zSpace(VR/AR)一體機在小學課后服務中的實踐探究

姚月琴

近些年來隨著信息技術的飛速發展，教學媒體在教學中的作用日益明顯和重要，現代教育技術在教學中的廣泛應用，無疑是給學校教育插上了一雙有力的翅膀，成為教師進行教學模式變革的重要手段，使教育教學方式越來越多樣化。AR/VR技術涉及多個領域，炙手可熱，隨著VR/AR技術的成熟，與行業的融合越來越深入，在教育教學中，也備受追捧。首先讓我們先了解一下VR和AR的概念。VR(Virtuao Reality虛擬現實)最大的特點是利用電腦模擬，產生一個虛擬的三維世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境，在這個虛擬空間內，使用者交互的是虛擬世界的東西，與真實世界完全隔絕。AR(Augmented Reality增強現實)是通過計算機圖形學和視覺技術將虛擬的信息應用到真實世界，使得真實的環境和虛擬的物體實時的疊加到同一個畫面或空間，是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。VR/AR技術在教育中的應用可以將感知世界和學習知識緊密融合起來，搭建起一座學習者和學習內容之間的橋梁。zSpace一體機是一款集VR/AR技術于一體的桌面式虛擬現實與增強現實設備，能讓使用者產生高度沉浸感，進行更加有效地學習。

一、zSpace一體機基本介紹

zSpace是一家專注于教育、醫療、企業培訓設計等領域的技術供應商，該公司位于美國硅谷。zSpace通過逼真的虛擬現實技術，并融合增強現實技術，讓用戶產生超出傳統技術環境的感受。可以幫助學生沉浸在虛擬3D世界中做學習探究及實驗。zSpace一體機是一款集硬件軟件于一體的產品。

二、硬件

(一)頭部跟蹤立體顯示技術的顯示器

每個zSpace系統都在顯示屏中內置跟蹤攝像頭，跟蹤攝像頭有跟蹤功能。這些傳感器可跟蹤使用者的zSpace觸筆和眼鏡。當使用者傾斜頭部以環顧對象時，zSpace一體機上的紅外線自動感知，會動態更新以完整高清地顯示正確的視圖。

(二)zSpace 3D追蹤眼鏡和2D非追蹤眼鏡

每個一體機上都配有一副zSpace3D追蹤眼鏡眼鏡和2D轉換眼鏡。為了能夠使用zSpace的立體顯示，需要佩戴3D眼鏡，3D追蹤眼鏡上有5個反光點，能讓使用者看到立體效果并且能夠與場景中的對象進行交互處理，為使用者提供完整的體驗，使用設備的同學可帶上3D眼鏡進行操控，而2D非追蹤眼鏡無法觀察到3D效果，只能進行參與，其他同學戴上了它，就可以在不干擾操作同學的情況下，分享操作同學的使用經驗。

(三)虛擬交互觸筆

zSpace觸筆像鋼筆一樣握持。使用觸筆在3D應用程序中進行全方位的動態互動，使用者可以在拾取和檢查物體時自然地旋轉手腕。可對模型進行放大、縮小、移動、旋轉等操作，觸筆上的按鈕根據打開的應用程序執行不同的操作。

(四)鍵盤和鼠標

機臺附有1個有線鼠標和1個有線鍵盤。可以使用鼠標和鍵盤操作傳統的Windows應用程序。以及一些支持傳統鼠標和鍵盤的3D應用程序。

三、zSpace一體機的應用軟件

zSpace系統軟件有多個應用程序，現就本人學校里zSpace一體機中的有使用權限的軟件做簡單介紹。

(一)3D工作室(也叫Studio)

適合中小學課堂使用的虛擬現實教學工具，包含2000多個模型，300多個課件。3D模型里涵蓋多個學科，包括植物、動物、建筑、藝術、歷史、生物、人體解剖等，且提供多種交互工具，如導入模型、對模型進行旋轉、放大、縮小、拆分結構、測量、尺寸對比、標簽等，這些工具能提升學生的動手能力。這里的模型和課件都是在線資源，根據老師的上課需要可以對里面的課件在線使用，也可以把課件下載下來，根據授課需要進行修改再使用。

(二)Leopoly制作軟件

適合中小學課堂使用的虛擬現實教學工具，針對美術課程及相關的課外興趣拓展課。學生通過動手操作，可以直接進行3D模型的創造設計及上色，選取不同的材料進行3D打印，可以培養學生的空間感和創造力，即使是小學生也能輕松上手。制作完成的模型為通用格式，可以連接3D打印機，實時打印。教師也可以根據需要，在Leopoly中制作模型并導入Studio中充實原有的模型庫。

