VR與3D教育的育人價值分析

李紅印 梁森山 教育部教育裝備研究與發展中心

2009年3D電影《阿凡達》的巨大成功，讓人不禁遐想能否“像看3D電影一樣地學習”？

2013年美國新媒體聯盟（New Media Consortium）《地平線報告（基礎教育版）》[1]首次將3D打印技術列為教育領域未來4至5年內待普及的創新型技術，引發了校園開展3D打印教學的風潮。

經過教育界多年的努力，VR與3D教育的概念、內涵和外延得到了細致地梳理[2][3]，理論建設和教學實踐都取得了很好的進展[4]，但是對VR與3D教育的質疑，一直存在。為了3D教育的持續發展，我們不得不認真思考“3D教育的價值何在”，筆者從諸多元素中篩選“知識可視化”“模型思維”和“深度學習”作為3D教育的核心價值。之所以這樣梳理，原因是：第一，VR與3D教育特性的研究成果，都可歸為“知識可視”和“模型思維”；第二，“知識可視”和“模型思維”是通往深度學習的階梯，而且是一條人人可以觸摸的階梯。

圖1 知識可視化

圖2 視覺知識和文字知識（語言文字為載體）

● 3D與知識可視化

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》必修模塊1要求：“在教學過程中，教師可提供日常生活中的應用案例，引導學生分組談論數據采集、分析和可視化表達的方法。”可視，即可視化[5]，原意為“可以看得見的、清楚地呈現”，作為一個學術名詞，“可視化”（Visualization）是指利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像，以直觀的形式在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。[6]

計算機圖形學的快速發展使得3D可視技術得以形成，這些3D可視技術使我們能夠再現3D世界中的物體，能夠用3D形體來表示復雜的信息，這種技術就是3D可視化技術（3D Visualization）。[7]

20 0 4年Ep pler,M.J.和Burkard,R.A.在科學計算可視化、數據可視化、信息可視化基礎上提出“知識可視化”的概念，即用來研究視覺表征在提高兩個或兩個以上人之間的知識傳播和創新中的作用，是用來建構和傳達復雜知識的圖解手段。除了傳達事實信息之外，知識可視化的目標在于傳輸見解、經驗、態度、價值觀、期望、觀點、意見和預測等[8][9]，并以這種方式幫助他人正確地重構、記憶和應用這些知識，如圖1所示。

知識可視化的主要理論基礎是雙重編碼理論——同時以視覺形式和語言形式呈現信息，以增強記憶和識別（如圖2）。

隨著科技的發展和人們對知識可視化要求的不斷提高，知識可視化表現出以下發展趨勢：一是2D到3D的轉變。當前的知識可視化技術大多是依靠計算機的2D屏幕實現的，將很快與3D和VR技術相結合。二是靜態向動態、交互的轉變。知識可視化不能僅僅是為了知識傳輸的靜態對象，而是需要建立一種迭代的、協作的過程，使得可視化過程動態發生。

知識和概念的可視化正是希望提供3D、高清、高品質視覺化媒體形式，極致呈現真實的科學現象，從而促進相關學科概念的直觀化認知和理解。[10][11][12][13]

● 三維建模與模型思維

我們生活在復雜多變的世界里，我們身邊的事物、環境，甚至我們自身，都在變，一切都在變化之中，而影響變化的因素又很多，該從何處下手呢？模型可以起到簡化分析變化因素的作用，讓我們能夠快速抓住主要矛盾，進而找到破解之門。

在科學研究領域，運用模型也是必須的手段和思維方式，甚至有人說“沒有模型，就沒有近代科學”。[14]經典的慣性定律、能量守恒、光線沿直線傳播，較為現代的原子理論、量子論、電磁場理論，以及知識、概念、定律，甚至語言等，都是模型。模型是貫通“虛擬”（概念）與“現實”（實體）的橋梁，如圖3所示。

圖3 模型思維

圖4 “模型、建模、仿真、模擬”教學研究過去20年走勢圖

模型和建模在中小學科學教育中越來越受到重視，《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》選擇性必修模塊5就新增了“三維設計與創意”，提出“三維設計方法的學習，既有利于培養學生的空間想象能力，也有利于開展學生科學、技術、工程、人文藝術、數學等學科綜合性的思維能力”。模型的臨境性、形象性、直觀性、簡約性、相似性、主體詮釋性等可視化特征，使其能將抽象或難懂的科學知識、概念或原理加以形象化、簡約化和直觀化,使它們由抽象態還原為學習者可以直接感知的形象態,便于學習者在大腦內形成思維圖像,進一步建構起心智模型。

