基于zSpace的物理學科綜合實踐活動設計研究*

高 潔 劉含嫣

（1.北京市海淀區教育科學研究院，北京100080；2.北京博雅智學軟件股份有限公司，北京100088）

一、問題的提出

隨著人工智能的發展，世界各國紛紛制定戰略規劃，尤其在我國發布《教育信息化2.0 行動計劃》后，各種與人工智能有關的教育技術應用被關注，特別是虛擬現實技術、增強現實技術、裸眼3D 技術在物理、生物、化學等學科有廣泛的應用。物理學是自然科學領域的一門基礎學科，研究自然界物質的基本結構、相互作用和運動規律。高中物理課程[1]是一門基礎課程，物理教學應引導學生經歷科學探究過程，體會科學研究方法，養成科學思維習慣，增強創新意識和實踐能力；提倡教學方式多樣化，尤其利用現代信息技術，引導學生理解物理學本質，整體認識自然界，形成科學思維習慣，增強科學探究能力和解決實際問題的能力。綜合實踐活動[2]是從學生的真實生活和發展需要出發，從生活情境中發現問題，轉化為活動主題，通過探究、服務、制作、體驗等方式，培養學生綜合素質的跨學科實踐性課程，高中階段的目標是創意物化，積極參與動手操作實踐活動。因此，基于觀察與實驗的物理學，可結合開展綜合實踐活動來提升在新時代的基本理念背景下學生的學科核心素養，豐富學生學科知識的學習方式。

二、zSpace教學應用

zSpace 是一款全新的3D 顯示屏，由加州Infinite Z 公司開發，可以跟蹤用戶頭部的轉動和手的動作，實時調整用戶看到的3D 圖像。給計算機游戲和增強現實帶來創新。

與在電影院或通過3D 電視看到的3D 視頻不同，用戶可以用手繞著物體做運動，如從側面看，或從底部看，zSpace 會根據用戶的動作顯示正確的觀看角度。要想看到顯示屏所產生的3D 圖像，用戶還需要佩戴一副特殊的眼鏡。這副眼鏡還有其他用途，除了為每只眼睛顯示不同的圖像（實現3D 效果），還可以用來反射紅外線，以便讓內置在顯示屏內的攝像頭能夠跟蹤用戶頭部運動（包括眼球運動）。

zSpace 的教育軟件工具分為：（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。

三、基于zSpace的物理科技活動設計案例

本案例是一個基于zSpace 設備的小型物理綜合實踐比賽活動，使用設備自帶的“牛頓實驗室”和“富蘭克林實驗室”軟件設計兩個比賽項目，分別為《憤怒的小球》和《修復四軸飛行器》，兩個比賽難度前者容易后者較難，都需要學生在掌握軟件操作的基礎上，利用已有的物理知識、探究精神和發散思維去完成。

《憤怒的小球》設計的目的是讓學生在虛擬現實的環境中可以精準控制力的大小、方向以及觀察物體的移動軌跡。通過游戲比拼的方式讓學生領悟力會改變物體的運動，重力會使它的軌跡彎曲。《修復四軸飛行器》設計的目的是讓學生在虛擬現實的環境中直觀地觀察電路中的電流以及每一個元器件，引導學生進行故障排查。學生在比賽的過程中經歷觀察、猜想、分析、拆解、組裝等環節，并領悟故障排查的基本策略。比賽的整體設計意圖是為了讓學生在比賽的過程中感受到物理魅力的同時使用zSpace 體驗虛擬現實在學習上的應用，做到寓教于樂。如圖1為《憤怒的小球》操作界面，表1所示為《憤怒的小球》項目比賽規則，圖2為《修復四軸飛行器》操作界面，表2所示為《修復四軸飛行器》項目比賽規則。