(三)國寶博覽VR課堂系統

軟件通過虛擬現實技術對24件國家級文物影像進行全方位的展示，使用者通過觸筆可對文物影像進行拉近、放大、旋轉等操作，多角度觀察文物細節，再配合軟件的音視頻講解和文字介紹，進行探究性學習，讓學生感受中華文化的博大精深。

(四)zView軟件

zView軟件是zSpace一體機自帶的軟件，提供增強現實模式(AR)和虛擬現實模式(VR)，通過zView軟件能進行VR/AR模式的切換，能對屏幕上播放內容進行錄制，還可通過投映，讓觀察者感受到AR的模式。當處于AR模式時，觀察者可能和3D資源“互動”，如可以把3D工作室里的手表帶在自己的手腕，可以讓蝴蝶停在手上，還可以把里面的消化器官“按裝”在自己身上，使學習互動更加生動有趣。這個軟件一般只在教師機上安裝，做演示使用。

四、zSpace一體機在教學中實際應用及價值

zSpace一體機能提供更好的學習體驗，將虛擬可視可交互的場景融入真實課堂，增強認知與體驗，激發學習興趣，提高課堂效率。zSpace一體機的資源中心里自帶課件都是比較基本的內容呈現。目前多數教師能直接使用自帶課件進行授課，如用于社團課。因為社團課的時間長，涉及內容廣泛，所以在比較輕松的氛圍中更能激發學生的學習興趣。現結合實際使用過程中說一說zSpace一體機在課堂中教學中的價值。

(一)自然條件下無法實現的

人類對宇宙的探索是無止境的，宇宙中有太多的奧秘，在現實生活或課堂上我們無法親身體驗。如在《探究太陽系》這節課中，可以讓學生打開zSpace一體中的3D工作室里的資源，當學生打開資源后猶如置身于太陽系之中，能夠全面深入地去了解八大行星，非常清晰直觀地觀察到太陽系中各行星的位置，通過老師的講解學習了每個行星的結構特征；里面對地球的介紹最為詳細，如地球的內部結構、四季變化形成、白天黑夜的交替，以及各個星球之間的大小對比等。學生通過在太陽系中“遨游”，能激發他們對宇宙探究的欲望。

(二)現實存在，但無法詳細觀察的

每個生命都有周期，實際生活中對生命周期進行觀察需要大量的時間，而且還可能受外界的限制無法進行。如zSpace一體中的資源中心提供的《蝴蝶的生命周期》，呈現出在一個美麗的叢林一角，有只黃色的斑蝶停在那里，如果用zSpace觸筆抓取蝴蝶，并進行旋轉，帶上3D眼鏡可進行近距離觀察，蝴蝶的觸角還會動，猶如拿著一只真蝴蝶一樣，當放開以后，蝴蝶還會振動翅膀飛行。山谷中有一片綠色的樹葉，當抓取它并旋轉后會發現葉子的背面有蝴蝶的卵，在一塊石頭上有只幼蟲在蠕動，這就是蝴蝶的幼蟲，蛹掛在樹枝上，也可以選取進行觀察，最后破繭成蝶，由卵到成蝴蝶兩周的時間，不到2分鐘就能觀察完，而且資源中提供的畫面非常唯美，學生在這樣形象生動的環境經歷了蝴蝶的生命周期，更容易理解和掌握學習內容。又如細胞是真實存在于每一個個體中的，但我們不能通過肉眼看到。細胞的有絲分裂的過程我們也無法用肉眼看到，zSpace一體中的資源中心的《細胞有絲分裂》課件，就動態展示了細胞有絲分裂的四個時期。

(三)已經成為歷史，回不去的場景

人類創造了文明，也創造了歷史，在人類歷史中有許多著名的建筑，受條件的限制我們可能到達不了。如zSpace一體中的資源中心的《古羅馬遺址探險》，學生們不受時間和空間的限制，帶上3D眼鏡，打開資源便可去那里的斗獸場、萬神廟游覽一番，可利用照相機功能對建筑物里的細節進行參觀，足不出戶就能行萬里路。又如我國有許多珍貴的文物，有的不能近距離觀察，而國寶博覽VR課堂系統詳細地介紹與展示了24件文物，學生們可用zSpace的觸筆對文物影像進行360度的旋轉，就好像把文物拿到手里把玩，能觀察到文物的很多細節，感受中華文明的魅力。又如在zSpace里可了解猛犸象、恐龍等已滅絕的動物。

