小學使用zSpace開展了兩堂公開課 ——《認識心臟》《我是考古學家》。在《我是考古學家》的課堂上，教師跟學生一起認識了猛犸象，先是簡單介紹遠古時代的生活環境，運用講故事的方式進行課程導入，讓學生對猛犸象有初步的認知。接著，老師讓學生運用zSpace里的軟件工具資源，對猛犸象進行觀察認識、自主探究，學生展現出濃厚的學習興趣。之后教師運用提問、討論、回答的學習方式，學生們注意力高度集中，非常積極地參與到學習中，課堂氣氛很活躍。

在《認識心臟》的課程中，學生們在虛擬3D空間中全方位學習觀察心臟結構，對比各個組織結構的不同。與教師講解的傳統教學方式相比，zSpace增強了學生動手能力。學生可以自主對心臟進行觀察、解剖，既對學習產生了濃厚的興趣，也加深了對知識的理解。zSpace將抽象的、微觀的、現實生活中不容易實際觀察到的客觀世界，都轉化為可全方位仔細觀察的、可操作的模型，使得學習更加真實化，激發學生的探索能力，不僅使學習內容更加豐富，學習效果也得到了很大的提升。教師和學生在交互的學習狀態中，學習的內容不僅在存在于自我的想象之中，而且以直觀形象的方式展現出來，使原本抽象的問題簡單化，學習過程也不再乏味，整個課堂生動有趣。教師、學生、zSpace平臺三方之間的互動，讓學生在交互體驗中輕松地掌握知識，而不再是傳統意義上的簡單講述和傾聽。與其他如頭戴式虛擬現實產品將人與現實分離開來的形式不同，zSpace能夠滿足使用者之間的交互和小組協作學習，使用者在虛擬學習環境中進行自主操作式、體驗式學習，不再需要擔心物質成本消耗、學習資源的浪費、實驗的危險性和實驗失敗導致的惡劣后果，因為在這里，使用者能夠輕松修改錯誤，并且能夠發揮想象力進行自主探究式的學習。

zSpace在教育中的應用分析

作為世界上成熟的桌面沉浸式3D虛擬交互學習平臺，完全脫離傳統鼠標的創新交互模式，可以幫助學生沉浸在虛擬3D世界中進行學習探究及實驗。在zSpace STEAM教學中，課程融合的教育理念體現在產品的使用中，學生可以自主完成比較感興趣的項目，在動手操作的學習過程中既培養了動手實踐能力，也掌握了多種學科的知識。zSpace STEAM教學可以滿足個體差異化教學，并且注重學生創新、拓展性思維訓練，培養了學生與人合作的能力，鍛煉了動手能力以及學生潛力的開發等。研究表明，通過立體視覺呈現教學材料來促進教育的發展是很有意義的，可以幫助孩子們提高學習興趣。傳統的認知是觀看立體投影的3D教學片可以幫助學生理解復雜結構，接近現實的立體效果很大程度上提高學生的學習興趣。然而，當可交互的虛擬現實技術出現以后，我們發現這項技術的交互性恰好滿足教學需求，學生不僅需要看，更需要動手操作。在美國的各個州均有學校引進了最新的虛擬現實教學產品，教學中發現增強了教師與學生的互動性，大幅度提升了學生的內容留存率，讓學習更為生動有趣。同時，該技術也為STEAM教育的信息融合提供了可能性，因此深受廣大學生和教師的喜愛，立體顯示技術將成為是一種普遍使用的教育工具。

隨著經濟的發展，社會的進步，人們對教育事業越來越多地關注和投入。虛擬現實技術為學習所用已經是一種不可阻擋的趨勢，它能夠使學習者感受到高度虛實結合、實時的交互和沉浸感，且具有提供情境、支持協作、促進自主學習等作用。由于其新奇性及高度的沉浸感，使得學習者的學習動機有了很大的提高。但是受到學校資源、教學時間、教師和學生的信息技術水平的約束，虛擬現實技術在教育中的應用還是會出現很多的問題，所以還需要社會各界人士的努力和對教育事業的支持。zSpace立足校園教育的實際場景，通過交互性加深學生對知識點的理解，培養學生批判性思維和空間想象能力，相信未來虛擬現實技術在教育中會有越來越多的應用。

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