圖1 《憤怒的小球》操作界面

表1 《憤怒的小球》項目

圖2 《修復四軸飛行器》操作界面

表2 《修復四軸飛行器》比賽項目

研究者在某學校高一年級開展了本次的小型物理綜合實踐活動，參與學生為12 名，均為第一次接觸zSpace 設備，分數從2 分到40 分不等。活動結束后對比賽設計者（一位教師）、技術支持者（一位教師）、學校組織者（兩位教師）及4 名分數不同段的學生進行了問卷調查，調研問卷問題設置如表3所示。調查顯示學生對此教學工具都很感興趣，并認為在數學、物理、化學、生物等學科都可以使用。有教師認為該設備雖在一定程度上會讓教學變得比較有趣，但總體感覺更適合于小學教學，高中階段更多地會向邏輯思維轉移，小學和初中早期會需要感官刺激更多一些。

表3 調查問卷問題設置

四、物理活動案例分析

在對本次活動舉辦情況實際調研后，得出以下結論（如表4活動與優勢分析和表5活動），供研究者參考。

1.特色與優勢

混合現實優化知識點呈現方式。本活動設備采用VR 和AR 技術結合的MR 技術，將物理環境虛擬化，再現了教學中較難實現或成本高的知識點應用場景，學生可進行多次操作練習，不用擔心器材教具損壞、設備爆炸、數量不足等客觀存在的問題，同時增加了學習的趣味性。

活動設計理念突出寓教于樂。使用在教育界尚未普及的混合現實技術教學軟件，學生都表現出了好奇和欣喜的表情，都能積極探索完成比賽任務，并且在比賽后仍然探討相關知識點問題；教師專注點在于活動是否能讓學生快樂、提高素養和思維訓練，而非成績，體現學校“育人”大于“教書”的理念。

促進學生探索發散思維。學生普遍表示對自己的成績滿意，對本次活動覺得有趣。不滿意成績的學生是因為操作不熟練，平時沒接觸過此種設備。成績偏高的學生能夠自己探索出經驗規律，能夠對比賽規則提出改進建議。學生能夠對該設備的遷移應用發表自己的意見，大多數表示該設備可應用到物理、數學、生物和化學等學科。

幫助學生開展分層訓練。本次活動設置了難度不等的兩個項目，能力較強的學生在第一次接觸該設備時能快速上手找到操作方法，結合已有經驗知識和新方法嘗試探索解決問題路徑；就同一個項目來講不同能力的學生會獲得不同的靈感，得到靈感的學生會迅速找到技巧，掌握知識點在虛擬場景中的實際應用。

表4 活動特色與優勢

2.建議

活動時長設置需合理。本次比賽時間較緊張，由于學生第一次接觸，賽前沒有時間讓學生充分了解設備，賽中第二個難度大的項目很多學生沒有時間完成，只有幾個學生只是獨自完成了一個四軸飛行器的修復。建議活動時間根據比賽難度和環節做好時間劃分。

做好學生賽前準備工作。本次比賽學生陸續到來，原定的講解環節晚來的學生沒有聽到，導致個別學生操作受阻，不能很好地體驗完成知識點的探索學習。建議對學生進行前測和后測以做出合適充分的準備工作。

活動主題與內容需匹配。本次活動題目為科技活動，但比賽項目僅為物理知識，可以更換主題或增加活動主題內容。建議之后舉行活動的主題更加符合內容，如果定義為科技活動可以再增加一些其他學科的知識點操作項目。

教師探索精神仍需提升。本次活動觀察到，在備賽區域有供師生使用的VR 設備，內含小游戲供師生練習，但發現在第一個游戲的體驗中，使用者不知如何操作或僅操作了兩三次沒反應后，旁邊輔助教師第一反應是去查詢說明書，而不是自己嘗試著去用手柄進行不同操作實踐。建議教師也應養成積極主動的探索試錯精神。

表5 活動建議

五、總結

本文研究的案例是混合現實設備zSpace 在教育教學中應用的初步嘗試與探索，通過比賽的形式讓學生學習物理知識，提升物理素養，促進學生科學探究及發散思維的養成，為虛擬現實和增強現實在教育教學中的應用提供參考，也為日后開展此類型活動提供借鑒。