(四)實驗內容不可逆，不能反復等

在科學或生物實驗課里有解剖青蛙，每個班要進行解剖，實際操作起來有一定的難度，而且一節課還有可能完成不了，zSpace里的解剖青蛙(可剖分)資源，能將青蛙的肌肉、骨骼進行剖分，還能剖分出青蛙的眼睛、消化系統、腎臟、肺、舌頭等，學生可反復操作，通過放大旋轉等能清楚地認識青蛙的構成。又如對心臟的認識，在生物課上我們只能通過圖片對學生進行講解，理解起來還是有一定的難度，zSpace里的3D心臟資源做得非常形象，既有心臟跳動的頻率，還能聽到心臟跳動的聲音。而且可以看到人在正常情況和跑步時心臟跳動頻率的對比，對心臟里的內部結構也剖分得很詳細，如左心房、右心房，左心室、右心室，以及和心臟相連的血管，心臟和心室的瓣膜等都能非常清楚地呈現出來。

(五)教學器具過于昂貴不易建設的

在zSpace里有許多可剖分的資源，如機械里的電機模型、保時捷汽車模型等，學生用觸筆可將這些模型進行拆分，認識模型各部件的名稱，還可根據提示進行重新組裝，這樣既能節省資源又能讓學生在有限的空間里進行有效的學習。

五、zSpace一體機在課后服務中的教學實踐

學校依托銀川市中關村科技雙創園的區位優勢，以“科技創新、協同發展”為學校信息化教育理念，全面提升學校新理念、新目標、新模式、新標準和新追求。為更充分細致地分析“互聯網+”教育的課程效果，了解學生和教師對zSpace一體機使用的感受，通過多種形式在教學時間結束后對課后服務的部分學生和授課教師進行訪談。現對教師在課后服務中使用zSpace一體機的成效做如下總結：

第一，教師在課前要做好充分的準備。學校課后服務主要用到3D工作室、VR國寶系統、Leopoly軟件，教師一定要熟悉了解這些軟件里的功能，熟悉其相關操作。

第二，內容展示要有針對性。根據不同的授課類型使用不同的軟件進行操作，要針對學生的接受程度設計授課內容，將zSpace一體機的資源分別按3D工作室、VR國寶系統、Leopoly軟件三個方面進行了課程內容的設計，從而完成教學目標。學生在課堂上可通過3D眼鏡來操作或鑒賞，會有全面、立體的感受。由于操作時間長，學生自主探究、操作，把課堂還給了學生，體現了學生的主體性。

第三，學生比較喜歡這樣的課堂。通過zSpace一體機在課后服務中的實踐，學生在這樣的課堂上都有良好表現。學生能在課堂積極參與活動，能主動地選擇zSpace一體機里的相應資源進行操作或創作，從而助力學校智慧校園建設，促使師生信息化水平和創新素養全面提升，結合學校基本情況和發展愿景不斷完善人才培養機制和體系建設。

學生在課后服務中使用過zSpace一體機后，表現為：

第一，學生的學習興趣濃厚。作為學校新開設的智能類社團課程，為家境較為困難的學生提供了零距離接觸科技的機會。以落實立德樹人為根本目標，以“創新素養”為立足點，VR社團為載體，認真貫徹落實德智體美勞共同發展的工作任務。學生在整個學習過程中，對zSpace一體機里的3D工作室、國寶VR系統軟件、Leopoly軟件中的各種功能，都可獨立熟練地使用，對這樣一款全新的設備非常感興趣。

第二，沉浸于自己的創作。在我們的課后服務中，除了教師講授一部分內容外，剩下的時間留給小組進行創作。學生利用3D工作室創作出了許多3D作品，利用Leopoly軟件也創作了一些像小豬、花瓶、小獅子等的作品，放手大膽地讓學生去操作，學生們在通過力合作，發揮想象，制作出來的作品也很驚艷，從而達到潤物無聲的育人目標。

第三，學生滿意度高。學生通過認識及使用zSpace一體機里面的軟件后，都表示課堂靈動、有趣，能夠比較專注地投入學習中，在知識和技能方面取得了不錯的收獲。學生都表示愿意繼續學習使用。

zSpace一體機課程在課堂服務中得到廣泛運用，其以構建智慧課堂為抓手，進行課堂教學改革，提升了教育質量。通過打造智慧課堂，實現教育理念與模式、教學內容與方法的改革創新，促進和實現教學流程再造、精準教學，滿足了師生個性化教與學的需求，落實了“以學習者為中心”的教學理念，拉近了師生與人工智能的距離，激發了學習興趣，提供了高效的“教”與“學”模式，提升了學校實力和辦學水平。

總之，zSpace一體機通過VR/AR技術手段，利用虛擬現實豐富了教學內容，提高了教學效率與質量，強化深度學習與知識遷移，提高了個性化教學的實效性，有利于教育教學信息化的發展。