筆者在中國知網以“主題=模型”“主題=建模”“主題=仿真”“主題=模擬”為關鍵詞，檢索范圍設定為教育理論與教育管理、學前教育、初等教育、中等教育，進行跨庫檢索，共檢索到文獻總數為70456篇（檢索日期2017年9月2日）。通過關鍵詞篩去與檢索主題無關的“大學生、翻轉課堂、影響因素和微課教學”，余下文獻總數為68174篇。“模型、建模、仿真與模擬”教學研究過去20年的發展走勢如圖4所示，在經歷了2008年的小谷底之后，進入穩步增長階段，估計2018年會持續走高。

對關鍵詞的分析也顯示出這種“均衡性”和“學科關聯性”，“模型”“教學設計”“數學建模”“教學”“小學數學”“教學模型”“應用”“多媒體”“信息技術”“教學策略”“物理模型”“課堂教學”“教學模式”“策略”“建模”“數學教學”“高中數學”“初中數學”“實驗教學”等近乎均勻地“混合”在一起。

進一步對排名前十的關鍵詞進行梳理，筆者發現一個有意思的地方，通過簡單的排列組合，可以梳理出下面這段話：基于3D可視化（“多媒體”和“信息技術”）的“模型”與“建模”思想和工具，正推動著中小學學科（數學、物理、化學）“教學策略”和“教學設計”從知識講解到“應用”（深度學習）驅動。

● 3D與深度學習

深度學習是智能教育、未來學習發展和教學改進的重要方向。[15][16][17][18]無論是心理學領域強調個體參與、個體建構的深度學習，還是教育學領域強調教師引領、個體參與、社會建構的深度學習，都強調“向意義更深處漫溯”——主動探尋知識意義、生活意義、生命意義、社會意義，指向人的核心素養和全面發展。而系統構建面向真實情境的教學、推進跨學科學習、打破固定課時、開展多元的學習實踐活動、應用現代信息技術提升學習和評價的個性化水平、拓展教學的時空邊界等深度教學策略，才能讓深度學習真實發生。

3D技術展現出來的直觀性、豐富性、可視化和模型思維，正是通向深度學習的階梯，這也是把“知識可視”和“模型思維”定為3D教育核心價值的根本原因，如下頁圖5所示。

深度學習與淺層學習對比

深度學習指向學生的內在學習，關鍵在于教師的教學。VR與3D教育、STEAM教育或創客教育均以項目式學習為主要學習方式，學習者通過項目式學習來完成學業，獲得知識與技能，其間同時獲得創新能力的培養。以項目式學習為基礎的學習環境，培養了學習者的項目學習能力。這些教育形態不僅深化了學生的項目學習能力，而且更加關注學生創新能力的培養。

教育領域對深度學習的追蹤、研究和踐行早已開始。2007年，華中師范大學郭元祥教授帶領團隊開始“深度教學”課堂教學改革實驗。階段性的成果已經顯示，深度教學不是指無限增加知識難度和知識量，不是對知識的簡單占有和機械訓練，而是強調為理解而教，為思想而教，為意義而教，為發展而教，引導學生深層、深刻、深度學習，從符號學習走向學科思想和意義系統的理解和掌握，體現學習的意義感標準、自我感標準、效能感標準三個內在標準。

揚州大學新聞與傳媒學院張浩與吳秀娟老師，在《深度學習的內涵及認知理論基礎探析》[19]一文中，也詳細比較了“淺層學習”和“深度學習”的特征，如左表。

圖5 深度學習階梯

● 結語

“知識可視化”和“模型思維”作為VR與3D教育核心的價值體現，做簡單延伸，可以用一句話來概括：“可視化呈現知識、概念與模型并導向學生的深度學習，是3D教育的核心價值。”

關于VR與3D教育的理論建設才剛剛邁出萬里長征的第一步，“一方面存疑并不斷反思，一方面構建甚至重構”將是今后一段時期VR與3D教育學術探討的常態，本文正是這種反思與重構并存的嘗試與探索，拋磚引玉，希望能夠得到更多同行批評指正，共同推進VR與3D教育事業。